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1基本定義

流態(tài)化床，簡(jiǎn)稱(chēng)流化床，是一種利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱(chēng)沸騰床。

2流化床分類(lèi)

當(dāng)流速達(dá)到某一限值時(shí)，床層剛剛能被流體托動(dòng)時(shí)，床內(nèi)顆粒就開(kāi)始流化起來(lái)，這時(shí)的流體空床線(xiàn)速度稱(chēng)為臨界流化速度μmf。

散式流化床：對(duì)于液固系統(tǒng)，液體與顆粒的密度相差不大，故μmf一般很小，流速進(jìn)一步提高時(shí)，床層膨脹均勻且波動(dòng)小，顆粒在床內(nèi)的分布比較均勻，故稱(chēng)做散式流化床。

聚式流化床（氣泡床）：對(duì)氣固系統(tǒng)而言，一般在氣速超過(guò)臨界流化速度后，將會(huì)出現(xiàn)氣泡。氣速越高，氣泡造成的擾動(dòng)越劇烈，使床層波動(dòng)頻繁，這種形態(tài)的流化床稱(chēng)作聚式流化床或氣泡床。

沸騰床：在流化床中床面以下的部分稱(chēng)密相床，床面以上的部分稱(chēng)稀相床，密相床中形如水沸，故稱(chēng)作沸騰床。

湍動(dòng)床：隨著氣速的加大，流化床中的湍動(dòng)程度也跟著加劇，故有人稱(chēng)那時(shí)的情況叫湍動(dòng)床。

氣輸床：當(dāng)氣速一旦超過(guò)了顆粒的帶出速度，則粒子就會(huì)被氣流所帶走成為氣輸床。

聚式流化床中存在有明顯的兩相：主要是氣體的氣泡相（也稱(chēng)稀相）；由顆粒和顆粒間氣體所組成的乳相（也稱(chēng)顆粒相或密相），其中鼓泡流化床和湍動(dòng)流化床都屬于聚式流態(tài)化。而散式流化床是指顆粒都較均勻地分布在床層中的流化床，一般多見(jiàn)于液固流化床，在高密度氣體流化床中也會(huì)出現(xiàn) 。

3流化床的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易于維持均勻。

大量固體顆?？煞奖愕赝鶃?lái)輸送。

由于顆粒細(xì)，可以消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。

缺點(diǎn)

操作彈性低，對(duì)特定固體顆粒，液體或氣體向上流動(dòng)的速度只能在較窄的范圍內(nèi)變化，否則，固體不是被吹跑，就是吹不起來(lái)。

固體損耗大，顆粒在反應(yīng)器內(nèi)上限翻滾，顆粒之間，顆粒和反應(yīng)器內(nèi)壁，顆粒和流動(dòng)介質(zhì)之間不斷碰撞摩擦產(chǎn)生粉末被吹走，引起較大的同體損失。因此，如果固體顆粒強(qiáng)度不高，或者固體顆粒比較貴重，流化床反應(yīng)器可能不是好的選擇。

與固定床相比，在同樣的生產(chǎn)能力下，流化床體積較大，可達(dá)10倍之多。這是因?yàn)楣腆w沸騰起來(lái)需要較大的空間，加上擴(kuò)展段，增加的體積很可觀。所以，流化床反應(yīng)器比固定床占據(jù)更多的空間，制作成本也較高。

流化床的控制比固定床復(fù)雜，因?yàn)椴僮鲝椥缘停僮鳁l件不能有太大的變化，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

4流化床中的傳質(zhì)與傳熱

顆粒與流體間的傳質(zhì)

氣體進(jìn)入床層后，部分通過(guò)乳化相流動(dòng)，其余則以氣泡形式通過(guò)床層。

乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體與顆粒接觸較差 。

氣泡與乳化相間的傳質(zhì)

由于流化床反器中的反應(yīng)實(shí)際上是在乳化相中進(jìn)行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質(zhì)速率與表面反應(yīng)速率的快慢，對(duì)于選擇合理的床型和操作參數(shù)都相關(guān)。

流化床反應(yīng)器中的傳熱

由于流化床反器中的反應(yīng)實(shí)際上是在乳化相中進(jìn)行的，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質(zhì)速率與表面反應(yīng)速率的快慢，對(duì)于選擇合理的床型和操作參數(shù)都相關(guān)。

傳熱的三種形式：

①固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱

②固體顆粒與流體間的傳熱

③床層與器壁或換熱器表面的傳熱

這三種傳熱的基本形式中，前兩種傳熱速度比后一種要大得多，所以要提高整個(gè)流化床的傳熱速度，關(guān)鍵就在于提高后一種傳熱速度。

5流化床的數(shù)學(xué)模型

近年來(lái)人們對(duì)于流化床的認(rèn)識(shí)尚待深入，數(shù)學(xué)模型的研究尚在發(fā)展，這里將主要介紹兩個(gè)模型，兩相模型和鼓泡床模型。

兩相模型

流化床的兩相模型認(rèn)為：流化床內(nèi)存在一個(gè)以氣體臨界流化速度 通過(guò)的顆粒相，其余氣體則以氣泡形式通過(guò)床層的氣泡相。化學(xué)反應(yīng)僅在顆粒相中進(jìn)行，而氣泡相中沒(méi)有催化劑存在，所以不進(jìn)行反應(yīng)，但氣泡相和顆粒相間存在氣體交換。

鼓泡床模型

鼓泡床模型則認(rèn)為氣泡是流化床內(nèi)流動(dòng)、傳遞和化學(xué)反應(yīng)的決定因素，研究的實(shí)質(zhì)在于把過(guò)程的各個(gè)參數(shù)歸結(jié)在氣泡特征上，主要是氣泡大小及其上升速度。

6技術(shù)應(yīng)用

采用該方法生產(chǎn)顆粒狀多晶硅的公司主要有：挪威可再生能源公司（REC）、德國(guó)瓦克公司（Wacker）、美國(guó)HemLock和M E M C 公司等。

挪威R E C 公司是世界上惟一一家業(yè)務(wù)貫穿整個(gè)太陽(yáng)能行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的公司，是*大的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)商。該公司利用硅烷氣為原料，采用流化床反應(yīng)爐閉環(huán)工藝分解出顆粒狀多晶硅，且基本上不產(chǎn)生副產(chǎn)品和廢棄物。這一*技術(shù)使得R E C 在全球太陽(yáng)能行業(yè)中處于的地位。REC新型流化床反應(yīng)器技術(shù)（FBR）的開(kāi)發(fā)，該技術(shù)使多晶硅在流化床反應(yīng)器中沉積，而不是在傳統(tǒng)的熱解沉積爐或西門(mén)子反應(yīng)器中沉積，因而可極大地降低建廠投資和生產(chǎn)能耗。在過(guò)去幾年中，REC進(jìn)行了該技術(shù)的試產(chǎn)。2006年計(jì)劃新建利用該技術(shù)生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的工廠，預(yù)計(jì)2008年達(dá)產(chǎn)，產(chǎn)能6500t。此外，REC正積極開(kāi)發(fā)流化床多晶硅沉積技術(shù)（Fluidized bed polysilicon deposition，預(yù)計(jì)2008年用于試產(chǎn)）和改良的西門(mén)子- 反應(yīng)器技術(shù)（Modified Siemens-reactor technology）。

德國(guó)瓦克公司開(kāi)發(fā)了一套全新的粒狀多晶硅流體化反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)工藝。該工藝基于流化床技術(shù)（以三氯硅烷為給料），已在兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆中進(jìn)行了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)，瓦克公司最近投資了約2億歐元，在德國(guó)博格豪森建立新的超純太陽(yáng)能多晶硅工廠，年生產(chǎn)能力為2500t，加上其它擴(kuò)建措施，新工廠的投產(chǎn)將使瓦克公司在2008年達(dá)到9000t的年生產(chǎn)能力，最終于2010年達(dá)到11 500t的產(chǎn)能。

美國(guó)Hemlock公司將開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)性顆粒硅生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)降低硅的成本，Helmlock公司計(jì)劃在2010年將產(chǎn)能提高至19 000t。MEMC公司則計(jì)劃在2010年底其產(chǎn)能達(dá)到7000t左右。