流態化(fluidizmg)

固體顆粒在流體作用下，呈現流體樣的流動狀態，某些方面具有流體性質的現象。

將宜于流化的粒狀物料裝入有多孔底板的柱形容器內，底板下部通入流體，流體穿過多孔底板和顆粒孔隙上升，此裝置稱為床。隨著流體流速增加，會產生如下現象：當流體流速小時，床內顆粒不動，顆粒間維持一定孔隙，流體通過床層壓降隨流速呈直線增加，這種床稱固定床；當流體流速增大，床層膨脹，固體顆粒相互分離，少量顆粒在小范圍內振動時，稱膨脹床；流速進一步增大，當流體流速達到某一值時，固定床層將膨脹至一種狀態，即顆粒會在床中運動，這種情況被稱為流化開始或流化點；流速超過流化點的床層即稱為流化床；當流體速度僅稍大于流化開始所需的速度時，就形成一種所謂的穩靜流化床，在這種狀態下，即最低流化狀態，床中的顆粒表現出很少或沒有混合現象；當流體速度再增大時，床層膨脹，顆粒呈強烈運動狀態，但床層仍有清晰的有起伏的上界面，此時稱為密相流化床。當流速再增加，流體對固體的摩擦阻力等于固體顆粒的凈重力時，床層界面消失，壓降減少，顆粒被流體夾帶向上稱為稀相流化床。與密相流化床相比，稀相流化床中的固體沒有上部邊界，固體相對于容器壁作移動，固體顆粒的濃度比密相流化床中的濃度量級小得多。

流化床分類流化狀態可分為4種：(1)散式流化床。散式流化的特征是固體顆粒彼此散開，相互間似乎有一個平均自由行程。行程長度隨流體速度增加而增大，接近理想流化過程；(2)聚式流化床。聚式流化是在固定床階段，壓降隨流體的變化規律與液體流化相同。床層流化后，氣體以氣泡形式穿過床層，床內形成固體粒子聚集的濃相區與氣泡稀相區，大部分氣體以氣泡形式短路而出，床界面激烈跳動，壓降也隨之波動；(3)溝流流化床。在床層內形成流動通道，流體的絕大部分穿過床層的狹窄通道上升，稱為溝流；溝流主要與顆粒粒度、粒度分布、流體流速、床層厚度和設備結構等因素有關，溝流將造成床層密度不均、反常的溫度輪廓、死床、固體料燒結等一系列麻煩，使設備生產率降低；(4)節涌流化床。表現為床層內氣泡聚合成接近容器直徑大小，使床層內物料呈活塞形式向上運動，達到某一高度后崩裂，物料以小聚合體或單體穿過上升氣泡層似雨淋而下。節涌的發生，使床層極不均勻，固體料磨損和飛損加劇，設備內部構件因沖擊而損壞；

按床結構可分為以下3種，前兩種為密相流化床，后一種為稀相流化床。(1)有篩板流化床。由床底、床體、頂蓋、和分布板組成。根據床體幾何形狀又分為箱式、錐形、圓筒形以及組合型流化床；(2)無篩板流化床。氣體由底部中央位置和側向混合噴嘴送入，中央物料由氣流夾帶向上，周邊環形空間顆粒料借重力下降。類似噴泉，也稱噴泉床。床截面氣體與顆粒料的分布極不均勻。此種床適用于易粘結、顆粒大而均一的固體料的作業；(3)循環流化床：氣流流速增加，流化狀態越過不穩定的節涌區，固體顆粒由懸浮狀態變成為一定速度的向上運動，壓降明顯減小，固相濃度呈典型稀相，重新進入平穩作業，從而形成稀相流化床。多用于氣流輸送，又稱輸送床。近來循環流化床也用于鐵礦石還原作業。

按操作方法可分為間歇流化床、連續流化床和輸送流化床等3種。

流化介質以是液體或氣體，在大部分流化床中，流化介質多為氣體。

對于某一流化介質，表示固體散料流化性能的基本參數主要有臨界流化速度、終端流化速度、床層壓降和床層膨脹比。臨界流化速度是指流體使固體散料層開始流化時的空管流速。在流速小于臨界流化速度以前，固體床層的壓力降隨流體流速的提高而增大，當流速超過臨界流化速度后，床層壓力降將不再變化，但當流速達到一定值時，床層壓力降又開始下降。流化介質使床層壓力降開始減小的空管流速稱為終端流化速度。當流速超過終端速度時，固體料將被帶出床層，即所謂的揚析。當流體速度介于臨界流化速度和終端流化速度之間時，床層將隨流體速度的增大而增高，此時床層的高度與固定床層高度之比稱為床層膨脹比。床層的孔隙度也隨著流體速度的增大而變大，當流體速度超過終端速度時，床層孔隙度變得無限大。

影響流化質量的因素要有5個因素：(1)粒度分布。相同流化條件下，寬粒度分布比窄粒度分布的流化質量好。(2)流速。在稍高于臨界流化速度下，流化質量好；流化速度增大，流化狀況則迅速變差。對粗顆粒料，超過開始流化的過剩氣體易于呈大氣泡穿過床層；但對細顆粒料床層，則可在較大氣流范圍內實現均勻膨脹。(3)床高。不論粒度范圍是寬還是窄，床高增加，流化性能都將變差，但粒度范圍寬時，變差的趨勢要小得多。(4)床高與床徑比L／D)。隨著L／D增大，流化性能變差，易產生節涌。膨脹比越高，隨L／D增加，變差的速率越大。對膨脹比和L／D相同的床，大徑床要比小徑床流化性差。(5)分布板的設計。分布板對流化性能有很大影響，分布板的設計應以能造成良好的起始流化條件為標準。常見的分布板有多孔分布板、網屏板和密孔板。密孔板開始流化點明確，無溝流傾向；多孔板和網屏板的流化質量皆不好。多孔板底部流化程度稍差，網屏板易于堵塞形成溝流條件。

此外，流化床進口裝置和床的形狀對流化性能也有較大影響。床內設置擋網、擋板能抑制和破壞氣泡，改善兩相分布和接觸，流化質量變好。

流化技術的優缺點優點有4：(1)流化床內顆粒料混合迅速，整個床層幾乎是恒定溫度分布，無局部過熱、過冷現象；(2)氣固相充分接觸，傳熱傳質快，化學反應順利，充分顯示顆粒小、比表面大的優越性；(3)流化作業使用細顆粒料，原料處理步驟減少，無需造塊工序。在流態下進行各種過程便于實現過程連續化和自動化；(4)流化床設備簡單，生產強度大，生產裝置可小型化。

缺點有3：(1)反應器內固體料和流體料順流，特別是呈氣泡通過床層或發生溝流時，會降低固體一氣體的接觸效率，能量利用差，因此需采用多段組合床；(2)固體料在床層內迅速混合，易造成物料返混合短路，產品質量不均，降低固體料轉化率；(3)床內固體料劇烈攪動，磨損大，粉塵回收負荷大，也增加了設備磨損。

流化技術的應用第1個涉及流化的專利是1910年由菲利普斯和布耳太耳的發明，實質上是描述氣體與細分的催化劑之間的接觸，催化劑被氣體吹入反應室，反應在稀流化相內發生，產品將催化劑攜入一回收容器，催化劑由此經高密度固體料下料管返回至催化劑加料點。第一個工業規模操作的流化裝置是用來制造水煤漿或發生爐煤氣的溫克勒氣體發生爐。

流化過程的大規模應用是在1940年左右，當時美國將流化過程用于油品蒸氣的催化裂化。默弗里與其合作者于1943年首次描述了這一工藝過程。與工藝過程有關的流化方面的基礎研究早已在麻省理工學院開始進行，依據基礎研究建立了大型試驗工廠，用來試驗以立管添加催化劑的原理。當時的催化裂化裝置主要包括兩個容器，反應器與催化劑再生器。相互之間用催化劑輸送管連通，被焦炭覆蓋的催化劑離開反應器，并用空氣運送至再生器，焦炭在再生器中燒去，再生器中的催化劑通過立管離開再生器，然后被油氣帶入反應器，將反應器與再生器中一部分的密相流化床與床層上部空間及輸送管中的稀流化相巧妙地結合起來，得以使過程連續化。采用這種操作方法，巨大數量的催化劑可以很方便地予以處理。

流化床催化裂化裝置的描述及成功的操作大大地促進了流化領域內基礎與應用方面的研究，在短時間內就取得了很大的進展，其應用領域也迅速擴大。

任何流化過程的應用都屬于下述兩類：(1)化學反應與催化；(2)物理與機械過程。絕大多數的流化應用都包含化學反應與催化，因此大多數接觸裝置與系統都為此目的服務，例如溫克勒煤氣發生爐和油氣的催化裂化流化床等。流化床的物理應用主要是利用流化床極佳的傳熱特性與高度的溫度均勻性優點回收熱量，如利用流化床操作以吸收法干燥氣體或用熱的煙道氣干燥固體等。流化床機械應用的例子主要有用氣體輸送粉料和固體攪拌等。

流化床在冶金工業方面的應用始于50年代末。50年代末期，Exxon研究和工程公司與ArthurD．LittIe合作，研究用流化床技術還原細粒鐵礦石。1962年在美國路易安那州建了一臺日產5t的小型中間試驗設備，1965年在達特默斯的諾瓦斯科夏建了一臺日產300t的示范性設備，1976年建成了一座年產40萬t菲奧爾法生產直接還原鐵的工業規模工廠。50年代初美國鋼鐵公司開始研究用流化床方法生產直接還原鐵，并開發出稱為Nu-Iron法的流化床直接還原工藝，在此基礎上，經過對Nu-Iron法的改進，又發展成為HIB法。1972年建成了第一套生產設備，雖然生產中遇到了一些問題，但經過逐漸完善，至1979年已開始生產。(現已經停產)1997年澳大利亞BHP公司的Finmet法(FIOR法改進型)也已經投產。

用流化床作為反應器生產直接還原鐵，其優點是可以直接使用鐵礦粉，減少了粉礦造塊環節，反應速度快，生產效率高，缺點是工藝過程復雜，設備投資高，對原料粒度有一定限制，還原過程容易發生粉料粘結現象。

80年代以來，世界上興起了熔融還原煉鐵工藝的研究熱潮。比較典型的熔融還原工藝中，有一半以上采用流化床作熔融還原的預還原反應器。例如日本開發的DIOS法和澳大利亞CRA公司與美國Midrex公司共同開發的HI熔融還原法都采用了循環流化床作為預還原反應器。這兩種工藝的礦粉預還原度都比較低，僅還原至：FeO階段，優點是提高了氣體的利用率，允許還原氣體有較高的氧化度，同時避免了流化床還原產品的粘結現象。90年代初，美國的紐柯公司采用流化床技術生產碳化鐵取得了成功，并建成了工業規模的生產設備。’(已經停產)流化床技術除在鋼鐵工業應用外，在有色冶金方面也得到了成功的應用，如鉛鋅礦的焙燒等。它在冶金工業方面的應用除作為反應器外，近年來也用于粉料的輸送。例如，在高爐噴煤技術中采用流化技術進行煤粉輸送和噴吹等。