1.本書是對氣固流化床中顆粒停留時間分布的調控理論和方法及其工業應用的歸納和總結；

2.本書能對從事流態化科技研究和應用的讀者提供化床中顆粒停留時間調控理論和計算機模擬的新成果；

3.本書可為流化床的顆粒停留時間調控理論和計算機模應用於工業流化床的放大和優化作做出應有的貢獻。

氣固流化床反應器在化工、冶金、能源等領域有著廣泛的應用，根據加工對像的不同可將氣固流化床應用大致分為兩類，一類是氣相加工過程，流化床中固體顆粒是催化劑，這類過程在化學工業中應用十分廣泛，如石油催化裂化、丁烯氧化脫氫、甲醇制烯烴等過程。另一類為固相加工過程，流化床中的固體顆粒本身為被加工對像，這類過程在礦業、冶金和能源領域應用較為廣泛，如流化床化學氣相沉積制備多晶硅、氯化法鈦、氫氧化鋁煆燒、硫鐵礦煆燒、循環流化床煤燃燒等過程。停留時間是過程開發和流化床反應器設計的重要參數，停留時間調控更是過程優化的關鍵，不同過程對停留時間控制的關注點也不盡相同，對固相加工過程而言，更關注固體顆粒停留時間的控制。

固相加工過程按顆粒變化可分為不同類型，比如顆粒尺變小，顆粒尺變大和顆粒尺基本不變等，每一類過程都有其自身的特點。氣固流化床也廣泛應用於加工各種礦物，這類過程有兩個顯著的特點，一是加工過程顆粒尺基本不變，固體顆粒在流化床中或被氧化，或被還原，或者發生分解，這類反應過程可用縮核模型來表示；二是礦物粉體普遍具有粒徑寬篩分特性，礦石經磨礦處理後粒徑分布往往都比較寬，顆粒與顆粒粒徑相差5~6倍較為常見，粗、細粒徑相差10倍也不罕見。礦粉顆粒的寬篩分特性給顆粒停留時間控制帶來挑戰，因為顆粒尺不同，其所需的反應轉化時間必然不同，小顆粒需要較短的停留時間，而大顆粒需要較長的停留時間，這就需要所設計的流化床反應器能夠分別滿足大小不同粒度顆粒的停留時間需求，這樣纔能實現粗、細顆粒的同步轉化，否則就會降低反應過程的轉化率和選擇性，影響設備的生產能力和產品質量。

就氣固流化床內的兩相流流型分類而論，可分為活塞流、全混流和介於兩者之間的半混流。由於存在氣固流的返混，活塞流在氣固流化床中較難做到，僅可通過添加內構件等措施使其向活塞流型。以往文獻中關於氣固流化床顆粒停留時間的研究，一般將粉體當作一個整體，考察各作條件對顆均停留時間和停留時間分布的影響規律，未關注寬篩分粉體中各粒級顆粒停留時間的變化情況，也未關注氣固流化床反應器是否能滿足不同粒徑的顆粒對各自不同停留時間的需求。作者在前期研究中發現，傳統流化床中粗、細顆粒停留時間差別較小，無法滿足粗、細顆粒同步轉化對其停留時間差別的要求。因此，如何對氣固流化床中寬篩分粉體各粒級顆粒均停留時行調控，實現“各取所需”的理想狀態，確實是擺在我們面前的理論和技術難題，需要我們不僅在理論上要有所突破，而且在技術上也要有所創新。

在國家“973”、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、合作企業項目等的支持下，著者對橫向內構件、縱向內構件、鼓泡-快速床型等對顆粒停留時間分布，尤其是寬篩分粉體中各粒級顆均停留時間的影行了繫統的實驗研究和理論分析，同時還結合CFD方法對顆粒停留時行了計算機模擬，取得了一繫展，在國際主流期刊上發表了繫列論文，受到國內外學術界的關注和好評，相關研究成果還在多釩酸銨還原制備三氧化二釩、難選鐵礦磁化焙燒、低品位錳礦還原、氫氧化鋁煆燒制備α-氧化鋁等中試和產業化示範項目中得到應用，取得了較好的效果，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

本書是對氣固流化床中顆粒停留時間分布的調控理論和方法及其工業應用的歸納和總結，希望本書能為從事流態化科學研究和應用的讀者提供化床中顆粒停留時間調控理論和計算機模擬的成果，為流化床的顆粒停留時間調控理論和計算機模應用於工業流化床的放大和優化作做出應有的貢獻。

本書內含了作者所在課題組部分老師和學生多年來的工作成果與研究積累，具括趙虎、張立博、趙雲龍、賈繼斌、郝志剛、李軍、謝朝暉等人。在此謹向所有參與本書編寫及創作的人員表示感謝！

由於作者有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。


著者

2020年9月

1.1 引言

氣固流化床反應器廣泛應用於化工、冶金、能源等領域，用於流化的氣體免種多樣，既有簡單空氣，也有如氫氣、氯氣、三氯氫硅等各種氣體，同樣氣固沽化床處理的固體也多種多樣，括催化劑、礦物等原生固體顆粒，括聚婚經、多晶硅等反應生成固體顆粒。氣固流化床中的“固”按照其在處理過程中的變化，大致可以分為四類。第一類是在反應過程中固體顆粒尺與物性基本不變化，這類固體的代表為各種催化劑，固體顆粒主要起催化作用，目的是加快氣相轉化速率。這類過程中固體顆粒雖然在流化床中也會發生某些變化，如FCC(儲化裂化)催化劑在使用過程中積碳，但相對於原始顆粒尺變化較小，並且一旦顆粒尺或性質變化較大，催化劑顆粒會被排出床行再生，因此，可似認為在處理過程中固體顆粒基本不變化。第二類是反應過程固體顆粒變小或者消失，典型的如煤炭燃燒過程，沸騰氯化過程等，對於這類過程，隨著反應行，固體顆粒尺逐漸變小，甚至消失，反應後隻剩下少許未反應的灰分。第三類是固體顆粒尺變大（有固體顆粒生成)，比如流化床反應器中催化生成聚烯烴的過程，流化床化學氣相沉積過程等，對於這類過程，固體會從氣相沉積到顆粒表面，流化床中顆粒尺隨反應行會逐漸變大，到一定尺後須排出流化床。第四類是在反應過程中顆粒尺基本不變，典型的如硫鐵礦、鋅精礦的氧化，氫氧化鋁煆燒，鐵礦石直接還原等過程，對於這類過程，反應過程顆粒尺變化不大，但很多都涉及從一種物質變為另一種物質，如硫鐵礦煆燒過程固體顆粒從FeS2變為Fez2Og等，其中伴隨顆粒空隙度等物理性質的變化。

通過過程強化提高氣固轉化效率是科技工作者的永恆追求，對於上述四類過程，過程強化的也不盡相同，其中第四類（本書稱之為氣固轉化過程）對固相停留時間調控要求較高。對這類轉化過程固相停留時間調控大致可分為兩類，一類是減小固相返混，提率，即通過調控措施，使固相的停留時間分布從全混流向推流轉變。第二類涉及不同粒級顆粒停留時間的調控，由於氣固流化床中固相顆粒往往具有一定的粒徑分布，有些還是粒徑寬篩分粉體，而不同粒徑顆粒所需理論轉化時間不同，若能通過停留時間調控使每一粒級均停留時間與其所需理論轉化時間匹配，不僅可提高反應的轉化率，對復雜反應還可提高轉化的選擇性。第一類停留時間調控國內外已有很多研究，也發展了不少可行的方法，但對第二類調控，國內外關注的較少。本章將對粒徑對顆粒轉化的影響，氣固流化床中固相停留時間影響因素以及典型氣固轉化過程固相停留時間調控措施行概述。

1.2固體顆粒轉化動力學

固體顆粒氣固非催化轉化，根據粒徑變化情況可分為“縮粒模型”和“縮核模型”，顯然對於上文提到的氣固相轉化屬於“縮核”過程，如圖1.pan>所示，隨著轉化過程行，顆粒粒徑保持不變，產物層逐漸往顆粒內部延伸，未反應核逐漸縮小。顯而易見，整個轉化過程除了涉及化學反應，還涉及反應氣體和氣體產物的向內和向外擴散等物理過程，即參與反應的氣體首先須從氣流主體通過顆粒表面氣膜擴散至顆粒表面，然後再從顆粒表面通過顆粒內部孔道擴散至顆粒內部未反應核界面，纔可與界面處固體發生氧化還原反應，反應的氣相產物也需要從顆粒內部擴散至顆粒表面，再通過氣膜層擴散至氣流主體。整個過程，氣相反應物經歷氣膜擴散（又稱外擴散）、顆粒內部擴散（又稱內擴散）和化學反應三個串聯過程，整體轉化速率取決於（即等於）這三個過程中最慢過程的速率，即整個過程由速率最慢的步驟控制，可能出現外擴散控制、內擴散控制、化學反應控制三種情況。

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