气固流化床颗粒停留时间调控理论及应用

1.本书是对气固流化床中颗粒停留时间分布的调控理论和方法及其工业应用的归纳和总结； 2.本书能对从事流态化科技研究和应用的读者提供一些流化床中颗粒停留时间调控理论和计算机模拟的新成果； 3.本书可为流化床的颗粒停留时间调控理论和计算机模拟成功应用于工业流化床的放大和优化操作做出应有的贡献。

气固流化床反应器在化工、冶金、能源等领域有着非常广泛的应用，根据加工对象的不同可将气固流化床应用大致分为两类，一类是气相加工过程，流化床中固体颗粒是催化剂，这类过程在化学工业中应用十分广泛，如石油催化裂化、丁烯氧化脱氢、甲醇制烯烃等过程。另一类为固相加工过程，流化床中的固体颗粒本身为被加工对象，这类过程在矿业、冶金和能源领域应用较为广泛，如流化床化学气相沉积制备多晶硅、氯化法钛白粉、氢氧化铝煅烧、硫铁矿煅烧、循环流化床煤燃烧等过程。停留时间是过程开发和流化床反应器设计的重要参数，停留时间调控更是过程优化的关键，不同过程对停留时间控制的关注点也不尽相同，对固相加工过程而言，更关注固体颗粒停留时间的控制。
固相加工过程按颗粒变化可分为不同类型，比如颗粒尺寸变小，颗粒尺寸变大和颗粒尺寸基本不变等，每一类过程都有其自身的特点。气固流化床也广泛应用于加工各种矿物，这类过程有两个显著的特点，一是加工过程颗粒尺寸基本不变，固体颗粒在流化床中或被氧化，或被还原，或者发生分解，这类反应过程可用缩核模型来表示；二是矿物粉体普遍具有粒径宽筛分特性，矿石经磨矿处理后粒径分布往往都比较宽，最粗颗粒与最细颗粒粒径相差5~6倍较为常见，粗、细粒径相差10倍也不罕见。矿粉颗粒的宽筛分特性给颗粒停留时间控制带来挑战，因为颗粒尺寸不同，其所需的完全反应转化时间必然不同，小颗粒需要较短的停留时间，而大颗粒需要较长的停留时间，这就需要所设计的流化床反应器能够分别满足大小不同粒度颗粒的停留时间需求，这样才能实现粗、细颗粒的同步转化，否则就会降低反应过程的转化率和选择性，影响设备的生产能力和产品质量。
就气固流化床内的两相流流型分类而论，可分为活塞流、全混流和介于两者之间的半混流。由于存在气固流的返混，活塞流在气固流化床中较难做到，仅可通过添加内构件等措施使其向活塞流型逼近。以往文献中关于气固流化床颗粒停留时间的研究，一般将粉体当作一个整体，考察各操作条件对颗粒平均停留时间和停留时间分布的影响规律，未关注宽筛分粉体中各粒级颗粒停留时间的变化情况，也未关注气固流化床反应器是否能满足不同粒径的颗粒对各自不同停留时间的需求。作者在前期研究中发现，传统流化床中粗、细颗粒停留时间差别较小，无法满足粗、细颗粒同步转化对其停留时间差别的要求。因此，如何对气固流化床中宽筛分粉体各粒级颗粒的平均停留时间进行调控，实现“各取所需”的理想状态，确实是摆在我们面前的理论和技术难题，需要我们不仅在理论上要有所突破，而且在技术上也要有所创新。
在国家“973”、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、合作企业项目等的支持下，著者对横向内构件、纵向内构件、鼓泡-快速床型等对颗粒停留时间分布，尤其是宽筛分粉体中各粒级颗粒平均停留时间的影响进行了系统的实验研究和理论分析，同时还结合CFD方法对颗粒停留时间进行了计算机模拟，取得了一系列进展，在国际主流期刊上发表了系列论文，受到国内外学术界的关注和好评，相关研究成果还在多钒酸铵还原制备三氧化二钒、难选铁矿磁化焙烧、低品位锰矿还原、氢氧化铝煅烧制备α-氧化铝等中试和产业化示范项目中得到应用，取得了较好的效果，产生了显著的经济效益和社会效益。
本书是对气固流化床中颗粒停留时间分布的调控理论和方法及其工业应用的归纳和总结，希望本书能为从事流态化科学研究和应用的读者提供一些流化床中颗粒停留时间调控理论和计算机模拟的最新成果，为流化床的颗粒停留时间调控理论和计算机模拟成功应用于工业流化床的放大和优化操作做出应有的贡献。
本书内容包含了作者所在课题组部分老师和学生多年来的工作成果与研究积累，具体包括赵虎、张立博、赵云龙、贾继斌、郝志刚、李军、谢朝晖等人。在此谨向所有参与本书编写及创作的人员表示感谢！
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。

著者
2020年9月

本书作为气固流态化学科领域中关于颗粒停留时间调控方面的专著，着重分析了停留时间调控对于流态化固相加工过程的重要性，介绍了流化床中颗粒停留时间的测定方法，阐述了横向、纵向内构件与鼓泡-快速复合床型对颗粒停留时间的调控效果，建立了宽筛分各粒级颗粒平均停留时间的预测模型与CFD计算方法，总结了作者多年来采用停留时间调控理论在多钒酸铵还原制备三氧化二钒、难选铁矿磁化焙烧、低品位锰矿还原、氢氧化铝煅烧制备α-氧化铝等多项流态化工业应用中的典型成果。
本书可供化工、冶金、石油、热能等学科从事流态化科学技术研究和设计开发的科研人员、工程技术人员以及高等院校相关专业的教师、研究生参考阅读。

第1章导论/001
1.1引言/002
1.2固体颗粒转化动力学/003
1.3颗粒停留时间影响因素/006
1.3.1颗粒性质影响/006
1.3.2气速影响/006
1.3.3进料影响/007
1.3.4内构件影响/007
1.4固相转化技术工业应用简介/008
1.4.1硫精矿氧化制备二氧化硫技术/008
1.4.2氢氧化铝煅烧制备氧化铝/010
1.4.3铁矿还原制备直接还原铁/012
1.4.4难选铁矿磁化焙烧/016
参考文献/021

第2章气固流化床流型及颗粒停留时间分布测定/024
2.1引言/025
2.2气固流化床的流型/025
2.2.1活塞流的定义及其E曲线和F曲线特征/025
2.2.2全混流的定义及其E曲线和F曲线特征/026
2.2.3半混流的定义及其E曲线和F曲线特征/027
2.3均一粒度颗粒的停留时间分布测定/029
2.3.1脉冲进样法和E曲线/030
2.3.2跃迁进样法和F曲线/031
2.4多粒度颗粒流化床中各个粒度的平均停留时间测定/033
2.4.1无内构件气固并流上行流化床/033
2.4.2有内构件气固并流上行流化床/034
2.5本章小结/035
参考文献/035

第3章纵向内构件颗粒停留时间调控/037
3.1引言/038
3.2纵向内构件纵向绕流气固流化床/039
3.2.1实验装置、物料及测量方法简介/039
3.2.2纵向内构件对颗粒停留时间分布的影响/042
3.2.3内构件底部开口高度对颗粒停留时间分布的影响/045
3.2.4气速对颗粒停留时间的影响/047
3.3纵向内构件横向绕流气固流化床/050
3.3.1实验装置、物料及测量方法简介/050
3.3.2挡板对粗、细颗粒RTD的影响/053
3.3.3气速对粗、细颗粒RTD的影响/054
3.3.4进料速率对粗、细颗粒RTD曲线的影响/055
3.4本章小结/057
参考文献/057

第4章鼓泡-快速复合流化床颗粒停留时间调控/058
4.1引言/059
4.2实验装置、物料及测量方法简介/059
4.3鼓泡-快速复合流化床颗粒停留时间调控区间与影响因素分析/063
4.3.1鼓泡-快速流化床停留时间调控区间/063
4.3.2气速对粗、细颗粒停留时间差异的影响/065
4.3.3粒径比对粗、细颗粒平均停留时间差异的影响/068
4.4本章小结/072
参考文献/072

第5章横向内构件颗粒停留时间调控/074
5.1引言/075
5.2实验装置、物料及测量方法简介/076
5.3操作条件对无内构件流化床中粗、细颗粒平均停留时间的影响/080
5.3.1操作气速对流化床达到稳态时间的影响/080
5.3.2粒径分布的影响/082
5.3.3进料速率的影响/083
5.3.4操作气速的影响/084
5.3.5无内构件流化床粗、细颗粒停留时间调控能力分析/087
5.4内构件对粗、细颗粒平均停留时间调控研究/088
5.4.1内构件对流化床达到稳态时间的影响/088
5.4.2内构件数目的影响/089
5.4.3内构件位置的影响/092
5.4.4内构件结构参数的影响/095
5.4.5内构件类型的影响/097
5.5操作条件对内构件流化床中粗、细颗粒平均停留时间及压降的影响/099
5.5.1流化气速对颗粒停留时间的影响/099
5.5.2流化气速对不同粒径颗粒平均停留时间的影响/101
5.5.3挡板间距对颗粒平均停留时间的影响/102
5.5.4挡板间距对床层压降的影响/103
5.5.5进出料口位置对颗粒停留时间的影响/105
5.6本章小结/105
参考文献/106

第6章多挡板流化床中各粒级颗粒平均停留时间预测模型/108
6.1引言/109
6.2各粒级颗粒MRT数学模型/110
6.2.1模型框架/110
6.2.2预测床层各粒级颗粒质量分数的数学模型/111
6.2.3预测床层颗粒藏量数学模型/114
6.3模型及参数验证/116
6.3.1返混指数预测验证/116
6.3.2相对扬析度预测验证/118
6.3.3床层料藏量预测验证/119
6.3.4各粒级颗粒平均停留时间预测验证/120
6.4粗、细颗粒平均停留时间的模型预测/122
6.5设计及操作优化初探/125
6.6本章小结/127
参考文献/128

第7章气固流化床宽筛分颗粒停留时间数值模拟/129
7.1引言/130
7.2宽筛分颗粒停留时间模拟模型/130
7.2.1宽粒度鼓泡流化床结构预测模型/130
7.2.2宽粒度鼓泡流化床流动结构参数的求解/132
7.2.3鼓泡流化床不均匀结构的分解-合成方法/137
7.2.4宽粒度鼓泡流化床动量传递的曳力系数模型/137
7.2.5双粒径颗粒停留时间分布的模拟与验证/138
7.3横向内构件流化床颗粒平均停留时间模拟结果/140
7.3.1模拟对象及参数设置/140
7.3.2气固流动行为分析/142
7.3.3挡板结构参数影响/143
7.4纵向内构件流化床颗粒平均停留时间模拟结果/145
7.4.1模拟对象及参数设置/145
7.4.2挡板及流化参数影响/146
7.5鼓泡流化床颗粒停留时间分布的逐级放大模拟/148
7.5.1模拟对象及参数设置/148
7.5.2网格无关性检验/150
7.5.3曳力模型对气固流动行为的影响/150
7.5.4气泡模型对气固流动行为的影响/151
7.5.5气泡方程对固相RTD计算的影响/153
7.6本章小结/155
参考文献/155

第8章停留时间调控工业应用/158
8.1引言/159
8.2多钒酸铵还原生产三氧化二钒应用/159
8.2.1反应原理及实验室扩大试验/160
8.2.2反应器设计及工艺流程/161
8.2.3运行结果/164
8.2.4存在问题/166
8.3难选铁矿磁化焙烧应用/169
8.3.1流化床反应器设计及工艺流程/170
8.3.2运行结果及存在问题/171
8.3.3鼓泡-快速复合流化床改造及运行结果/173
8.4低品位锰矿还原应用/175
8.4.1反应原理及实验室小试结果/176
8.4.2流化床反应器设计/178
8.4.3运行结果/180
8.5氢氧化铝煅烧制备α-氧化铝应用/183
8.5.1工艺条件探索/184
8.5.2流化床反应器设计/186
8.5.3工艺流程设计及运行结果/187
参考文献/190