流化牀技術

若將氣固流化牀比擬為沸騰中的液層，則處於流化狀態的顆粒羣便相當於沸騰中的液體本身，而穿過牀層上升的氣泡便相當與於沸騰液中的蒸汽泡，因此，此種流化牀存在着一個特殊兩相物系。處於流化狀態的顆粒羣是連續的，為連續相，又稱密相。氣泡是分散的，稱為分散相，又稱稀相。只要牀層有明顯的上界面，便有稀密兩相共存，但一般稱此狀態的流化牀為密相流化牀。若氣速加大則牀層上界面不存在，則稱此狀態的流化牀為稀相流化牀。在正常的氣固相流化牀密相中氣體流動很慢，幾乎為層流。氣泡與密相接觸的界面上則發生顆粒的猛烈衝擊，使泡內、外的氣體都發生很大的湍動，因而加強了氣固間的接觸，有利於熱量與質量傳遞。這是氣泡帶來的好處，但氣泡也會造成兩種不利的情況，即溝流和騰湧現象。

連續操作的設備中，出現返混的原因常見有兩種，一是流動截面上的流速不等，靠近邊沿處的一部分物料往相反反方向流動成為迴流；另一種原因是顆粒的雜亂運動可拖曳氣體向各處混雜。

氣固流化牀中固體顆粒與氣體兩者的返混都十分劇烈。氣泡上升時將一部分顆粒帶至高處，而連續相內的顆粒則逐漸下移的填補氣泡原來所佔的空間。在小型流化牀實驗中可觀察到固體顆粒沿筒中心軸向上運動，再沿器壁向下運動。但大型流化牀中的運動情況則較為複雜。但可認為是達到完全混合，實際生產操作也證明了這一點。氣體在流化牀內的返混主要由氣泡所致，氣泡中的氣體比密相中的氣體上升的快，在同一時間內進入流化牀底部的氣體並不在同一時間內達到頂部；又由於氣泡沿途破裂、聚結，造成氣泡與連續相的氣體交換，也使得連續相內顆粒的返混。

流化牀流化速度根據不同狀態牀層可將流化速度分成臨界流化速度和帶出速度。實際上，牀內顆粒直徑是不可能完全一樣的，每種顆粒有不同的值，選擇流化速度時，應考慮這不同的值，即使顆粒分佈窄，選擇速度範圍比較寬，也應考慮速度太小或太大時會出現溝流或騰湧等不正常現象。

為了提高設備的生產強度，一般都希望用盡可能大的氣流速度，如果在流化牀後面設以高效旋風分離器，氣流速度大於某些顆粒的帶走速度也未嘗不可。這在實際生產中已有應用。提高氣流速度不能只考慮流化牀本身的操作彈性，還受到下列條件的制約：氣體與固體的接觸時間要有保證，氣體輸送機械的能力要適應流體阻力的加大。

流化牀反應器的結構形式很多，但不管形式如何，一般都包括下列幾部分，殼體、氣體分佈裝置、換熱裝置、氣固分離裝置、內部構件及固體顆粒的加入和卸出裝置。

殼體一般為直立圓柱形。圓柱形殼體的上部，常有短圓台和半球缺底組成的擴大段，用以增加流化牀的有效高度。

氣體分佈板是保證獲得良好流化質量的關鍵，其結構形式多樣，總的設計要求是要保證氣體分佈均勻，不漏料，不堵塞。

反應器內部構件目的是使大氣泡破碎，改善氣固相的接觸，減小返混，提高反應效果，其形式有擋網、擋板和填料。

換熱裝置視不同的目的，有不同的構造和安裝位置。可在反應器內部，其換熱方式直接，有高的靈敏性，也可設在外部，在外部循環流化迴路上。設在牀層內時，換熱管也可為直管也可為蛇管。也可在牀層周圍設夾套，用來換熱。

氣固分離裝置常由旋風分離器來完成，其作用是回收氣體所夾帶的細粒，並將其輸送到牀層中去。

在聚乙烯生產技術中，流化牀技術以其穩定、靈活簡單、經濟、安全的特點，佔有着相當的地位，得到了普遍的應用。在乙烯聚合的流化牀內，固體顆粒是聚乙烯樹脂顆粒和極少量的催化劑顆粒，流化氣體是氮氣、乙烯、共聚單體丁烯一1、氫氣的混合物。在流化牀內，乙烯和共聚單體丁烯一1在催化劑的作用下進行聚合反應，在催化劑顆粒表面生成聚乙烯，最終形成含有催化劑微粒的聚乙烯顆粒。

乙烯聚合的流化牀的結構與一般的流化牀反應器的構造基本相似，主要由圓柱形殼體、氣體分佈板、換熱器、催化劑加入設備、顆粒卸出設備以及氣固分離裝置組成。

流化牀簡體由圓柱體和上面的擴大段部分組成，整個牀層在圓柱簡體部分，牀表面離擴大段有一定的距離。

筒體內不設內部構件，為自由牀，正常操作時，內部高度返混，使牀層內温度基本一致，牀層橫向無温度梯度，縱向有微小的温度梯度。温度的基本一致是衡量此流化牀操作穩定性的重要指標。由於乙烯聚合為放熱反應，操作温度又靠近聚乙烯樹脂的熔化温度，因而應有良好的混合，迅速排走聚合熱，以防止局部過熱而造成熔結，任何可造成流化死角的內部構件都是不利的。

簡體的底部為氣體分佈板，分佈板上有均勻分佈的圓形小孔，有的分佈板上面還加有擋板，以致氣體分佈更均勻，防止形成大氣泡。分佈板可是平直的，也可是高徑化很小的錐形體。

換熱器置於流化牀外部，通過冷卻流化氣體以間接取走反應熱，多為管殼式水冷換熱器，又有將換熱器置於流化牀內部的設計，並在進行工業化實驗。理論上講，換熱器置於流化牀內部，可直接取走反應熱並能防止大氣泡生成，可使流化牀的操作更温度、更靈敏，但也不可避免地在牀內造成流化死角，雖然換熱器表面温度較低，但表面附有一層顆粒細粉後，會大大降低其傳熱能力，而使其表面易形成死角的地方出現過熱量而粘結。再者，流化牀擴大段的結片無法全部消除是烴類流化牀反應器的通病，因而，內設換熱器的流化牀的操作更復雜、要求更為嚴格。 ^[2]