流态化床反应器

分类按流态化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。

流态化床反应器的结构有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。

近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就很高了。（见流态化、流态化设备）2100433B

流态化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。

特性与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在粉明显的局限性：①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的收率；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；④床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经脸操作。

试验在施加循环荷载时，试样流态化前后的现象。可看出，流态化现象的出现与水分迁移密切相关，其宏观表现为矿粉孔隙减少，表层矿粉滑动，水分迁移和水液面上升以及自由液面形成．水分迁移始终贯穿整个流态化演化过程 。

精矿流态化水分迁移的细观规律

由铁精矿流态化的宏观规律分析可知，水分的迁移对铁精矿的流态化发生至关重要．利用高速细观摄像机采集的铁精矿流态化演化过程中的细观变化．细观观测位置为距离模型箱底部30cm、短边侧壁33cm 处，观测范围为6mm×8mm．通过对不同振次时铁精矿细观照片的直观分析，研究散装铁精矿流态化演化过程中水分在铁精矿颗粒间迁移运动的细观规律。

试验开始前，不同粒径铁精矿颗粒均匀分布，矿体相对比较松散，粒间孔隙体积较大，水分均匀分布在铁精矿颗粒间孔隙中；振动开始后，矿体体积被压缩，孔隙体积减小，孔隙中均匀分布的水分逐渐聚集，形成水膜裹附在铁精矿颗粒表面；孔隙体积进一步减小，颗粒表面的包裹水膜厚度增加，水分汇集连接成片，形成连续水体，观测到铁精矿孔隙体积明显减小；随着孔隙水分的进一步析出，细观观测区域内的铁精矿水分含量增多，矿体饱和度增大，颗粒间作用力降低，观测区域内的连续水体与铁精矿颗粒共同做水平往复运动。

振动至40振次时，细观观测区域内的细颗粒含量明显减少，颗粒间接触紧密，观测区域内水分含量减少，这是因为水分在迁移过程中带动细颗粒一起运动，细颗粒流失后矿体粒径粗化；振动至60振次时，孔隙间析出水继续迁移，析出水量逐渐减小，此时由宏观观测到的水液面已上升至细观观测区域的位置；振动至100振次时，析出水量逐渐减小；振动至600振次时，铁精矿细颗粒嵌合在粗颗粒孔隙间，颗粒间咬合紧密，矿体孔隙体积很小，颗粒间剩余水分含量很少。

在缩尺条件下，散装铁精矿流态化形成的水分迁移细观规律大致相同．在振动过程中，铁精矿体积被压缩；颗粒孔隙间水分被挤出并汇集成片，形成连续水体；水分在重力作用下向下迁移，其宏观表现为形成水液面上升．同时孔隙水迁移带动矿体中细颗粒运动，细颗粒填充了粗颗粒骨架之间的孔隙，进一步促使孔隙体积减小，导致孔隙水分析出。

精矿流态化铁精矿细观组构

研究铁精矿细观组构的目的是通过对颗粒间相互作用的定量描述，在某种假设或力学原理的基础上做出统计平均，建立铁精矿细观组构指标与铁精矿宏观特性响应间的关系．本文通过模型试验对铁精矿流态化形成过程中的宏观现象和组构参量之间的关系进行了定性探讨，尝试从铁精矿细观组构的演化解释铁精矿流态化现象的细观机制。

利用课题组自主开发的Geodip数字图像处理软件，对试验过程中记录的高清照片进行处理，分析铁精矿在循环荷载作用下颗粒细观组构变化，包括铁精矿颗粒长轴方向，平均接触数和平面孔隙率的变化等．通过对比在流态化形成过程中不同振次下铁精矿颗粒的细观组构规律，探讨铁精矿发生流态化的内在机理。

（1）颗粒长轴方向

颗粒定向性的发展是流态化形成过程中铁精矿颗粒重新排列的反映。不同振次时铁精矿颗粒长轴方向演化的玫瑰图，扇形大小反映颗粒长轴方向的角度频数分布。

从长轴方向的演化来看，由于采用分层湿捣法进行制样，因此试样的铁精矿颗粒长轴方向分布相对比较均匀。振动初始，由于不规则形状的铁精。铁精矿颗粒孔隙间水分不断汇集形成连续水体，由于同时受到水平往复荷载和水流的作用，铁精矿颗粒长轴主要分布在水平0°方向和竖直90°方向。随着水平荷载的继续施加，孔隙间水分携带部分细颗粒趋于向矿体上层迁移，颗粒长轴明显偏向于竖直方向发展。约至50振次时，铁精矿颗粒间孔隙充分压缩，粒间孔隙中的水分已充分析出，颗粒间残存少量水分，水流作用减弱，原来受水流影响偏向竖向的颗粒长轴稍微向水平方向偏转。至60振次时，细观拍摄处的铁精矿颗粒主要受到水平往复荷载的作用，颗粒的长轴继续向水平方向发展，宏观上的表现为水液面迁移至矿粉表面、流态化基本完成；待振动结束时，铁精矿骨架相对稳定，颗粒只是在原位附近轻微错动和旋转，并没有明显的颗粒滚动，长轴方向变化不大。

综上所述，在铁精矿流态化形成演化过程中，由于受到水平往复荷载和水流的综合作用，颗粒长轴方向由初始的均匀分布变化到定向分布，并且偏向于竖直方向和水平方向．颗粒长轴方向的演化过程，反映了在流态化形成过程中铁精矿颗粒的重新排列过程。

（2）平均接触数

平均接触数是指颗粒与周围颗粒接触的平均数目，用以分析颗粒运动和重新排列规律，其变化是颗粒受力变化的间接反映。

振动初期，铁精矿体积轻微压缩，铁精矿颗粒平均接触数略微增多；至10～20振次，颗粒间的运动使得铁精矿平均接触数略有下降，这表明颗粒间孔隙中水形成的水膜包裹了铁精矿颗粒；至20～40振次，颗粒在水流和振动荷载的作用下，平均接触数目上下波动；至40振次以后，铁精矿颗粒的平均接触数逐渐增大，这说明颗粒间孔隙压缩充分，铁精矿越来越密实。

总体而言，铁精矿平均接触数的总体趋势是增大的，其反映的规律与铁精矿孔隙率变化规律基本一致，即流态化演化过程中铁精矿颗粒的运动使得铁精矿总体发生压缩，粒间孔隙中的水分得以挤出并向上迁移，这与宏观流态化现象得到的结论一致。需指出，平均接触数是通过统计颗粒与其周边颗粒的平均接触数来反映土体的紧密程度，其值并不是衡量颗粒间作用力的指标．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程序计算得到的颗粒孔隙率随时间的变化曲线．需要说明的是，这里采用的平均孔隙率为平面孔隙率，而并非铁精矿真实孔隙率。

水平荷载的施加，使得铁精矿颗粒间孔隙发生压缩，孔隙体积缩小；从振次10开始，平面孔隙率经历有升有降的波动，总的趋势是减小的，这是由于铁精矿颗粒受水平荷载和水流冲力的共同作用，颗粒发生旋转、错动和移动，但颗粒孔隙仍被压缩；至振次60以后，孔隙率基本不发生波动，且远远小于初始值．总体而言，铁精矿流态化形成过程中，孔隙率呈减小趋势，在最初20振次内尤为明显，这与试样总体发生压缩的宏观现象一致 。

近年来，在我国管辖水域发生了多起载运铁精矿船舶倾覆事故，造成海上生命、财产重大损失。铁精矿在海运中受风浪振动作用时易发生水分析出至矿体表面，形成自由液面的现象，即流态化。

目前，国内外关于铁精矿流态化特性的试验研究较少，大多数研究集中在铁精矿货物流动水分点（FMP）的测定和载运铁精矿散货发生事故的原因、危害及安全措施等经验控制两个方面。周健等利用空心圆柱扭剪试验，探讨了铁精矿的动力特性，并通过室内振动台试验研究了铁精矿流态化析出水的演化历程，从宏观角度探讨不同因素对铁精矿流态化特性的影响，并发现含水率是影响铁精矿流态化的关键因素．众所周知，对于由散粒状介质组成的颗粒集合体，外荷载作用下其微观结构的变化是引发其宏观力学性状的真正内因。

利用室内振动台，研究了铁精矿在动荷载作用下的流态化细观机理．通过分析铁精矿流态形成化过程中颗粒间及颗粒与水分间的相互作用，分析颗粒长轴方向、平均配位数、平面孔隙率等细观组构的演化规律，探讨了铁精矿流态化演化过程中细观机理及其与宏观现象间的联系 。