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[摘 要]三聚氰胺催化剂的流化特性是三聚氰胺流化床反应器设计与生产操作的重要基础数据。通过搭建一套Φ186mm的流化床冷模试验装置，试验测定三聚氰胺催化剂在流化床中的轴向颗粒密度分布、不同操作气速下的沉降分离高度（TDH）以及饱和夹带量，得出三聚氰胺催化剂的流化特性，并归纳出了相应的经验计算式，为实际生产提供参考。
[关键词]流化床；揚析；夹带；三聚氰胺催化剂
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0377-01
引言
工业生产三聚氰胺是将肥料级的尿素颗粒加入到流化床反应器中，以流态化的Al2O3为催化剂[1]，催化剂在床中的流化特性对三聚氰胺产率、能耗以及质量至关重要，虽然以往学者做过大量的关于流化颗粒的试验，并提出很多关于这些流化参数的预测公式，但文献中并没有关于三聚氰胺催化剂流化特性的记录，相关的经验公式也不能准确预测它，为了进一步了解它，需要对其进行试验分析。
1实际生产中的流态化
在气固流态化中，流体从下往上通过固体颗粒床层时，随着流体速度u增大，颗粒从静止开始有微小运动，并且床层膨胀，之后便会有一些夹带细小颗粒的气泡间断不连续地穿过床层，当u增大到某一值时，颗粒将从床顶开始溢出，直到全部颗粒都被吹出。
流化床一般分成四个组成部分，床表面和气体出口段的区域被称作自由空域，该区域催化剂颗粒分布较稀散，比床表面略高的区域称为弹射区域，该区域大颗粒因重力的作用大于向上的浮力，会回落下来。弹射区以上的区域，向上流动的较细颗粒会随着高度增大而逐渐沉降下来，该区域称为沉降分离高度（TDH）。沉降分离高度以上的区域叫稀相运输区，该区域所有颗粒会被带出床体。表示气体从床层中将固体夹带入自由空域的现象称为夹带。颗粒的带出速率称为饱和夹带量，它是反映流化床稀相区的主要参数之一。
为了稳定操作，夹带出的颗粒必须用旋风分离器从气流中分离出来，然后返回床层。合理的气速能减少催化剂颗粒之间的磨损，降低催化剂的损失量，还能够降低能耗。流体速度是影响床层传热、传质性能的关键因素之一。
2试验装置及试验方法
（1）试验装置
本试验采用有机玻璃床体，床体分为两段，通过法兰连接，由侧面进气。旋风分离器筒体高度为170mm，进口采用圆形截面，内径为Φ40mm，出口内径为Φ55mm。旋风分离器总高为700mm（不包括排气口和排料口）。料腿高2430mm，内径为Φ85mm。试验采用罗茨鼓风机供气，排气量为0.15～150m3/min。通过转子流量计控制气量大小，使气流经布风板均匀的流过流化床。
（2）试验方法
流化床上固定有标尺，可读出催化剂颗粒的膨胀高度。通过天平、量筒可以测量三聚氰胺催化剂的堆积密度。
因为TDH以上的颗粒轴向浓度不再变化，故当压降不再变化时（即轴向密度不变时）的高度为沉降分离高度。此高度的具体数值可根据测压点在床中的位置得出。
测量单位时间旋风分离器分离下来细颗粒的量来表示饱和夹带量的大小。因为试验时气量大于20m3/h后夹带才开始明显的。故选取气量为20m3/h，30m3/h，40m3/h，50m3/h，60m3/h时的饱和夹带量为基础数据。具体操作过程为：由转子流量计调节好气量，待分离下来的细颗粒稳定后，截开料腿，侧取一定时间内分离下来的颗粒质量，从而得到单位时间内的饱和夹带量（g/s）。
3试验数据分析
（1）三聚氰胺催化剂的轴向密度分布
当床层较高时，三聚氰胺催化剂的轴向密度为定值，这是因为该范围内的细颗粒都被上升的气体所带出；在中间部分，颗粒轴向密度随床高的降低减小幅度较大，该范围内较粗颗粒会因重力的作用逐渐沉降下来，气体与颗粒的交换、摩擦较为剧烈；床层较低时，颗粒的轴向密度分布随床高的减小逐渐趋于直线分布，该范围内气流从颗粒之间的缝隙通过床层，因颗粒之间的粘聚、摩擦力使得轴向密度分布基本不随气速的变化而变化。曲线在床高为0.2m左右时出现交叉，这是由于此处离分布板较近，颗粒之间的缝隙也因重力较大而缩小，气流从板孔通过后，先汇聚至某一高度后再分布开来。
（2）三聚氰胺催化剂的沉降分离高度TDH
TDH表示轴向密度不再随床高变化时的床层高度，故可根据轴向密度分布图3.1 得出不同气速下的沉降分离高度TDH。当轴向密度开始垂直于X轴时，轴向密度为定值。三聚氰胺催化剂的沉降分离高度TDH随气速的升高而增高，当气速u < 0.45m/s时，TDH近似呈线性分布，当气速u >0.45m/s时，TDH近似呈对数分布。
这是因为随着气速的增高，气泡在床表面破裂所获得的动能越大，气泡数量也越多，同时压降的升高也使得颗粒向上的浮力增大，从而导致自由空域内气流及悬浮颗粒的湍动加剧，重力的作用越不明显，TDH随之增大。当气速u> 0.45m/s时，由于上升颗粒受到的空气阻力的作用越加明显，TDH的增大幅度将不断减少，直到颗粒受到的向上浮力大于所受重力时，催化剂颗粒将被全部吹出流化床，沉降分离高度TDH趋于无穷大。
（3）流化床催化剂颗粒饱和夹带量
饱和夹带量是流化床操作、设计中的重要参数，因为它直接决定了旋风分离器的进口参数，以及自由空域内的反应情况。
试验中透过容器壁可以看出，当气速u> 0.2 m/s 时，夹带才开始明显的，此时旋风分离器出口有细颗粒分离出来经料腿重新回到流化床里，当气速 较小时，悬浮颗粒因自身重力的作用，并不能离开流化床体。选取气量为（20、30、40、50、60）m3/h，每改变一次气量，测量3次旋风分离器分离下细颗粒的速率，并求取平均值作为饱和夹带量的值，可以看出饱和夹带量随气速近似呈抛物线分布，这主要是因为气速越大，上升气流对催化剂颗粒的作用力要比催化剂颗粒之间的粘聚力的作用力越强，流化床内气流湍动程度越剧烈，这也说明三聚氰胺催化剂的传质效果随气速的增加呈抛物线增长。
4试验结论
三聚氰胺催化剂的沉降分离高度随上升气速的增大而增大，但uf=0.45m/s为一转折点，在它之前TDH随气速呈直线分布，之后斜率逐渐减小，这是因为空气阻力随速度呈三次方增长，壁面摩擦和空气阻力以及碰撞影响随气速越大越加明显。可将其总结为如下经验算式：
它可以作为预测三聚氰胺催化剂沉降分离高度的经验公式。
试验测定了TDH以上的三聚氰胺催化剂的饱和夹带量，即旋风分离器料腿分离下来的细颗粒，它随气速的上升呈抛物线上升，气速大于0.2m/s后夹带变的十分明显，可总结如下经验算式：
参考文献
[1]宋宁，耿月霞.三聚氰胺的生产与现状[J].河北化工，1998，1（3）：47-48.
[2]金涌，祝京旭，汪展文，愈芷青.流态化工程原理[Z].北京：清华大学出版社，2001.
作者简介：于鹏玉（1990-1-03），男，宁夏中宁县，神华宁夏煤业集团烯烃一分公司助理工程师、本科，流化床反应器。
[关键词]流化床；揚析；夹带；三聚氰胺催化剂
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0377-01
引言
工业生产三聚氰胺是将肥料级的尿素颗粒加入到流化床反应器中，以流态化的Al2O3为催化剂[1]，催化剂在床中的流化特性对三聚氰胺产率、能耗以及质量至关重要，虽然以往学者做过大量的关于流化颗粒的试验，并提出很多关于这些流化参数的预测公式，但文献中并没有关于三聚氰胺催化剂流化特性的记录，相关的经验公式也不能准确预测它，为了进一步了解它，需要对其进行试验分析。
1实际生产中的流态化
在气固流态化中，流体从下往上通过固体颗粒床层时，随着流体速度u增大，颗粒从静止开始有微小运动，并且床层膨胀，之后便会有一些夹带细小颗粒的气泡间断不连续地穿过床层，当u增大到某一值时，颗粒将从床顶开始溢出，直到全部颗粒都被吹出。
流化床一般分成四个组成部分，床表面和气体出口段的区域被称作自由空域，该区域催化剂颗粒分布较稀散，比床表面略高的区域称为弹射区域，该区域大颗粒因重力的作用大于向上的浮力，会回落下来。弹射区以上的区域，向上流动的较细颗粒会随着高度增大而逐渐沉降下来，该区域称为沉降分离高度（TDH）。沉降分离高度以上的区域叫稀相运输区，该区域所有颗粒会被带出床体。表示气体从床层中将固体夹带入自由空域的现象称为夹带。颗粒的带出速率称为饱和夹带量，它是反映流化床稀相区的主要参数之一。
为了稳定操作，夹带出的颗粒必须用旋风分离器从气流中分离出来，然后返回床层。合理的气速能减少催化剂颗粒之间的磨损，降低催化剂的损失量，还能够降低能耗。流体速度是影响床层传热、传质性能的关键因素之一。
2试验装置及试验方法
（1）试验装置
本试验采用有机玻璃床体，床体分为两段，通过法兰连接，由侧面进气。旋风分离器筒体高度为170mm，进口采用圆形截面，内径为Φ40mm，出口内径为Φ55mm。旋风分离器总高为700mm（不包括排气口和排料口）。料腿高2430mm，内径为Φ85mm。试验采用罗茨鼓风机供气，排气量为0.15～150m3/min。通过转子流量计控制气量大小，使气流经布风板均匀的流过流化床。
（2）试验方法
流化床上固定有标尺，可读出催化剂颗粒的膨胀高度。通过天平、量筒可以测量三聚氰胺催化剂的堆积密度。
因为TDH以上的颗粒轴向浓度不再变化，故当压降不再变化时（即轴向密度不变时）的高度为沉降分离高度。此高度的具体数值可根据测压点在床中的位置得出。
测量单位时间旋风分离器分离下来细颗粒的量来表示饱和夹带量的大小。因为试验时气量大于20m3/h后夹带才开始明显的。故选取气量为20m3/h，30m3/h，40m3/h，50m3/h，60m3/h时的饱和夹带量为基础数据。具体操作过程为：由转子流量计调节好气量，待分离下来的细颗粒稳定后，截开料腿，侧取一定时间内分离下来的颗粒质量，从而得到单位时间内的饱和夹带量（g/s）。
3试验数据分析
（1）三聚氰胺催化剂的轴向密度分布
当床层较高时，三聚氰胺催化剂的轴向密度为定值，这是因为该范围内的细颗粒都被上升的气体所带出；在中间部分，颗粒轴向密度随床高的降低减小幅度较大，该范围内较粗颗粒会因重力的作用逐渐沉降下来，气体与颗粒的交换、摩擦较为剧烈；床层较低时，颗粒的轴向密度分布随床高的减小逐渐趋于直线分布，该范围内气流从颗粒之间的缝隙通过床层，因颗粒之间的粘聚、摩擦力使得轴向密度分布基本不随气速的变化而变化。曲线在床高为0.2m左右时出现交叉，这是由于此处离分布板较近，颗粒之间的缝隙也因重力较大而缩小，气流从板孔通过后，先汇聚至某一高度后再分布开来。
（2）三聚氰胺催化剂的沉降分离高度TDH
TDH表示轴向密度不再随床高变化时的床层高度，故可根据轴向密度分布图3.1 得出不同气速下的沉降分离高度TDH。当轴向密度开始垂直于X轴时，轴向密度为定值。三聚氰胺催化剂的沉降分离高度TDH随气速的升高而增高，当气速u < 0.45m/s时，TDH近似呈线性分布，当气速u >0.45m/s时，TDH近似呈对数分布。
这是因为随着气速的增高，气泡在床表面破裂所获得的动能越大，气泡数量也越多，同时压降的升高也使得颗粒向上的浮力增大，从而导致自由空域内气流及悬浮颗粒的湍动加剧，重力的作用越不明显，TDH随之增大。当气速u> 0.45m/s时，由于上升颗粒受到的空气阻力的作用越加明显，TDH的增大幅度将不断减少，直到颗粒受到的向上浮力大于所受重力时，催化剂颗粒将被全部吹出流化床，沉降分离高度TDH趋于无穷大。
（3）流化床催化剂颗粒饱和夹带量
饱和夹带量是流化床操作、设计中的重要参数，因为它直接决定了旋风分离器的进口参数，以及自由空域内的反应情况。
试验中透过容器壁可以看出，当气速u> 0.2 m/s 时，夹带才开始明显的，此时旋风分离器出口有细颗粒分离出来经料腿重新回到流化床里，当气速 较小时，悬浮颗粒因自身重力的作用，并不能离开流化床体。选取气量为（20、30、40、50、60）m3/h，每改变一次气量，测量3次旋风分离器分离下细颗粒的速率，并求取平均值作为饱和夹带量的值，可以看出饱和夹带量随气速近似呈抛物线分布，这主要是因为气速越大，上升气流对催化剂颗粒的作用力要比催化剂颗粒之间的粘聚力的作用力越强，流化床内气流湍动程度越剧烈，这也说明三聚氰胺催化剂的传质效果随气速的增加呈抛物线增长。
4试验结论
三聚氰胺催化剂的沉降分离高度随上升气速的增大而增大，但uf=0.45m/s为一转折点，在它之前TDH随气速呈直线分布，之后斜率逐渐减小，这是因为空气阻力随速度呈三次方增长，壁面摩擦和空气阻力以及碰撞影响随气速越大越加明显。可将其总结为如下经验算式：
它可以作为预测三聚氰胺催化剂沉降分离高度的经验公式。
试验测定了TDH以上的三聚氰胺催化剂的饱和夹带量，即旋风分离器料腿分离下来的细颗粒，它随气速的上升呈抛物线上升，气速大于0.2m/s后夹带变的十分明显，可总结如下经验算式：
参考文献
[1]宋宁，耿月霞.三聚氰胺的生产与现状[J].河北化工，1998，1（3）：47-48.
[2]金涌，祝京旭，汪展文，愈芷青.流态化工程原理[Z].北京：清华大学出版社，2001.
作者简介：于鹏玉（1990-1-03），男，宁夏中宁县，神华宁夏煤业集团烯烃一分公司助理工程师、本科，流化床反应器。