搅拌流化床的研究与应用

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流化床具有传热传质效率高、单位设备生产能力大以及操作弹性范围宽等优点，在化工、石油、冶金等工业领域应用广泛，尤其是气固流化床技术，深入到国民经济的诸多领域。但流化床中气固流动复杂，极易形成沟流、节涌或死床等不正常流态现象，影响了气固流化床的流化质量。

早在20世纪50年代，Reed和Fenske[ 首先将搅拌引入气固流化床，应用振动式搅拌器研究搅拌对流化床床层压降的影响，发现床层中的搅拌桨能使气体分布更加均匀，改善物料的流化状态，提高传热效率×拌流化床 (Agitated Fluidized Bed，AFB)就是在传统流化床中引入搅拌装置，使得床层在搅拌力作用下进行流态化操作的新型流化床 2。

搅拌能显著调节和改善单元操作中物料的混合快慢、均匀程度和传热情况，在气固流化床系统中，搅拌产生的湍动可以减少颗粒之间的相互作用力，使床层混合均匀，促进流态化，强化流化床气固相际以及床层和壁面的传热 1。同时，对于具有强烈粘附性的潮湿物料等易于粘结的颗粒，搅拌可以抑制颗粒聚集，减少甚至避免颗粒之间的聚团、结块及颗粒在床壁面上的粘附现象 [4。因此，搅拌流化床作为-种新型反应器广泛应用于干燥、造粒和聚合等物理及化学过程，在化工、能源、环保、生物以及食品、药品等相关行业领域较传统流化床显示出优越性，发展和应用前景广阔。

1 搅拌流化床的实验研究1.1 促进流态化搅拌流化床和传统流化床都能促进颗粒流化，但搅拌流化床的初始流化条件、床层压降、压力脉动、床层膨胀以及空隙率分布等和传统流化床相比又有很大不同，对此，国内外学者研究搅拌桨形式、搅拌转速等因素对流化特性的影响规律。

Godard和Richardson[5 采用难于流化、沟流现象严重的酚醛树脂，研究搅拌器转速和轴向安装高度对床层起始流化特性的影响，结果表明，在60 r/min的较低搅拌转速，搅拌桨位于分布板以上大约 1 cm处时，搅拌能有效消除沟流，并且-旦形成较为稳定的流化状态时，停止搅拌对床层的流化几乎不会有影响。

李凡等 通过测定搅拌流化床中的压降与表观气速的关系，研究了搅拌转速和桨叶形式对流态化的影响。-般而言，转速较高时颗粒的提升作用更大，此时搅拌将使床层压降降低，转速越高，压降下降幅度越大；而在低转速时，除非叶片数目较多，否则很难体现出对颗粒的提升作用，此时只能是搅拌使床层密实的作用占优。因此，搅拌也可能对床层压降影响不大，甚至使床层压降提高。如果不考虑垂直边框的刮壁作用，仅从提高床层稳定性的角度看，设置多层水平桨叶更有利于抑制气泡的聚并与长大。如果必须考虑边框的刮壁作用，则应尽量避免使用从床层底部至床层顶部单-的垂直边框，而应采用分段边框，每段边框垂直交叉安装，以避免气泡-直沿着桨叶边框上升到底层顶部。

冯连芳等 对搅拌流化床中搅拌桨形式及搅拌收稿日期：2013-01-24基金项目：国家自然科学基金资助项目(21276222)；国家高技术研究发展计划(863计划)专项经费资助 (2012AA040305)：中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2012FZA4024)。

作者简介：柏基业 (1968-)，男，江苏盱眙人，硕士研究生。主要从事烯烃聚合与聚合物加工改性的研究。

化 工 设 墨 与 管 道 第 50卷第 1期转速等因素对流化特性影响规律进行了系统地研究(图1)，发现对于不同搅拌桨，较低搅拌转速下即可消除沟流，对于消除节涌不同搅拌桨效果不同，其中多层平桨、内外单螺带搅拌桨和框式搅拌桨效果较好。实验表明：在搅拌流化床中，对于B类和D类颗粒仍存在均-流化区。这种均-流化与普通流化床不同，由于搅拌桨的存在，将大气泡击碎成小而均-的小气泡，均匀的分布在床层内，使床层类似于均-流化状态。

压降随气速的变化规律也与普通流化床不同，搅拌流化床在均-流化区压降仍在缓慢上升，直到产生较大气泡。图2为用单层平桨时压降与气速的关系。

空气空图1 典型搅拌流化床实验装置Fig.1 Experimental setup of agitated fluidized bed1 空压机；2.孔板流量计：3.电机；4.气体预分布器；5.气体分布器：6.压力传感器：7.搅拌桨：8.流化床；9.计算机图2 不同搅拌桨转速下床层压降随气速的变化Fig.2 Relationship between pressure drop and superficial gasvelocity at various agitation speedsHan et al[。 研究了搅拌流化床中框式搅拌桨对Geldart D类颗粒流态化的影响，图3为不同操作条件下压力脉动模拟值的标准方差，随着搅拌转速的增加和气速的降低，气泡引起的压力脉动变小，说明床内的平均气泡尺寸变校同时，不同搅拌转速下压力脉动标准偏差 crD与表观气速 的关系曲线可近似拟合成-组直线，该直线在表观气速轴上的截距即为最小鼓泡速度9J，可见，随着搅拌转速增大，最小鼓泡速度 (表观气速轴的截距)相应增大，在较大转速下床层呈现出向散式流态化转变的趋势，搅拌使D类颗粒产生了A类颗粒特有的散式流态化特性。

图3 不同气速和搅拌转速下床力脉动的标准偏差Fig.3 Standard deviation of pressure fluctuation as a functionofthe superficial gas velocity at various agitation speeds1.2 强化传热国内外学者对于搅拌流化床传热大多数是研究加入搅拌对床层与壁面间传热的影响，对流化床气固问传热的研究较少。

Boteril和Wiliams1伽提出了在气固流化床中用机械搅拌来控制近壁面处的粒子更新的方法，以期验证他们根据 Mickley[1]的颗粒团理论建立的传热模型。实验证实，搅拌并不能实现对颗粒在壁面处的停留时间的精确控制，但发现仅通过增加转速，就可以使壁面与床层间的传热系数大大增加。实验以空气和氟利昂.12作为流化介质，得出对于粒径为200 m的玻璃珠，传热速率可由 1 15增加到965 W/(m .K)。

张引等[127用不同粒径的玻璃珠和分子筛为原料，对搅拌流化床进行了气固间传热性能的实验研究。发现搅拌流化床中传热膜系数随气速增大而增大；在- 定的温度范围内，传热膜系数随温度变化不明显；增加搅拌转速，使干燥速率加快，但传热膜系数有-最大值，若继续增加转速则传热膜系数开始下降。

1.3 防止颗粒粘结Geldart C类颗粒等具有粘结性的颗粒 ，颗粒之间粘附作用力较大，易形成颗粒间的聚团、结块或者颗粒粘壁现象，造成床层物料传质传热不均、设备堵塞甚至死床，危害极大。引入振动场n 、声场 [151、磁场 等外力场能显著改善粘性颗粒的聚团现象，但这些外场流化床设备复杂、使用范围窄、设备放大困难，应用上存在局限性×拌装置结构简单、技术较为成熟，搅拌流化床具有较大的优越性，可以破碎2013年 2月 柏基业，等 .搅拌流化床的研究与应用 5改善床层的流化状态，达到均匀混合，不会在反应床层中出现热点，同时有效地防止聚合物颗粒之间的粘附、结块，以及颗粒在床层壁面的附着，保证产品质量。在反应中，物料量的可变范围大，生产能力易于调节，但这种机械搅拌，反应器设计复杂、费用较高，存在搅拌器维修和能耗问题。UCC/SheI公司的工艺采用气体流化搅拌，没有内部构件使得流化创应器变得简单，但是为了防止出现热点，流化气体的气速需足够高，增加了鼓风机和能量消耗，可见流化床的简化是以采用大量气体循环移除反应热和维持流态化为代价的。因此，开发新型搅拌器或者减少 压缩机代价”是这两种工艺的发展的方向之-。

3 结束语搅拌流化床作为-种新型流化床，应用前景广阔，越来越受到国内外学者的关注和研究。对于难流化或易粘结的颗粒，搅拌流化床表现出特定的优越性。但目前还存在的问题主要有：-是由于设计的不确定性和操作条件的不同，搅拌流化床的流化特性和传热过程缺乏较深理解和统-认识；二是与传统流化床相比，搅拌流化床中搅拌器形式复杂，设备设计和维修费用高，限制了工业化应用，开发新型搅拌桨是研究的关键之-；三是搅拌流化磁大方面的理论研究有待加强，实验和CFD模拟相结合研究搅拌的影响，是解决问题的有效途径。