CN1485127A - 一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明的适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，包括提升管、超细颗粒捕集系统和回料系统，回料系统具有V型阀料腿，提升管上部与超细颗粒捕集系统相连，超细颗粒捕集系统下部与回料系统相连，料腿通过V型阀与提升管相连；提升管内放浮游内构件；锥形料腿的锥形角度为5～60°；V型阀为V型气动输料阀；锥形料腿底部设流化气体进口及气体分布板；V型气动输料阀具有V型阀辅助进气口及V型阀辅助气体分布板；该反应器可使超细及粘性颗粒正常流化，彻底消除在提升管中的附壁，加强流化聚团的破碎－团聚过程，强化颗粒间混合，提高聚团和主体相间的传热、传质及聚团内部的传热、传质；且易于放大，操作简单，运行稳定，节约能量，无需后期物料分离。

Description

一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器

技术领域

本发明属于气固相反应器，特别涉及一种适用于超细及粘性颗粒气固相反应和颗粒加工的循环流化床反应器。

背景技术

超细及粘性颗粒的流态化在许多工业过程中有着非常重要的作用，一个最典型的应用就是流化催化反应，比如碳氢化合物的氯化、超细碳黑的臭氧氧化等。超细及粘性颗粒的流态化在许多物理接触过程中也有重要的作用，比如热传递、固体混合、干燥、吸收和解析、热处理、物料改性(如淀粉改性)等。对于颗粒直径较大的颗粒，比如A类颗粒，易于实现较为理想的流化效果。然而当颗粒直径较小时，颗粒之间就会发生相互的粘附而聚结在一起，从而严重影响了这些材料的流态化性能。我们称这些表现出颗粒相互粘附性质的颗粒为粘性颗粒。多数超细颗粒如超细碳酸钙、超细钛白粉等都属于粘性颗粒，但是也有非超细的粘性颗粒。不同超细颗粒所表现出来的粘附性强度也有着很大的不同，某些超细颗粒具有很强的粘附性，比如未改性的超细碳酸钙等，而同时另外一些超细颗粒又有相对较好的流动性，比如超细碳化硅等。

然而，一般来说，由于超细颗粒具有的较强的颗粒间作用力，对于其进行流态化操作时，容易产生沟流、节涌、聚团甚至死床等非正常流化现象，大大降低了气固接触效率，限制了超细颗粒流化床在工业中的应用。

根据流化床操作状态的不同，流化床可分为经典鼓泡流化床和循环流化床。经典鼓泡流化床是指被流化的颗粒停留在流化床主反应器内，而循环流化床是指被流化颗粒随着流化气体被带出主反应器之后，经返料系统再次被回送到主反应器当中，循环往复，达到一种动态的平衡。

目前，对于超细颗粒的流化过程的研究及应用大多数集中在超细颗粒的经典鼓泡流化床，并采取了各种措施来强化超细颗粒的流化过程。这些措施大致包括：

1、外力场法

外力场法指采用振动场、声场和磁场等外加力场来改善粘性颗粒流化床的流化质量。Mori S(第二界中日流态化会议集，1988，P.75)指出大多数粘性颗粒可以在一定频率的振动下实现正常流态化。Chirone R，massimilla L，Russo S(Bubble-FreeFluidization of a cohesive powder in an acoustic field，Chemical Engineering Science，1993，48(1)：41～52)用声场对粘性颗粒实现了类似于A类物料的流化。中国科学院化工冶金研究所的朱庆山在其1994年的硕士论文《磁场作用下C类物料流化质量的改善》研究了外加磁场对于改善粘性颗粒流态化质量的影响。但是这些基于外加力场的方法存在一个最大的缺点就是难以实现设备的工业放大。比如外加振动场，使反应器处于振动状态，不论是管道连接，还是设备寿命等问题是难以从根本上克服。外加磁场，同样存在放大困难，不宜高温操作，同时耗电量也十分巨大等缺点。对于声场流化，这更是只能够适于非常小规模的应用。

2、本征法

通过调整颗粒本身的性质来改善粘性颗粒的流化质量。中国专利ZL97111769.1、美国专利US4591334、US4743431及日本专利JP62106214的研究者通过在粘性颗粒中添加其他的组分来减小粘性颗粒间的粘附性，改善粘性颗粒的流动性。这类方法的最大缺点是在用于固相加工时，必须增加复杂的颗粒分离和纯化程序。

3、床结构法。

床结构法则通过对流化床进行设计、采用内构件等方法来改善粘性颗粒的流化质量，如中国专利CN1198962A、美国专利US5067252。Venkatesh，R.D.，J.Chaouki，etal.在(1996).″Fluidization of cryogels in a conical column.″Powder Technology 89(3)：179-186中公开了一种用于锥形床流化用的N_iO/Al₂O₃气凝胶。目前这类方法对于改善粘附性较低的超细颗粒的流态化质量可以起到一定的作用，然而对于高粘附性的超细颗粒，则效果并不理想。

4、其他方法

(a)高压流化床，通过提高流体的密度来改善流化质量；旋转流化床，通过高速旋转产生的超重作用来克服颗粒内粘附力，从而改善流化质量。然而这些方法面临高压与高速旋转带来的设备结构与操作方面的困难。

(b)Yunyi Liu，Kiyoshi Sato，Tsutomu Tashimo and Kunio Kato，在《Proceeding ofthe Tenth Engineering Foundation Conference on Fluidization》(Beijing，China，May 20-25，2001，Kwauk，Jinghai Li and Wen-Ching Yang(eds.)，pp.517-524)公开了Productionof ultrafine calcium carbonate powders by multiphase reaction in powder-particle spoutedbed，其是用细粉一颗粒喷动床来生产超细碳酸钙，是一种特殊的应用。

随着人们对超细及粘性颗粒流化过程的认识逐渐深入，逐渐开始了对超细及粘性颗粒的循环流化床研究。李洪钟Hongzhong Li，Legros，R.，Breeton，C.M.H.，et al，在《Powder Technology》[(1990)60：121]中公开了Hydrodynamic behavior of AerogelPowders in high-velocity fluidized beds，实现了对气凝胶的循环流化床操作。中国科学院化工冶金研究所的洪若瑜在其1996年的博士论文中公开了《内循环和外循环流化床中超细粉流态化的研究》，该研究对粘性颗粒的循环流态化进行了初步的研究。

与经典鼓泡流化床相比，循环流化床具有下面的优点：

1、可以实现连续操作，特别是可以实现对于催化剂颗粒物料反应与再生的连续性操作。

2、适用的颗粒直径范围更广，从几十微米到几毫米。而超细粘性的颗粒的聚团直径通常为几十微米。

3、经典鼓泡流化床反应器存在细粉夹带问题。也就是说，总有一部分细粉会被气体夹带出反应器。特别是为改善流化质量而提高气体速度时，夹带就更为严重，造成物料的损失。美国专利US6269778、US6214065采用循环床，大大降低了细颗粒物料的损失。美国专利US4793292、US4869207采用一个垂直列管过滤器来将从循环床提升管中出来的细颗粒从气体中分离，然后回送到提升管。美国专利US4548797提到了一种将细颗粒从循环流化床提升管出来的气体中分离出来并回送到流化床提升管中的方法，从根本上克服了物料夹带的问题，因此具有更为广泛的操作气体速度，有利于反应器的工程放大。但是前面所提到的这些设计，在应用超细及粘性颗粒作为被操作颗粒物料时，不能够避免粘性颗粒的粘壁、堵塞、架桥等现象，粘性颗粒不能够在回送系统中自由流动，显然这些专利所提供的方法对于粘附性高的颗粒是不适用的。

4、循环流化床内提升管内气体速度高，一般大于颗粒(或聚团)的沉降速度，气固间速度差大，所形成的流态化聚团容易破碎。高速运动中的聚团相互之间、与壁面之间相互碰撞，容易发生破碎和再团聚，固体表面经常得到更新等。

5、颗粒间混合激烈，流态化聚团容易破碎，故流态化聚团与主体相之间的传质和传热良好；聚团与主体相的传质和传热良好，有利于聚团内部的传热和传热过程，流态化反应器的内部，浓度梯度和温度梯度均较小。

6、循环流化床提升管中的气体速度高，工作在快速床状态。快速床是在介于普通鼓泡流化床和气力输送之间的气体速度下操作的状态，不存在鼓泡流化床中的气泡，不存在沟流，气体不是以短路形式离开流化床的。超细颗粒在鼓泡床中流化时，颗粒间粘性强，经常出现沟流，死床或者节涌，在快速床中，这些现象不再出现。

7、单位截面积上的颗粒处理能力大，适用于大规模生产。

9、气体速度调节范围广，操作弹性大，易于实现过程放大和不同的过程应用。

循环流化床的物料回送系统是循环流化床系统中重要组成部分。其作用是将由循环流化床的物料捕集系统所捕集的物料回送到提升管底部，维持循环流化床工作的连续性。同时，循环流化床的物料回送系统还必须提供足够的封闭气体的能力，使提升管中的流化气体不返串进入料腿中，保证循环流化床系统的稳定工作。

从输送颗粒的驱动力的角度来区分，循环流化床的物料回送系统可以分为机械回送系统和气动回送系统。通常来说，气动回送系统运行更为稳定可靠，结构简单，密封性能更好，更适于工程应用。

现有的气动回送系统，其主要结构形式包括具有V型阀、L型阀和J型阀等结构的返料料腿。其他如美国专利US5242662描述了一种内置于循环流化床中料封的方法，美国专利US4955295描述了另一种提高循环床的回料系统料封性能方法。L型阀、J型阀结构的料腿均不能满足粘性颗粒回送的需要，容易形成堵塞、架桥。阀中的推动气不能够有效推动颗粒运动，通常以短路形式通过，其结果是颗粒在阀中流动困难，不适于粘性颗粒物料的回送。

经典的具有V型阀结构的流态化料腿，可以用于粘附性较小的超细颗粒的输送，但对于粘附性强的超细颗粒，如未改性的超细碳酸钙，则存在两个问题：1.在阀体内形成堵塞，致使V型阀失去输送物料的能力；2.V型阀要求与之相联的料腿部分中的颗粒物料处于一种初始流化状态，以便顺利地将物料输送进入V型阀的阀体。但是对于粘性颗粒，特别是对于粘附性较强的颗粒来说，其流化过程中出现的聚团，沟流，架桥等现象，使得维持粘性颗粒在料腿中的流化状态变得困难，其结果是造成V型阀不能够稳定的工作。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术的问题，而提供一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，该反应器使超细及粘性颗粒能够正常流化，彻底消除粘性颗粒在提升管中的附壁现象，可以加强流化聚团的破碎-团聚过程，强化颗粒间的混合，提高聚团和主体相间的传热、传质等过程以及聚团内部的传热、传质等过程；且易于实现过程应用及放大，操作控制简单，稳定运行，节约能量，无需后期物料分离的气固相流化床反应器。通过该反应器能够得到稳定的、能够控制的超细粘性颗粒流。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，包括提升管2、超细颗粒捕集系统11和回料系统，该回料系统为具有V型阀的料腿，提升管2的上部与超细颗粒捕集系统11相连，超细颗粒捕集系统11的下部与回料系统相连，回料系统的料腿通过V型阀与提升管2相连；其特征在于在提升管2内放有浮游内构件3；所述的料腿为锥形料腿1；所述的V型阀为V型气动输料阀4；所述的浮游内构件3为具有球形或者近似球形颗粒状物或不规则形状，其直径或者当量直径为50～3000微米，密度或者表观密度为500～3000kg/m³；所述的锥形料腿1的锥形角度为5～60°；所述的锥形料腿底部设有锥形料腿流化气体进口6及锥形料腿气体分布板8；所述的V型气动输料阀具有V型阀辅助进气口及V型阀辅助气体分布板10。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是本发明的锥形回料系统的侧视图；

图2b是本发明的锥形回料系统的正视图；

其中：锥形料腿1            提升管2                  浮游内构件3

      V型阀4               提升管流化气体进口5      锥形料腿流化气体进口6

      提升管气体分布板7                             锥形料腿气体分布板8

      V型阀辅助进气口9

V型阀辅助气体分布板10                   超细颗粒捕集系统11

细颗粒流12                              提升管流化气体13

锥形料腿流化气体14                      V型阀辅助气体15

排出流化气体16                          V型阀进料口41

V型阀排料口42                           V型阀排料管43

具体的实施方式

本发明还将结合附图对实施例作进一步详述：

本发明的工作原理如下：

1、本发明的提升管内的浮游内构件的实现及作用

根据超细粘性颗粒的性质，选取适当密度和直径的浮游内构件3。在流化气体的作用下，浮游内构件3在循环流化床提升管2中形成经典流化状态或者湍动流化状态，而粘附性颗粒则形成快速流化床状态。

如果U_min、U_max分别为循环流化床提升管2中超细颗粒的最小带出气体表观速度和超细颗粒的稀相输送速度；U_mb，f、U_t，f分别为浮游内构件的最小流化速度和终端速度；那么所选取的浮游内构件3应当具有这样的性质：U_mb，f＜U_min，U_max＜U_t，f。浮游内构件的U_mb，f、U_t，f的计算参考一般A或者B类颗粒u_mb、u_t的计算方法。

在正常工作状态，浮游内构件3不被流化气体带出循环流化床的提升管2。也就是说，浮游内构件3不进入循环流化床的颗粒循环。

由于浮游内构件3处于经典流化或者湍动流化状态，浮游内构件3之间、浮游内构件3与超细粘性颗粒流化聚团之间以及浮游内构件3与流化床器壁之间处于一种激烈的碰撞状态。这种激烈的碰撞，主要有以下的作用：1.可以防止高粘性超细颗粒在流化过程中形成过分长大的流化聚团，而这种聚团的过分长大通常会在提升管2内形成死床区域，造成流化床的非正常操作；2.这种碰撞作用还可以防止粘附性颗粒在提升管2内壁上形成粘附层，几乎可以彻底消除粘性颗粒在主反应器提升管2中的附壁现象；3.可以加强流化聚团的破碎一团聚过程，强化颗粒间的混合，提高聚团和主体相间的传热、传质等过程以及聚团内部的传热、传质等过程；4.浮游内构件3之间的碰撞，可以保证浮游内构件3表面不粘附细颗粒。

2、锥形回料系统

锥形回料系统包括两部分：锥形料腿1和V型气动颗粒输料阀4。锥形料腿1内的颗粒物料通过V型输料阀4，有控制地输送回提升管2；同时V型阀还能够封堵提升管2内的流化气体，防止提升管2内的流化气体返串进入料腿1。

为了能够将颗粒输送进入V型阀4，必须保证料腿1中的物料处于一种自由流动状态。处于运动状态的粘性颗粒才有可能被输送进入V型阀4。

超细粘性颗粒在某一个较低的流化气体速度下的流化过程中会形成直径较大的聚团，并沉落至床层底部，形成死床区域。随着流化过程的进行，死床区域会不断扩大，最终导致整个床层发生死床。

提高超细粘性颗粒的流化速度，颗粒聚团之间的碰撞加剧，可以减小流化过程中形成的流化聚团的平均尺寸，并延长流化床层出现死床的时间。流化气体速度被提升到足够高时，甚至可以避免死床现象的发生。

但是，随着流化气体速度的提高，超细颗粒随流化气体的带出率也增加，造成料腿1中的物料损失。同时，料腿1中采用过高的气体速度，会给循环流化床的物料捕集系统11的正常工作带来负面影响。比如，降低气固分离器的分离效率，甚至完全破坏气固分离器的正常工作。因此，通常循环流化床要求在较低的料腿1表观气体速度下操作，同时实现超细粘性颗粒在料腿1中的自由流动。然而，这正是实现超细粘性颗粒循环流态化的困难所在。

与直管型料腿不同的是，锥形料腿1能够在轴向方向上提供不同的表观速度：锥形料腿1在单位质量流量为G_g的进气状态下，某一截面上的表观气体速度为：u＝G_g/(ρ_gπh²tan²(θ/2))，其中ρ_g为气体密度，h为该截面到锥形几何顶点的高度，θ为锥形料腿1的顶角。流化气体的表观速度随截面几何高度h的平方的倒数而变化。随着几何高度h的降低，表观流化气体速度u迅速增加，而随着h的增加，表观流化气体速度u则迅速减小。

粘性超细颗粒在流化过程中形成的较大直径的流化聚团下落进入锥形料腿的底部，遇到较高的流化气体速度，该较高的流化气体速度足够保持这些较大直径的聚团处于流化状态。并且，由于较高的流化气体速度导致的更为剧烈的聚团碰撞，使得大直径的流化聚团破碎减小成为直径较小流化聚团。这些较小直径的流化聚团被流化气体重新送入锥形料腿的上部，同时，新的大聚团又沉落进入锥形料腿的底部。这样就保证了锥形料腿不会因为形成大的流化聚团而导致死床，从而在料腿中形成了稳定的流化状态。

锥形床内表观气体速度与锥形床截面的几何高度h的平方成反比，因此随着h的减小(截面的下降)，气体表观速度迅速增加。这样在较小的料腿进气量时，就可以满足破碎大聚团，维持料腿稳定流化的要求。

随着锥形料腿几何高度的增加气体表观速度迅速减小，在锥形料腿床层的顶部不会形成严重的气流颗粒夹带。

对于粘附性大的颗粒，减小θ角，有利于颗粒的下行。根据不同的颗粒性质，流化床设计的θ角在5～60°之间。

经典的V型输料阀不能够输送高粘附性的颗粒，必须加以辅助气体。锥形料腿1内的颗粒经由V型阀4和料腿1之间的连接口41进入V型阀4内，并在阀内形成堆积。经典的V型阀，借助于从料腿中进入V型阀内的气体，可以将堆积到一定程度的、流动性较好的物料送入提升管。但是对于粘性颗粒，所需要的推动力要大得多，因此必须对V型阀施加辅助进气。借助于辅助气体15，V型阀4将堆积到一定量的粘性颗粒送入提升管2，而间隔期则形成料封，防止提升管2中的气体返串进入料腿1。

实施例

一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，包括提升管2、超细颗粒捕集系统11和回料系统，该回料系统有具有V型阀的料腿，提升管2的上部与超细颗粒捕集系统11相连，超细颗粒捕集系统11的下部与回料系统相连，回料系统的料腿通过V型阀排料管42与提升管2相连；在提升管2内放有浮游内构件3；在提升管2下部设提升管流化气体进口5和提升管气体分布板7；所述的浮游内构件3为具有球形或者近似球形的颗粒状物或不规则形状的颗粒状物，其直径或者当量直径为50～3000微米，密度或者表观密度为500～3000kg/m³，其表面为光滑或粗糙。所述的锥形料腿1的锥形角度为5～60°。

所述的料腿为锥形料腿；所述的V型阀为V型气动输料阀。

所述的锥形料腿1底部设有锥形料腿流化气体进口6及锥形料腿气体分布板8。

所述的V型气动输料阀具有V型阀辅助气体15及V型阀辅助气体分布板10。

所述的提升管2内的提升管流化气体13的速度大于锥形料腿流化气体14的速度。

将上述循环反应器进行如下试验：采用原生颗粒直径0.1μm的未改性碳酸钙进行流化实验。该物料具有很强的粘附性，是典型的粘附性超细颗粒。流化床提升管2内径0.075m，高3.2m；物料捕集系统11采用二级旋风分离器，捕集系统11所捕集的细颗粒被重新送回到料腿1；最终的气体通过布袋除尘器后排放；料腿直管部分内径0.08m，锥形部分的锥度为5°，几何高度0.8m；提升管内装有直径0.0012m，密度2100kg/m³的浮游内构件0.5～2.0kg。提升管操作表观气体速度1.8～4.5m/s，锥形料腿进25℃空气2.78～11.1×10^-4m³/s，V型阀辅助进25℃空气1.39～6.94×10^-4m³/s。实现了碳酸钙固体颗粒循环率为5～25kg/(m²·s)的稳定循环流态化操作。

Claims (5)

1、一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，包括提升管、超细颗粒捕集系统和回料系统，该回料系统为具有V型阀的料腿，提升管的上部与超细颗粒捕集系统相连，超细颗粒捕集系统的下部与回料系统相连，回料系统的料腿通过V型阀与提升管相连；其特征在于在提升管内放有浮游内构件；所述的料腿为锥形料腿；所述的V型阀为V型气动输料阀。

2、如权利要求1所述的一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，其特征在于所述的浮游内构件为具有球形或者近似球形颗粒状物或不规则形状，其直径或者当量直径为50～3000微米，密度或者表观密度为500～3000kg/m³。

3、如权利要求1所述的一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，其特征在于所述的锥形料腿的锥形角度为5～60°。

4、如权利要求1所述的一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，其特征在于所述的锥形料腿底部设有锥形料腿流化气体进口及锥形料腿气体分布板。

5、如权利要求1所述的一种适用于超细及粘性颗粒的循环流化床反应器，其特征在于所述的V型气动输料阀具有V型阀辅助进气口及V型阀辅助气体分布板。

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