流化床-提升管耦合流化床反应器研究进展

崔 刚，卢春喜

（中国石油大学(北京)， 北京 102249）

流化床-提升管耦合流化床反应器研究进展

崔 刚，卢春喜

（中国石油大学(北京)， 北京 102249）

耦合流化床反应器由于其独特的优越性，得到了越来越广泛的关注。介绍了近期流化床-提升管耦合流化床反应器的应用研究进展。同时对比了不同物性的颗粒在类似的流化床-提升管耦合流化床反应器内流动特性，发现不同物性的颗粒，在流化床-提升管耦合流化床反应器内的流动特性有着不同的特性。

耦合流化床；流动特性；研究进展

流态化技术以其特有的优越性能，在化工、石油、冶金、能源、材料、生化、环保、制药等国民经济的各个领域中的到日益广泛的应用［1,2］，流化床按照流体和固体颗粒两相流动行为可分为鼓泡床，湍动床，循环床、稀相床和快速床［2］。随着工艺技术的发展以及对反应程度的苛刻控制的追求，单一的流化床型反应器已经很难满足技术的需求，不同流化类型相耦合的耦合流化床反应器已经被越来越多的学者进行研究，部分耦合流化床反应器已经在工业装置上成功应用。如流化床气化-燃烧技术［3,4］，管式烧焦技术［5］等。在催化裂化再生技术方面，我国已经掌握了鼓泡床、湍流床和快速床，完全和不完全燃烧，以及单段和两段等各种床型和方式的组合形式。形成了多种床型和方式组合起来的新型再生技术工艺［6］。卢春喜［7］等利用了流化床和提升管的各自优点，提出了一种使用耦合流化床将油砂直接流化床焦化新技术。这些成功的应用说明，针对不同工艺开发不同流化床型相耦合的技术大有可为之处。

1 流化床-提升管耦合流化床反应器研究现状

提升管反应器由于操作线速较高，具有良好的输送性能，且其返混程度低，接近活塞流，反应效率高，目标产品易于控制等优点。提升管与流化床耦合反应器能够将两者的优点结合起来。众多学者对单一提升管做了大量研究，研究结果表明［8-10］，提升管出口的几何结构对提升管内气固流动特性有重要影响。在光滑的弱约束出口条件下，固含率呈上稀下浓分布；在非光滑的弱约束出口条件下，固含率呈两端大、中间小的C型分布。若将提升管与流化床相耦合，会对提升管出入口产生约束作用，提升管内气固流动特性将会呈现新的特性。

目前对于流化床与提升管耦合结构流体力学特性的研究较少。主要有以下应用研究：

中国科学院山西煤炭化学研究所粉煤气化工程研究中心，根据提升管的优点，开发了耦合灰熔聚技术和提升管技术的多段分级转化流化床煤气化炉［11］。其结构主要为射流流化床顶部与提升管耦合而成，且两段流化床都有独立的进料口。集合了灰熔聚气化炉和提升管的优点，具有梯级进料、分段进氧、煤分级转化、气化炉体积利用率和气化效率高、结渣风险少等优点。

黄克峰［12］等针对催化裂化装置结焦问题，开发一种由“提升管+流化床层+旋风分离器”组成的催化裂化新型反应器，并初步考察了流化床层部分的流动特性及其对旋风分离器分离效率的影响。

徐聪［13］等针对利用高 Ca、Mg 含量的原料进行四氯化钛生产工艺中物料粘结性问题，利用原料在提升管与流化床间顺流流动的强剪切作用来提高抗粘结性，开发了提升管和流化床多级组合式流化床。这种反应器包含底部的提升管和提升管顶部的多颗粒气力输送床，并针对具体反应体系进行了数值模拟工作。

侯栓弟［14］在汽油催化反应动力学模型和气固两相流动模型的基础上，建立了汽油改质反应过程流动-反应耦合模型，相比于提升管反应器，其流动形式较为复杂，汽油中的烯烃含量可以降的更低。

中国科学院过程工程研究所针对煤的宽粒度分布特性，提出了煤炭分级解热提质工艺［15］。该工艺结合流化床与输送床，利用不同粒径煤所具有的不同流化和气力输送特性，实现不同粒度煤的自然分级和在不同热化学转化条件下的高效转化。

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺，提出了提升管与流化床耦合反应器。它既保留了提升管反应器高效的反应性能和良好的输送能力，又使反应物在流化床中有更长的停留时间，从而进一步促进了氢转移、芳构化等有利于降烯烃的反应，该技术已经工业化，并取得了良好的效果［16］。王德武［17］等系统研究了颗粒在这种反应器内的流动特性。

2 不同颗粒体系在流化床-提升管耦合流化床反应器的流动特性对比

以下几位研究者使用了不同的颗粒在结构类似的流化床-提升管耦合反应器中进行了研究，结果表明，其流动特性各具特点。

严超宇［18-20］在耦合流化床底部设置环流段，构成底部环流段和上部烧焦管耦合流化床（见图 1），也是流化床-提升管耦合反应器的形式，把鼓泡床、湍动床、快速床、循环流化床烧焦耦合在一起。与普通燃烧器相比，环流床-烧焦管耦合反应器能够使气固两相在底部环流段环流流动，这种流动方式可以增加颗粒在环流段的反应停留时间，提高气固两相的传质传热效率，而上部的烧焦管本身就具有传热传质效率高、热输入强度大等优点。

严超宇系统的研究了石英砂颗粒体系在图1中耦合反应器内的截面平均密度的轴向分布。其研究结果表明［18-20］，对于石英砂颗粒体系在反应器沿轴向高度可明显分为底部流化床密相区和上部烧焦管稀相区两个区域；在某一轴向高度以上，烧焦管内截面平均密度基本不变；循环量一定的情况下，随着表观气速的增大，截面平均密度降低。

图 1 严超宇实验装置流程示意图床Fig.1 Schematic diagram of experimental unit designed by Yan Chao-yu

秦小刚［21］等在一套大型流化床-提升管耦合反应器冷模实验装置上（见图 2），对沥青颗粒体系在耦合反应器内流动特性进行了研究，结果表明：沥青颗粒在整个反应器沿轴向可分为底部流化床密相区、提升管底部低密度区、提升管颗粒密度重整区、提升管加速区、充分发展区和出口约束区六个区域；反应器内轴向截面平均密度随表观气速的增大而减小，随颗粒循环量的增大而增大。

图 2 秦小刚实验装置流程示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental unit designed by QIN Xiao-gang

曹鑫［22］在相似的流化床-提升管耦合流化床反应器大型冷模实验装置中（见图 3），研究了脱油油砂颗粒的流动特性。其研究结果表明，油砂颗粒在提升管内沿轴向的运动可分为颗粒加速区、充分发展区和颗粒出口约束返混区；截面平均密度沿轴向呈上下两端高、中间低的C型分布特征；提升管内轴向平均密度随表观气速的增大而减小，随颗粒循环量的增大而增大。

图 3 曹鑫实验装置流程示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental unit designed by CAO xin

通过对比以上研究可以发现，在相同结构的流化床-提升管耦合流化床中，表观气速一定时，提升管轴向平均密度随颗粒循环强度增大而增加；颗粒循环强度一定时，提升管内轴向平均密度随表观气速增大而减小。这种规律与所用的颗粒物性无关。不同的颗粒体系，在耦合流化床中提升管段的流动特性呈现不同的特性，具体表现在：图1实验中使用石英砂发现只有2个流动区域；图2实验中沥青质可分为6个流动区域；图3实验中脱油油砂可以分为3个流动区域。因此，不同的颗粒体系，在相同的耦合流化床呈现不同的特性。颗粒物性在耦合流化床中的流动特性的影响有必要进行系统的研究。此外，图1实验中提升管出口为新型快分，颗粒从提升管出口进入到快分入口，没有流向的变化。图2和图3实验中提升管出口采用的是T型出口，对提升管出口颗粒流动有着强约束作用。所以在图2和图 3的实验中出现了约束返混区，而图1实验中提升管截面固含率基本不变。

3 结束语

流化床-提升管耦合反应器可以适应对一些新的工艺要求，有着广泛的应用前景。虽然很多研究者都根据所对应的工艺开发了不同类型的流化床-提升管耦合反应器，大多都是针对某一种具体工艺而开展的，但是所做研究缺乏系统性和理论基础。这也是因为，气固两相流动本身就十分复杂，在耦合过程中，会使得这种复杂程度更高的缘故。对于流化床-提升管反应器还缺乏理论基础，因此对其开展基础研究是十分必要。

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Research Progress in Fluidized Bed-Riser Coupled Reactors

CUI Gang, LIU Meng-xi
（China University of Petroleum, Beijing 102249,China）

Because of its unique superiority, a coupled fluidized bed reactor has got more and more attention by researchers. In this paper, research progress in fluidized bed-riser coupled reactors was introduced. Moreover, flow characteristics of different particles in the fluidized bed-riser coupled reactors with the same structure were compared. The result shows that particles properties have great effect on flow behavior in the fluidized bed-riser coupled reactors.

Coupled fluidized bed; Flow characteristics; Research progress

TQ 050

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1240-03

2014-05-23

崔刚（1984-），男，安徽阜南人，硕士研究生，研究方向：化学工程。

卢春喜。