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化工过程强化系列10:流化床——经典流固相过程强化

本系列化工过程强化专题的最后一部分,我将要来说一说流固相之间的过程强化。所谓流固相是指由一种流体与固体组成的体系,如果流体是气体那么这就是气固体系,流体是液体自然就是液固体系。

流固相过程实际上在化工生产中存在是非常广泛的,尤其是在精细化工中,涉及到固体物料与产品的情况远多于大宗化学品合成,因此具有较为重大的意义。在化工过程中涉及气固过程中的有:气固催化反应,固体干燥,固体燃烧等。涉及液固的过程有:固体溶解,液固反应等。

外扩散与内扩散对传质过程的影响 

外扩散与内扩散对传质过程的影响

流固相的传递过程主要包含两个方面:气体中的热量与物质扩散到固体表面,固体的热量或物质脱离固体表面进入气体中。很自然地,流固相过程强化的原理实际上与气液过程类似。其思路也是类似的,那就是我们要尽可能增大流体与固体的接触面积,同时尽可能地增大固体与流体间的比表面积。这里我们举一个固体干燥的例子,当固体与气流接触的时候,固体颗粒越小干燥速率越快。气流经过固体的速度越高,固体干燥的速度同样能够加快。

那么在工业中我们如何实现这两点呢,可以说对于流固相过程进行强化的思路比较有限,这主要是减小固体颗粒尺寸这一点在实际操作中不容易实现。破碎固体往往需要较高的能量与复杂的机械,这往往是在流固相接触设备之外完成的,在设备本体中进行固体破碎的可行性不大。因此我们唯一可以做的就是尽可能加大气固界面间的扰动。而在这方面实际上工业界已经在做了,那就是流化床。

流态化的原理非常简单,那就是固体颗粒在气流中会呈现悬浮状态,这就是所谓流态化,大家可以稍微一计算一下,为了让颗粒呈现流态化,那么气流的速度就会非常快,同时固体颗粒之间会剧烈地进行撞击。这样一来就加大的气固界面之间的扰动,新成了气固过程强化的作用。同时由于固体呈现流态化,固体颗粒之间的间距较大,变相增大了气体与固体的接触面积。因此以干燥为例,流化床干燥的时间会明显比回转窑甚至普通窑炉内的干燥时间短。

此外流态化还有一个优点,那就是气体有一定热量携带能力,虽然气体热容较低,但是流化床中气量是非常大的,这样一来就可以及时移除系统的热量。这一点在化学反应中用途非常大,比较经典的例子就是丙烯腈的合成,这个合成反应固体做催化剂,是一个强放热的反应。如果采用固定床反应,即使在有冷却介质的条件下,系统温度也难以控制会发生飞温,最后导致催化剂烧坏。因此这种情况下丙烯腈的合成采用的都是流化床反应器。

常用流化床反应器结构形式,主要有反应器本体,气体分布板,旋风分离器组成,实际操作过程中可以有多种类型衍生,比如说旋风分离器外置等变形。 

常用流化床反应器结构形式,主要有反应器本体,气体分布板,旋风分离器组成,实际操作过程中可以有多种类型衍生,比如说旋风分离器外置等变形。

当然流化床的应用还是有局限性的,首先流化床的设计比较困难,目前除了几个经典工艺以外,流化床的设计还是比较粗糙的,需要大量的设计经验,有些又需要在调试中渐渐摸索。因此一般的中小型供应商由于经验不足,经常导致设备无法形成流化,无法开机,这在很大程度上导致业主为避免技术风险宁可采用传统的回转窑等接触设备。

另外现在流化床在一些特定领域中存在政策风险,流化床的特点就在于气量大,这在一般干燥过程中没有问题,但是如果你干燥的物料中含有挥发性的有机物,那么流化床出口的气体就是工业废气,需要严格处理,这样一来就导致了额外的环境处理成本。

另外就是流化床的能耗,首先为了维持反应器内有一定温度,就必须进行加热,由于气体的通过具有冷却效应导致要对气体的加热消耗的热量远大于其他窑炉类型。

振动流化床干燥机,用机械振动辅助流化,优点是设备高度可以降低,操作也比流化床灵活,现在已经是非常常见的设备了。 

振动流化床干燥机,用机械振动辅助流化,优点是设备高度可以降低,操作也比流化床灵活,现在已经是非常常见的设备了。

所以流化床现在的应用情况主要有几点,强换热的气固催化反应,需要气体带走热量。此外还可以进行流化床冷却。有些反应过程产生的是高温的粉体,这时候可以通过直接吹气将粉体冷却下来,这种情况反而有了一定的用途。在燃烧器方面也有用途,因为燃烧器往往对设备体积有要求,要求设备尽可能小所以在流化床上有点前途。但是在干燥方面就非常尴尬了,干燥在很多化工过程中属于可以凑合的流程,设备打一点,效率低一些对厂家来说影响不大,但是废气处理成本以及能耗往往厂家比较关心。因此目前从干燥角度来说,流化床要代替回转窑等设备难度还是比较大的。

用于发电领域的煤粉燃烧用循环流化床 

用于发电领域的煤粉燃烧用循环流化床

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