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多功能循环流化床实验

实验教学讲义

适用专业：化学工程与工艺

实验学时：2

执笔人：刘梦溪

一、实验的目的

循环流化床特色实验装置是化工学院为提高大学生动手能力和科研能力而设计的一套大型冷模实验装置，可作为化工原理（本科）、流态化（研究生）等课程的实验内容，也可作为研究生、博士生科研、大学生科技创新的实验平台。

通过改变不同的操作气速，装置内床层可经历由起始流化到鼓泡床、湍流床、快速床直至气力输送等多个床型。在装置内可开展压力梯度、密度分布、速度分布和旋风分离器压降、颗粒流动特性、气控阀操作特性、颗粒混合、分离器内气相流场等实验，根据实验数据可进行全装置压力衡算。因此，可根据不同的需要设计不同的实验，是一个设计型的实验装置。

为了使学生能够清楚的看到装置内颗粒的流化状态，装置主体由有机玻璃制成。装置上的测量点也经过精心的设计，当采用测量仪器如光纤颗粒密度/速度测量仪等仪器时，可直接利用现有测量点进行测量。通过试验，使学生了解和掌握循环流化床的基本原理与控制过程，激发学生的学习兴趣。

二、实验原理

循环流化床系统主要由提升管反应器及伴床（有时以用作反应器）所构成。为了使颗粒在提升管与伴床之间循环，在底部有颗粒循环控制装置，在顶部有气固分离器与之相连接。此外，根据实际需要，通常还有颗粒储罐，除尘过滤设备以及必要的测试系统。在设计循环流化床反应器时，应考虑以下主要因素。

1.操作条件的选定

当选择提升管反应器的设计时，首先根据所需气体处理量，确定操作气速及反应器直径。选择的操作气速必须满足快速流化操作条件的要求，同时又能保证过程所必需的气、固接触时间。反应器高度的确定主要依据停留时间的要求。颗粒循环速率的确定分两种情况：第一种是当提升管内进行的过程为传热控制时，或固体颗粒的循环是为了带出或带入热量时，颗粒循环速率应由传热量的要求而决定，此时应该很好了解气、固传热的知识；在第二种情况下，当提升管内进行的为催化反应，而催化剂随反应的进行，失活很快时（如FCC过程），颗粒的循环速率应由催化剂失活特性来确定，合适的颗粒循环速率应能保证新鲜（经再生的）催化剂的不断补入及已失活的催化剂的不断移出。当然也有可能必须综合考虑上述两种情况的过程。

2.化学反应特性

化学反应特性与催化剂性能是循环流化床反应器设计时应考虑的主要因素。床层结构及所选定的操作条件应适应化学反应的要求。例如，对以中间产物为目的产物的快速反应（FCC等），应当使气固流动接近于平推流，尽量减少催化剂颗粒的返混。因此，应该避免使用带气垫弯头的出口结构，尽量不适用内置构件等。当固体颗粒本身为反应物，且要求完全转化时（如煤燃烧、催化剂的再生等），应考虑能够增加颗粒浓度（及返混），延长颗粒停留时间的措施，如使用气垫弯头式出口结构等。

3.颗粒循环控制装置

颗粒循环控制装置的作用不仅是调节和控制颗粒循环，以达到所要求的颗粒循环速率，而且也帮助防止气体从提升管向伴床的“反窜”流动。特别是提升管中与伴床中进行不同气氛的反应过程（如氧化与还原）时，杜绝气体“反窜”变的尤为重要。如前所述，为了达到高循环速率，颗粒循环控制装置应具有尽可能小的阻力。通常所用的颗粒循环控制装置有机械式阀（滑阀、蝶阀等）以及气力流动阀（L型阀、V型阀、J型阀等）。在实际工业装置中，为避免机械式阀在高温、高压情况下的操作困难（如颗粒的堵塞，摩擦等），经常需用非机械式气力控制阀。

三、循环流化床装置的常见测试手段

1、颗粒浓度测定

颗粒浓度分布的研究对循环床的应用设计极为重要，要获得较为准确的固体颗粒浓度的分布数据，需要一种测量过程简单、迅速和准确的测试技术。现阶段研究中常用的测量技术包括以下几种。

（1）截面成像技术

截面成像技术的基本原理是电磁辐射或电场的强度因穿过气固混合物而降低，单位距离上被吸收的能力与颗粒浓度有关。该测试技术优点在于对流体的流动无干扰，对于靠近提升管管壁处以及复杂的流体流动仍然可以获得可靠的数据，但存在的问题：X射线或γ射线截面成像技术ADDINNE.Ref.{7D7F2A2E-02C3-4A52-AEC3-B81DC4AC1F98}[39]所需的测量时间较长，时间分辨率低，价格昂贵，而且从事放射性工作的人员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件；而电容截面成像技术的空间分辨率低，仪器的校准以及结果的再现都比较复杂。这些缺点导致截面成像技术在流化床中应用不多。

（2）光纤探头浓度测量法ADDINNE.Ref.{C5977139-5833-416C-B6E5-3DFF2AEC002F}

度高到一定的数量时，边壁区的颗粒浓度将阻碍激光片光射入到床内，同时也会遮挡CCD相机拍摄图像，使测量无法进行。

（3）光纤颗粒速度探头测量技术

光纤颗粒速度探头的工作原理就是用光纤之间的有效分隔距