流態(tài)化床反應(yīng)器

分類按流態(tài)化床反應(yīng)器的應(yīng)用可分為兩類：一類的加工對象主要是固體,如礦石的焙燒,稱為固相加工過程；另一類的加工對象主要是流體，如石油催化裂化、酶反應(yīng)過程等催化反應(yīng)過程，稱為流體相加工過程。

流態(tài)化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有兩種形式：①有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進(jìn)行再生。②無固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長時(shí)間（如半年或一年）內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應(yīng)過程。

近年來，細(xì)顆粒和高氣速的湍流流化床及高速流化床均已有工業(yè)應(yīng)用。在氣速高于顆粒夾帶速度的條件下，通過固體的循環(huán)以維持床層，由于強(qiáng)化了氣固兩相間的接觸，特別有利于相際傳質(zhì)阻力居重要地位的情況。但另一方面由于大量的固體顆粒被氣體夾帶而出，需要進(jìn)行分離并再循環(huán)返回床層，因此，對氣固分離的要求也就很高了。（見流態(tài)化、流態(tài)化設(shè)備）2100433B

流態(tài)化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）；但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應(yīng)器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。

特性與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；③便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反應(yīng)器來說，流化床又存在粉明顯的局限性：①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動(dòng)過程中的劇烈循環(huán)和攪動(dòng)，無論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，陣低了目的產(chǎn)物的收率；②反應(yīng)物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機(jī)會(huì)，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；③由于固體催化劑在流動(dòng)過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動(dòng)、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；④床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)臉操作。

試驗(yàn)在施加循環(huán)荷載時(shí)，試樣流態(tài)化前后的現(xiàn)象?？煽闯觯鲬B(tài)化現(xiàn)象的出現(xiàn)與水分遷移密切相關(guān)，其宏觀表現(xiàn)為礦粉孔隙減少，表層礦粉滑動(dòng)，水分遷移和水液面上升以及自由液面形成．水分遷移始終貫穿整個(gè)流態(tài)化演化過程 。

精礦流態(tài)化水分遷移的細(xì)觀規(guī)律

由鐵精礦流態(tài)化的宏觀規(guī)律分析可知，水分的遷移對鐵精礦的流態(tài)化發(fā)生至關(guān)重要．利用高速細(xì)觀攝像機(jī)采集的鐵精礦流態(tài)化演化過程中的細(xì)觀變化．細(xì)觀觀測位置為距離模型箱底部30cm、短邊側(cè)壁33cm 處，觀測范圍為6mm×8mm．通過對不同振次時(shí)鐵精礦細(xì)觀照片的直觀分析，研究散裝鐵精礦流態(tài)化演化過程中水分在鐵精礦顆粒間遷移運(yùn)動(dòng)的細(xì)觀規(guī)律。

試驗(yàn)開始前，不同粒徑鐵精礦顆粒均勻分布，礦體相對比較松散，粒間孔隙體積較大，水分均勻分布在鐵精礦顆粒間孔隙中；振動(dòng)開始后，礦體體積被壓縮，孔隙體積減小，孔隙中均勻分布的水分逐漸聚集，形成水膜裹附在鐵精礦顆粒表面；孔隙體積進(jìn)一步減小，顆粒表面的包裹水膜厚度增加，水分匯集連接成片，形成連續(xù)水體，觀測到鐵精礦孔隙體積明顯減??；隨著孔隙水分的進(jìn)一步析出，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的鐵精礦水分含量增多，礦體飽和度增大，顆粒間作用力降低，觀測區(qū)域內(nèi)的連續(xù)水體與鐵精礦顆粒共同做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

振動(dòng)至40振次時(shí)，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的細(xì)顆粒含量明顯減少，顆粒間接觸緊密，觀測區(qū)域內(nèi)水分含量減少，這是因?yàn)樗衷谶w移過程中帶動(dòng)細(xì)顆粒一起運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒流失后礦體粒徑粗化；振動(dòng)至60振次時(shí)，孔隙間析出水繼續(xù)遷移，析出水量逐漸減小，此時(shí)由宏觀觀測到的水液面已上升至細(xì)觀觀測區(qū)域的位置；振動(dòng)至100振次時(shí)，析出水量逐漸減??；振動(dòng)至600振次時(shí)，鐵精礦細(xì)顆粒嵌合在粗顆?？紫堕g，顆粒間咬合緊密，礦體孔隙體積很小，顆粒間剩余水分含量很少。

在縮尺條件下，散裝鐵精礦流態(tài)化形成的水分遷移細(xì)觀規(guī)律大致相同．在振動(dòng)過程中，鐵精礦體積被壓縮；顆粒孔隙間水分被擠出并匯集成片，形成連續(xù)水體；水分在重力作用下向下遷移，其宏觀表現(xiàn)為形成水液面上升．同時(shí)孔隙水遷移帶動(dòng)礦體中細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒填充了粗顆粒骨架之間的孔隙，進(jìn)一步促使孔隙體積減小，導(dǎo)致孔隙水分析出。

精礦流態(tài)化鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)

研究鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的目的是通過對顆粒間相互作用的定量描述，在某種假設(shè)或力學(xué)原理的基礎(chǔ)上做出統(tǒng)計(jì)平均，建立鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)指標(biāo)與鐵精礦宏觀特性響應(yīng)間的關(guān)系．本文通過模型試驗(yàn)對鐵精礦流態(tài)化形成過程中的宏觀現(xiàn)象和組構(gòu)參量之間的關(guān)系進(jìn)行了定性探討，嘗試從鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的演化解釋鐵精礦流態(tài)化現(xiàn)象的細(xì)觀機(jī)制。

利用課題組自主開發(fā)的Geodip數(shù)字圖像處理軟件，對試驗(yàn)過程中記錄的高清照片進(jìn)行處理，分析鐵精礦在循環(huán)荷載作用下顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化，包括鐵精礦顆粒長軸方向，平均接觸數(shù)和平面孔隙率的變化等．通過對比在流態(tài)化形成過程中不同振次下鐵精礦顆粒的細(xì)觀組構(gòu)規(guī)律，探討鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的內(nèi)在機(jī)理。

（1）顆粒長軸方向

顆粒定向性的發(fā)展是流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒重新排列的反映。不同振次時(shí)鐵精礦顆粒長軸方向演化的玫瑰圖，扇形大小反映顆粒長軸方向的角度頻數(shù)分布。

從長軸方向的演化來看，由于采用分層濕搗法進(jìn)行制樣，因此試樣的鐵精礦顆粒長軸方向分布相對比較均勻。振動(dòng)初始，由于不規(guī)則形狀的鐵精。鐵精礦顆?？紫堕g水分不斷匯集形成連續(xù)水體，由于同時(shí)受到水平往復(fù)荷載和水流的作用，鐵精礦顆粒長軸主要分布在水平0°方向和豎直90°方向。隨著水平荷載的繼續(xù)施加，孔隙間水分?jǐn)y帶部分細(xì)顆粒趨于向礦體上層遷移，顆粒長軸明顯偏向于豎直方向發(fā)展。約至50振次時(shí)，鐵精礦顆粒間孔隙充分壓縮，粒間孔隙中的水分已充分析出，顆粒間殘存少量水分，水流作用減弱，原來受水流影響偏向豎向的顆粒長軸稍微向水平方向偏轉(zhuǎn)。至60振次時(shí)，細(xì)觀拍攝處的鐵精礦顆粒主要受到水平往復(fù)荷載的作用，顆粒的長軸繼續(xù)向水平方向發(fā)展，宏觀上的表現(xiàn)為水液面遷移至礦粉表面、流態(tài)化基本完成；待振動(dòng)結(jié)束時(shí)，鐵精礦骨架相對穩(wěn)定，顆粒只是在原位附近輕微錯(cuò)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，并沒有明顯的顆粒滾動(dòng)，長軸方向變化不大。

綜上所述，在鐵精礦流態(tài)化形成演化過程中，由于受到水平往復(fù)荷載和水流的綜合作用，顆粒長軸方向由初始的均勻分布變化到定向分布，并且偏向于豎直方向和水平方向．顆粒長軸方向的演化過程，反映了在流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒的重新排列過程。

（2）平均接觸數(shù)

平均接觸數(shù)是指顆粒與周圍顆粒接觸的平均數(shù)目，用以分析顆粒運(yùn)動(dòng)和重新排列規(guī)律，其變化是顆粒受力變化的間接反映。

振動(dòng)初期，鐵精礦體積輕微壓縮，鐵精礦顆粒平均接觸數(shù)略微增多；至10～20振次，顆粒間的運(yùn)動(dòng)使得鐵精礦平均接觸數(shù)略有下降，這表明顆粒間孔隙中水形成的水膜包裹了鐵精礦顆粒；至20～40振次，顆粒在水流和振動(dòng)荷載的作用下，平均接觸數(shù)目上下波動(dòng)；至40振次以后，鐵精礦顆粒的平均接觸數(shù)逐漸增大，這說明顆粒間孔隙壓縮充分，鐵精礦越來越密實(shí)。

總體而言，鐵精礦平均接觸數(shù)的總體趨勢是增大的，其反映的規(guī)律與鐵精礦孔隙率變化規(guī)律基本一致，即流態(tài)化演化過程中鐵精礦顆粒的運(yùn)動(dòng)使得鐵精礦總體發(fā)生壓縮，粒間孔隙中的水分得以擠出并向上遷移，這與宏觀流態(tài)化現(xiàn)象得到的結(jié)論一致。需指出，平均接觸數(shù)是通過統(tǒng)計(jì)顆粒與其周邊顆粒的平均接觸數(shù)來反映土體的緊密程度，其值并不是衡量顆粒間作用力的指標(biāo)．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程序計(jì)算得到的顆粒孔隙率隨時(shí)間的變化曲線．需要說明的是，這里采用的平均孔隙率為平面孔隙率，而并非鐵精礦真實(shí)孔隙率。

水平荷載的施加，使得鐵精礦顆粒間孔隙發(fā)生壓縮，孔隙體積縮?。粡恼翊?0開始，平面孔隙率經(jīng)歷有升有降的波動(dòng)，總的趨勢是減小的，這是由于鐵精礦顆粒受水平荷載和水流沖力的共同作用，顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)和移動(dòng)，但顆粒孔隙仍被壓縮；至振次60以后，孔隙率基本不發(fā)生波動(dòng)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始值．總體而言，鐵精礦流態(tài)化形成過程中，孔隙率呈減小趨勢，在最初20振次內(nèi)尤為明顯，這與試樣總體發(fā)生壓縮的宏觀現(xiàn)象一致 。

近年來，在我國管轄水域發(fā)生了多起載運(yùn)鐵精礦船舶傾覆事故，造成海上生命、財(cái)產(chǎn)重大損失。鐵精礦在海運(yùn)中受風(fēng)浪振動(dòng)作用時(shí)易發(fā)生水分析出至礦體表面，形成自由液面的現(xiàn)象，即流態(tài)化。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鐵精礦流態(tài)化特性的試驗(yàn)研究較少，大多數(shù)研究集中在鐵精礦貨物流動(dòng)水分點(diǎn)（FMP）的測定和載運(yùn)鐵精礦散貨發(fā)生事故的原因、危害及安全措施等經(jīng)驗(yàn)控制兩個(gè)方面。周健等利用空心圓柱扭剪試驗(yàn)，探討了鐵精礦的動(dòng)力特性，并通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了鐵精礦流態(tài)化析出水的演化歷程，從宏觀角度探討不同因素對鐵精礦流態(tài)化特性的影響，并發(fā)現(xiàn)含水率是影響鐵精礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素．眾所周知，對于由散粒狀介質(zhì)組成的顆粒集合體，外荷載作用下其微觀結(jié)構(gòu)的變化是引發(fā)其宏觀力學(xué)性狀的真正內(nèi)因。

利用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)，研究了鐵精礦在動(dòng)荷載作用下的流態(tài)化細(xì)觀機(jī)理．通過分析鐵精礦流態(tài)形成化過程中顆粒間及顆粒與水分間的相互作用，分析顆粒長軸方向、平均配位數(shù)、平面孔隙率等細(xì)觀組構(gòu)的演化規(guī)律，探討了鐵精礦流態(tài)化演化過程中細(xì)觀機(jī)理及其與宏觀現(xiàn)象間的聯(lián)系 。