流态化技术在化工过程中的应用

　　本书汇集了研究团队二十余年来在气固流化床反应器基础研究和工程放大方面的研究成果，介绍了流态化基本原理、剖析了催化裂化过程气体分布器和工业流化床反应器流动问题，介绍了吡啶碱合成过程的特点、耦合流化床反应器内的多相流动、小型热态反应器中的流动传递与反应、工业侧线和工业反应器中的质量平衡、压力平衡和热量平衡以及反应性能。 此外，本书还详细介绍了新型耦合流化床反应器开发过程中的研究成果，包括半焦合成二硫化碳的热力学分析和反应动力学分析、大型冷态流体力学实验结果、工业耦合流化床反应器的设计要点、开工时流动与温度的控制手段，以及工业装置正常运行时的操作数据与分析。 可供化工和石油化工等领域科技人员、工程技术人员、生产管理人员阅读，也可供高等院校化学工程与工艺、过程装备与控制工程、石油化工等相关专业本科生、研究生学习参考。

　　刘梦溪，中国石油大学（北京）化工学院教授，博士生导师，中国颗粒学会青年理事，多相分离技术与装备教育部工程中心主任。主要从事新型流化床反应器和气固分离器的基础研究与工程放大。主持国家重大研发计划课题1项、国家自然科学基金2项，参加973计划项目课题、国家自然科学基金重大项目课题多项。获教育部技术发明二等奖2项，中国石油和化学工业联合会科技进步奖、科技发明二等奖。获发明专利14项，在国内外发表研究论文75篇，出版专著《催化裂化反应系统关键装备技术》。 基于气液环流的理论提出气固环流的理念，解决了环流理论的跨体系移植等问题。开发了基于气固环流的耦合催化剂汽提器、预汽提器、颗粒混合器等多项催化裂化关键装备，成功应用于25套工业装置。在同一套设备内实现惯性分离与离心分离的协同，实现了超短快分的工程放大，并在中试装置上连续运行1000小时以上。开发出耦合气固流化床反应器，成功应用于上海百金化工二硫化碳生产装置，与安徽国星合作建成了全球首套2.5万吨/年耦合流化床吡啶碱合成反应器并一次开车成功，解决了原装置产品收率低、装置易结焦等问题。卢春喜，中国石油大学（北京）领军学者，重油国家重点实验室二级教授、博士生导师，973计划项目首席科学家，全国优秀科技工作者，享受国务院政府特殊津贴。任化工学会会士，中国颗粒学会副理事长，中国化工学会化工过程强化专业委员会副主任委员，中国颗粒学会流态化专业委员会主任。获国家科技进步二等奖2项，省部级科技成果奖21项。先后于国内外学术刊物发表论文360余篇，出版专著《催化裂化流态化技术》《催化裂化反应系统关键装备技术》《气固分离耦合强化新技术》、教材《炼油过程及设备》，获国家专利100余件。 主要从事教学和催化裂化工程领域的应用基础研究和工程化应用，创建了重油催化裂化后反应系统的关键装备平台技术；解决了后反应系统结焦制约装置长周期运行这一长期困扰企业的世界性技术难题；开发了FSC、CSC、VQS和SVQS新型快分技术，在工业装置上成功应用，加工量占全国的40%以上；开辟了一条科研成果快速转化的成功之路。将气液环流理论结合气固体系，为环流反应器在气固流化床强化领域的应用开辟了良好途径，形成的催化裂化反应系统关键装备耦合强化新技术已在国内127套工业装置中成功应用。

第1章流态化基本原理 001
1.1流态化颗粒 001
1.1.1颗粒的分类 002
1.1.2有关颗粒的一些概念 005
1.2流化床的形成与流化相图 010
1.2.1压降与流速的关系 011
1.2.2流化床实际与理想状态的差异 013
1.2.3低速气固流化床的床型 014
1.2.4流化相图 016
1.2.5umf、umb、ut、uc、ufp的确定 019
1.3催化裂化催化剂床膨胀 037
1.3.1床膨胀高度历史回顾 037
1.3.2密相床高的确定 039
1.4夹带、扬析和输送分离高度 041
1.4.1颗粒的夹带 041
1.4.2颗粒的扬析 049
1.4.3输送分离高度 055
1.5工程放大中必须解决的问题 064
参考文献 066

第2章工业流化床的气体分布器 069
2.1工业气体分布器简介 069
2.1.1气体分布器的作用及要求 069
2.1.2气体分布器的结构形式 070
2.1.3树枝状分布器 072
2.2树枝状气体分布器的流场 082
2.2.1树枝状气体分布器内的气相流场 082
2.2.2树枝状气体分布器外的两相流场 094
参考文献 113

第3章工业流化床反应器流动问题的剖析 115
3.1装置介绍 115
3.2数值模拟方法 118
3.2.1气相流场的数值模拟方法 118
3.2.2气固两相流场的数值模型 121
3.3待生剂分配器的影响 126
3.4外取热分配器的影响 127
3.5主风分布器的影响 131
3.6优化方案及性能预测 142
3.6.1优化方案的确定 142
3.6.2方案一性能预测 143
3.6.3方案二性能预测 144

第4章吡啶碱合成过程简介 168
4.1吡啶碱合成工艺简介 168
4.1.1吡啶碱的生产工艺 168
4.1.2醛氨法生产吡啶碱 170
4.2工业吡啶碱合成装置目前存在的问题及解决方案 175
4.2.1分布器结焦现象的分析 175
4.2.2新型耦合流化床反应器 177
参考文献 179

第5章吡啶碱合成耦合反应器内的多相流动 181
5.1气固两相在预提升进料段内的流动特性 182
5.1.1轴向流动特性 182
5.1.2典型截面的流体力学特性 184
5.2喷嘴射流流动行为 190
5.2.1示踪气体的浓度分布 190
5.2.2射流扩散长度 191
5.2.3气相返混特性 196
参考文献 201

第6章吡啶碱合成耦合反应器内的流动、传递与反应 202
6.1装置简介和实验方法 202
6.2实验结果及分析 205
6.3流动-反应模型的建立 208
6.3.1流动模型的选择 208
6.3.2流动-反应模型的建立 210
6.4模型预测分析 212
参考文献 216

第7章新型耦合流化床反应器的工业化 218
7.1新型耦合流化床反应器的工业化实验 218
7.1.1装置简介 218
7.1.2实验结果分析 223
7.2全反应器模型 226
7.2.1耦合反应器的流动模型 227
7.2.2耦合反应器的反应器模型 238
7.2.3模型预测结果与实验数据的对比 244
7.3新型耦合流化床反应器的工业运行数据分析 247
参考文献 260

第8章二硫化碳合成过程简介 263
8.1二硫化碳合成工艺简介 263
8.1.1木炭法 263
8.1.2半焦法 264
8.1.3天然气法 265
8.1.4丙烯法 268
8.1.5其他工艺 268
8.1.6半焦法合成二硫化碳循环流化床工艺 268
8.2半焦制二硫化碳的反应 270
8.2.1半焦制二硫化碳的反应热力学 270
8.2.2半焦制二硫化碳固定床反应研究 278
参考文献 286

第9章耦合反应器内的两相流动行为 287
9.1实验装置与测量方法 287
9.2燃烧器内的流体力学行为 290
9.2.1燃烧器内半焦床层的密度分布 290
9.2.2燃烧器内的夹带速率 294
9.3半焦提升管内的流体力学行为 296
9.3.1实验现象 297
9.3.2提升管内床层密度的分布 298
9.4半焦在循环管线中的流动 302
9.4.1主要松动点对颗粒循环的影响 303
9.4.2一般松动点对颗粒循环的影响 306
9.5氧化铝小球的流体力学行为 307
9.5.1基本实验现象 308
9.5.2氧化铝小球在流化床中的流动行为 312
9.5.3氧化铝小球在提升管中的流动行为 314
9.6半焦和氧化铝小球混合颗粒的流体力学行为 315
9.6.1基本实验现象 315
9.6.2混合颗粒在流化床内的流体力学行为 316
9.6.3混合颗粒在提升管内的流体力学行为 319

第10章二硫化碳耦合反应器的工业化 322
10.1半焦制二硫化碳循环流化床工艺的设计结果 322
10.1.1反应-燃烧系统简介 323
10.1.2循环流化床工艺的开工要点 327
10.1.3循环流化床的操作条件 340
10.2循环流化床工业装置工艺条件的优化 343
10.2.1操作条件对反应产率和产品分布的影响 343
10.2.2循环半焦夹带气体对产品收率和分布的影响 347
10.3工业装置燃烧器内半焦流动规律的研究 359

参考文献 366