循环流化床提升管反应器的放大问题

张 坤

（中国石油大连润滑油厂，辽宁 大连 116031）

循环流化床技术肇始于20世纪30年代，发展至现在已经成为现代化学工程的关键技术之一，不论在学术研究还是在工业实践上均取得了丰硕成果[1]，应用领域不断扩大[2]。目前，我国工业正处于转型期，亟需调整产业结构，淘汰落后产能，实现节能减排和清洁生产。在许多工业流程中，利用高效节能的流化床反应器代替低效高能耗的回转窑、固定床和移动床反应器恰逢其时[3]。但是，由于气固两相流体流动过程和颗粒-气体相互作用的复杂性，放大问题仍然是制约循环流化床技术工业应用的一个至关重要的挑战。放大问题的解决程度直接影响到循环流化床在工业过程能否成功应用。

1 循环流化床提升管反应器流体动力学的复杂性

循环流化床中存在气固两相流动，气体和固体均在轴向和径向分布不均，且两者存在相互作用，颗粒之间也可能发生团聚，底部密相区还存在固体颗粒的加速[4]。在轴向和径向会存在固体和颗粒的混合[5-6]。实现循环流化床工业应用的前提是将实验室技术进行核实放大，这仍是工业技术应用的一个重大难题，就目前而言，完全利用数学模型进行放大是无法进行的，综合考虑实验、经验和数学模型是减少放大过程风险和不确定性的有效方法[7]。实验研究是建立数学模型和进行数值模拟的基础。本文对循环流化床提升管反应器放大问题的研究情况进行了总结。

2 循环流化床提升管反应器的放大效应

提升管在轴向和径向上气固两相均是不均匀的。就轴向而言，从上到下，提升管依次划分为上部稀相区、过渡区和底部密相区。就径向而言，从内到外，提升管依次划分为中心区、中间区和边壁区。不同的区域，气固两相的情况差别巨大。循环流态化气固流动规律包括局部流动结构及其规律、轴向流动规律、径向流动规律和整体流动规律[8]。

2.1 轴向和径向固含率分布

提升管尺寸会显著影响提升管反应器中的颗粒分布。对比直径不同的2根提升管发现，提升管直径影响轴向和径向固含率分布和流动形态[9]。在相同的固体循环速率和气速条件下，提升管直径增加，在每一个轴向高度和每一个径向位置，固体浓度增加。在大直径提升管中，固体浓度径向分布斜率更大，即颗粒浓度朝提升管边壁增加更急剧。对于2根提升管，提升管中间的流动形态几乎是瞬时的，在所有操作条件下，固体浓度保持在相对恒定的低值，意味着在底部段中心区域固体流动速度非常快。不同直径提升管的中心区域区别不显著。在边壁区域，流动速度相当缓慢并向下流动，近壁处固含率朝提升管顶部下降缓慢。而且，在大直径提升管中，固含率更高，但流动更慢。在大直径提升管中滑动气速更高。增加颗粒循环速率，和/或降低临界气速，在整个提升管长度范围内边壁区域的固含率增加。然而，增加临界气速使流动更快，同时也增大流动发展区域。在恒定气速条件下增加颗粒循环速率，流动变得相当缓慢。

2.2 颗粒速度

提升管直径会对轴向和径向颗粒速度分布和流动发展产生影响[10]。在所有径向位置上部区域比较低部分的颗粒速度更均匀，在所有径向位置中心区域比边壁区域颗粒速度快。在提升管中心区域（0.0＜r/R＜0.632），颗粒速度保持高和相对恒定，表明在提升管中心固体流动发展非常快，接着伴随着固体通过提升管而逐渐接近边壁。在中间半径区域（0.632＜r/R＜0.894），颗粒速度增加，继续通过管。在边壁区（0.894＜r/R＜1.0），流动发展相当慢。提升管中心的颗粒速度几乎恒定但保持高速。对于不同直径的提升管，中心区域没有显著区别。在边壁区域，流动速度相当慢，且在小直径提升管中颗粒速度更快，大直径提升管中流动慢。在2种提升管中局部颗粒速度和颗粒浓度之间存在依存性。在提升管长度内提升表观气速可以增加颗粒速度，流动发展变得更快。而增加固体通量会减缓流动发展。对较大直径提升管而言，由于放大效应，横截面平均颗粒速度较低，径向颗粒速度分布斜率较大。在双提升管形态中，气体分布和颗粒聚集是影响局部流体动力学的关键因素。

2.3 轴向和径向固体通量分布

轴向和径向固体通量分布会存在放大效应[11]。固体通量径向分布存在两种形状：抛物线形和平面核心形。基于操作条件，利用有效固体饱和夹带量的新概念预测这些模型。固体通量的径向分布，大直径提升管比小直径提升管更不均匀。在下部区域，向下流动的固体数量最多，随轴向高度增加而降低。增加提升管直径流动发展变慢。操作条件对固体通量的影响是：增加气速会降低提升管中向下流动固体的数量，而增加颗粒循环率能够引起更多颗粒向下流动。

3 循环流化床的放大方法

循环流化床的设计步骤如下[12]：①确定操作参数：操作气速、物料循环量、床温、系统压力等；②确定系统配置：压缩气体系统、给料系统及排料系统；③结构设计：床直径、高度、气固分离装置、立管和返料装置等；④防磨措施；⑤整体布局。循环流化床的设计过程亦即考虑循环流化床放大问题处理的过程。

流化床的放大是一项难度很大的技术工作。装置规模对流化床反应器性能的影响主要取决于床高、床径、气速、气体分布板及内部构件。规模的放大必然显著影响流化床内的传热、传质、流体流动和化学反应，放大问题主要涉及催化剂性能、操作条件和床层结构[13]。

目前，化工过程常用的放大方法有逐级经验放大法、数学模型法、部分解析法、相似放大法、数量放大法和比例放大法等[14]。

3.1 逐级经验放大法

逐级经验放大法主要依据经验方法，利用逐级扩大的实验规模或中间工厂，探索几何因素、结构因素和操作因素对宏观反应结果的影响，以判断装置扩大后可能出现的情况。该方法缺乏理论依据，费事费力，过程缓慢，难以做到高倍数放大。但每级放大均建立在实验基础上，可靠性高。

3.2 数学模型法

数学模型法是在充分认识过程原理和规律的基础上，运用理论分析，找出描述过程运行规律的数学模型，应用于过程的放大。

3.3 部分解析法

部分解析法介于逐级经验放大法和数学模型法之间，将理论分析和实验探索相结合。

3.4 相似放大法

以相似论和量纲分析为基础，依据模型实验得到某些物理量之间的关系，按照相似原理推算模型和原型之间的相似规律。

3.5 数量放大法和比例放大法

数量放大法是采用设备单元数增加的一种放大方法。比例放大法是以一个或数个能表达过程主要特征的参数为依据，按照比例对该过程进行放大的方法。

4 循环流化床的放大准则

流化床内的化学反应、热量传递和质量传递特性与流体力学特性密切相关，流体力学相似放大准则具有一定的实用价值。

通常有两种途径：①利用白金汉π定律，对于依赖于n个独立变量的物理过程，n个独立变量具有k个量纲，可用n-k个无因次数群来描述该物理过程；②从流体力学方程式（包括边界条件）出发，进行无因次分析。第一种途径的关键是正确分析所研究的物理过程，正确确定独立变量。常用的准则有Glicksman准则[16-17]和Horio[18]准则，它们所采用的流体力学方程不同。

循环流化床放大的相似准则要求，首先必须满足几何结构相似的要求，同时要满足无因次数群相等的要求。其中涉及参数众多，严格地满足这些要求并不容易。此外，放大准则的有效性也需要深入考量。

5 结论

由于循环流化床系统气固两相流动的复杂性，循环流化床的放大一直以来都是其工业应用的一大难题。今后需要继续深入研究两相流体力学特性规律，通过实验和计算机模拟双重手段进行研究，结合现有成果，开发循环流化床切实可行的广泛适用的放大方法。数学模型方法是最终追求目标。

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