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流態化牀

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流態化牀,簡稱流化牀,是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處於懸浮運動狀態,並進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。包括散式流化牀、聚式流化牀(鼓泡牀、湍流牀、快速牀)。 [1] 
中文名
流態化牀
外文名
fluidized bed
別    名
沸騰牀
簡    稱
流化牀
應    用
礦物加工
類    別
散式流化牀、聚式流化牀

流態化牀基本定義

流態化牀,簡稱流化牀,是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處於懸浮運動狀態,並進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用於氣固系統時,又稱沸騰牀。

流態化牀流化牀分類

當流速達到某一限值時,牀層剛剛能被流體託動時,牀內顆粒就開始流化起來,這時的流體空牀線速度稱為臨界流化速度μmf
  1. 散式流化牀:對於液固系統,液體與顆粒的密度相差不大,故μmf一般很小,流速進一步提高時,牀層膨脹均勻且波動小,顆粒在牀內的分佈比較均勻,故稱做散式流化牀。
  2. 聚式流化牀:對氣固系統而言,一般在氣速超過臨界流化速度後,將會出現氣泡。氣速越高,氣泡造成的擾動越劇烈,使牀層波動頻繁,這種形態的流化牀稱作聚式流化牀或氣泡牀。聚式流化牀有分為:
  • 鼓泡牀:在流化牀中牀面以下的部分稱密相牀,牀面以上的部分稱稀相牀,密相牀中形如水沸,故稱作鼓泡牀。
  • 湍流牀:隨着氣速的加大,流化牀中的湍動程度也跟着加劇,故有人稱那時的情況叫湍動牀。
  • 快速牀:當氣速一旦超過了顆粒的帶出速度,則粒子就會被氣流所帶走成為快速牀。 [1] 
聚式流化牀中存在有明顯的兩相:主要是氣體的氣泡相(也稱稀相);由顆粒和顆粒間氣體所組成的乳相(也稱顆粒相或密相),其中鼓泡流化牀湍動流化牀都屬於聚式流態化。而散式流化牀是指顆粒都較均勻地分佈在牀層中的流化牀,一般多見於液固流化牀,在高密度氣體流化牀中也會出現 [2] 

流態化牀流化牀的優缺點

流態化牀優點

  1. 傳熱效能高,而且牀內温度易於維持均勻。
  2. 大量固體顆粒可方便地往來輸送。
  3. 由於顆粒細,可以消除內擴散阻力,能充分發揮催化劑的效能。

流態化牀缺點

  1. 操作彈性低,對特定固體顆粒,液體或氣體向上流動的速度只能在較窄的範圍內變化,否則,固體不是被吹跑,就是吹不起來。
  2. 固體損耗大,顆粒在反應器內上限翻滾,顆粒之間,顆粒和反應器內壁,顆粒和流動介質之間不斷碰撞摩擦產生粉末被吹走,引起較大的同體損失。因此,如果固體顆粒強度不高,或者固體顆粒比較貴重,流化牀反應器可能不是最佳選擇。
  3. 與固定牀相比,在同樣的生產能力下,流化牀體積較大,可達10倍之多。這是因為固體沸騰起來需要較大的空間,加上擴展段,增加的體積很可觀。所以,流化牀反應器比固定牀佔據更多的空間,製作成本也較高。
  4. 流化牀的控制比固定牀複雜,因為操作彈性低,操作條件不能有太大的變化,對控制系統提出了更高的要求。

流態化牀流化牀中的傳質與傳熱

流態化牀顆粒與流體間的傳質

  1. 氣體進入牀層後,部分通過乳化相流動,其餘則以氣泡形式通過牀層。
  2. 乳化相中的氣體與顆粒接觸良好,而氣泡中的氣體與顆粒接觸較差 [3] 

流態化牀氣泡與乳化相間的傳質

由於流化牀反器中的反應實際上是在乳化相中進行的,所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質速率與表面反應速率的快慢,對於選擇合理的牀型和操作參數都相關。

流態化牀流化牀反應器中的傳熱

由於流化牀反器中的反應實際上是在乳化相中進行的,所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質速率與表面反應速率的快慢,對於選擇合理的牀型和操作參數都相關。
傳熱的三種形式:
①固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱
②固體顆粒與流體間的傳熱
③牀層與器壁或換熱器表面的傳熱
這三種傳熱的基本形式中,前兩種傳熱速度比後一種要大得多,所以要提高整個流化牀的傳熱速度,關鍵就在於提高後一種傳熱速度。

流態化牀流化牀的數學模型

近年來人們對於流化牀的認識尚待深入,數學模型的研究尚在發展,這裏將主要介紹兩個模型,兩相模型和鼓泡牀模型 [4] 

流態化牀兩相模型

流化牀的兩相模型認為:流化牀內存在一個以氣體臨界流化速度 通過的顆粒相,其餘氣體則以氣泡形式通過牀層的氣泡相。化學反應僅在顆粒相中進行,而氣泡相中沒有催化劑存在,所以不進行反應,但氣泡相和顆粒相間存在氣體交換。

流態化牀鼓泡牀模型

鼓泡牀模型則認為氣泡是流化牀內流動、傳遞和化學反應的決定因素,研究的實質在於把過程的各個參數歸結在氣泡特徵上,主要是氣泡大小及其上升速度。

流態化牀技術應用

採用該方法生產顆粒狀多晶硅的公司主要有:挪威可再生能源公司(REC)、德國瓦克公司(Wacker)、美國HemLock和M E M C 公司等。
挪威R E C 公司是世界上惟一一家業務貫穿整個太陽能行業產業鏈的公司,是世界上最大的太陽能級多晶硅生產商。該公司利用硅烷氣為原料,採用流化牀反應爐閉環工藝分解出顆粒狀多晶硅,且基本上不產生副產品和廢棄物。這一特有專利技術使得R E C 在全球太陽能行業中處於獨一無二的地位。REC還積極致力於新型流化牀反應器技術(FBR)的開發,該技術使多晶硅在流化牀反應器中沉積,而不是在傳統的熱解沉積爐或西門子反應器中沉積,因而可極大地降低建廠投資和生產能耗。在過去幾年中,REC進行了該技術的試產。2006年計劃新建利用該技術生產太陽能級多晶硅的工廠,預計2008年達產,產能6500t。此外,REC正積極開發流化牀多晶硅沉積技術(Fluidized bed polysilicon deposition,預計2008年用於試產)和改良的西門子- 反應器技術(Modified Siemens-reactor technology)。
德國瓦克公司開發了一套全新的粒狀多晶硅流體化反應器技術生產工藝。該工藝基於流化牀技術(以三氯硅烷為給料),已在兩台實驗反應堆中進行了工業化規模生產試驗,瓦克公司最近投資了約2億歐元,在德國博格豪森建立新的超純太陽能多晶硅工廠,年生產能力為2500t,加上其它擴建措施,新工廠的投產將使瓦克公司在2008年達到9000t的年生產能力,最終於2010年達到11 500t的產能。
美國Hemlock公司將開設實驗性顆粒硅生產線來降低硅的成本,Helmlock公司計劃在2010年將產能提高至19 000t。MEMC公司則計劃在2010年底其產能達到7000t左右。
參考資料
  • 1.    朱耘青主編. 石油煉製工藝學 下[M]. 北京:中國石化出版社, 1992.05.80-85頁
  • 2.    燕蘭玲,祝京旭,藍興英,高金森. 兩種新型流化牀——高密度循環流化牀和循環湍動流化牀的對比分析[J]. 化工學報,2014,65(07):2495-2503.
  • 3.    韓立寧. 流化牀內顆粒流動與傳熱傳質的數值模擬[D].燕山大學,2014.
  • 4.    徐志. 超臨界循環流化牀鍋爐數學模擬與設計方案優化[D].浙江大學,2013.