流化床反应器基本类型及特点

1926年德国人 Winkler发明的粉煤流化床气化炉问世，使流态化技术成为最早应用在化学反应过程的化工技术。

到20世纪40年代烃类催化裂化 (FCC)实现工业化后，流化床反应器的工业应用得到了迅速拓展。

目前流化床反应器已成为化工、石油炼制、能源、轻工、医药、生物制品和环境保护等众多工业过程的一类重要反应装置。

流化床操作的最基本特征是流体 (气体或液体)以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒迅速运动，使之悬浮在流动的主体流中，并呈现出类似流体流动的一些特征，故而得名。床内相应的流动状态 (流态)称为流态化。特别在气-固流化床中，流化气体常以气泡形式通过床层，犹如水的沸腾，所以流化床亦常称为沸腾床。
一、流化床反应器的分类
1.按流化体系分类
按流化体系的不同，习惯上把流化床反应器分成两大类：

一类为气-固(相)流化床反应器。按在器内所发生的反应过程的不同，又可分为气相催化反应过程 (催化或非催化反应)和气-固相非催化反应过程(如煤的燃烧和气化，矿物的焙烧和煅烧等)两类。

另一类为液-固 (相)和气-液-固 (三相)流化床反应器。

气-固流化床反应器在工业上应用得最为广泛和成熟，液-固和三相流化床反应器在生化反应过程 (酶化、植物细胞培养和药物等生化制品)和工业污水生化处理等过程中推广应用。
2.按流态分类

对液-固流化床反应器，固体颗粒均匀地分散在液体中，呈拟均相状态，所以常称为散式流态化或均相流化床反应器。对气-固流化床反应器，流化气体的速度变化范围很大，反应器内发生的流态化的特性很不相同。

一般可以分为三类：鼓泡流化床、湍流流化床和快速流化床反应器，如图25-5-1所示。在这些流化床反应器中，固体颗粒在不同程度上成团聚状态，故常统称为聚式流态化。

二、基本结构

流化床反应器除筒体 (圆筒形或矩形)外，还包括气 (液)体分布器、固体颗粒、内部构件 (包括换热构件和控制气泡或颗粒运动等专门构件)、颗粒的捕集、回收系统以及气源等。对不同的工业生产过程，有时还可设置其他部件，如颗粒的输入和输出装置、气体射流、机械搅拌和振动等机械装置，还有采用电磁等外加力场来改善流化质量的装置。

图 25-5-2 气-固流化床反应器的一般结构示意图

1-床体；2-固体颗粒；3-风机；4-气体分布器；5-预热器；6-内部换热器；7-夹套换热器；8-旋风分离器；9-固体颗粒加料器；10-固体颗粒出料器；11-喷雾加料
三、基本特点和优缺点
与其他类型的气-固接触式反应器相比较，气-固流化床因其独有的优异性能，故在工业上能得以广泛的应用。主要应用有：
①流化的固体颗粒在床内做着强烈的循环运动，保证了气-固两相以及颗粒-颗粒之间有效的接触和混合，强烈地冲刷埋在床层中的换热管件和器壁，使它们之间有较高的传热速率。

另外，流化气体在通过床层时的混合效应使床层几乎可以达到温度均匀状态，一般不会出现固定床反应器中经常遇到的 “热点”和 “飞温”现象。

反应可在较低温度下进行，对催化剂活性的要求亦不太高。此外，进口的冷物料 (无论是气体、液体或固体)几乎可瞬时地达到床层的温度，通过床层的流化气体还携带走大量的反应热。所以流化床反应器特别适用于强放热和热敏感的反应过程。
②流化床层呈现着拟流体流动的特性，使固体颗粒能方便地加入和移出反应器。在催化剂颗粒会发生失活的情况下，颗粒能方便地在两台流化床反应器之间作循环流动，并分别在各台反应器中进行反应和再生操作。此外，固体颗粒 (热容量大)从反应器移出的同时，还携带走了大量的反应热。所以在工业上容易实现连续化和循环操作。
③对气相催化过程， (固体)催化剂颗粒的粒度一般都很细小，所以粒内扩散阻力很小，一般可以忽略。
④较低的压降。与固定床反应器相比，当使用的颗粒粒度和表观流化气速相同时，其压降要低得多。在细颗粒体系情况下，尤是如此。
⑤机械结构简单，便于制造，适用于大的工业生产过程系统。工业反应器的床径可以从0.05m(如硅烷的热裂解)到10m不等。

但是流化床反应器亦有其自身的一些缺点，从而限制了它们在工业上得到更多的应用：
①流化的固体颗粒和气体在器内返混严重，颗粒的流动更接近全混流，气体又易发生“旁路”现象。所以与固定床反应器相比较，反应物的转化率一般要低得多，或为了达到同样的转化率需使用较多量的催化剂，对选择性也有影响。

特别在固体加工过程中，由于颗粒的流动几近全混，它们在床内的停留时间不一，且往往有较宽的分布，从而严重地影响过程的效率，亦会降低产品的质量或品位。
②要全面地评估流化质量。理论和工业实践都证实，在床内设置诸如横向挡板或搅拌等机械设施等都很有效，但是这样势必会导致结构复杂，操作和控制变得复杂和困难，投资亦将增大。
③对流化颗粒的粒度和粒度分布都有一定的要求和限制。一般地，粒径小于3×10^-5m或大于3×10^-3m的颗粒难以流化而不被采用。
④床内会明显地存在着不均匀性。在靠近分布板的区域 (或分布板区)和床层上方的自由空间区的空隙率明显高于流化床层的空隙率。

在分布板区，气、固两相之间的混合和流动十分强烈，反应相当剧烈，一般都会存在着较大的温度和浓度梯度。

而在自由空间区，颗粒在上升气流中呈离散的悬浮状态，气-固两相之间接触充分，易发生二次反应 (如深度氧化反应等)，会导致过程反应选择性的降低，温度控制亦较困难。
⑤当有两个或更多个组分参与反应时，欲使它们都能完全反应 (或都有高的转化率)是不可行的。这是由于床内返混严重，气体的旁路现象在所难免，如在烃类氧化过程中，常以氧过量来保证烃类有高的转化率。为此，要考虑过量组分和过量比。
⑥为了捕集和回收固体颗粒，以免损失掉昂贵的催化剂颗粒并能保持床层内一定细粉比，且避免造成环境污染等，通常要在床的内部或外部设置高效多级旋风分离器等分离装置。
⑦流态化现象相当复杂，在不同尺度或规模下的流态化特性大相径庭。所以从实验室或中试规模下获得的一些结果往往很难直接应用到过程开发和工程放大工作中。对于复杂的反应过程更是如此。目前主要还是采用逐级放大方法。
⑧上述这些缺点和困难，在鼓泡流化床反应器中特别突出，在湍流和快速流化床反应器中有所缓解，但是目前在这些方面的工程经验尚有欠缺。