序言：

丛书序
科技立则民族立，科技强则国家强。党的十九届五中全会提出了坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。高校作为国家创新体系的重要组成部分，是基础研究的主力军和重大科技突破的生力军，肩负着科技报国、科技强国的历史使命。
中国石油大学（北京）作为高水平行业领军研究型大学，自成立起就坚持把科技创新作为学校发展的不竭动力，把服务国家战略需求作为最高追求。无论是建校之初为国找油、向科学进军的壮志豪情，还是师生在一次次石油会战中献智献力、艰辛探索的不懈奋斗；无论是跋涉大漠、戈壁、荒原，还是走向海外，挺进深海、深地，学校科技工作的每一个足印，都彰显着“国之所需，校之所重”的价值追求，一批能源领域国家重大工程和国之重器中都有我校的贡献。
当前，世界正经历百年未有之大变局，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，“双碳”目标下我国经济社会发展全面绿色转型，能源行业正朝着清洁化、低碳化、智能化、电气化等方向发展升级。面对新的战略机遇，作为深耕能源领域的行业特色型高校，中国石油大学（北京）必须牢记“国之大者”，精准对接国家战略目标和任务。一方面要“强优”，坚定不移地开展石油天然气关键核心技术攻坚，立足油气、做强油气；另一方面要“拓新”，在学科交叉、人才培养和科技创新等方面巩固提升、深化改革、战略突破，全力打造能源领域重要人才中心和创新高地。
为弘扬科学精神，积淀学术财富，学校专门建立学术专著出版基金，出版了一批学术价值高、富有创新性和先进性的学术著作，充分展现了学校科技工作者在相关领域前沿科学研究中的成就和水平，彰显了学校服务国家重大战略的实绩与贡献，在学术传承、学术交流和学术传播上发挥了重要作用。
科技成果需要传承，科技事业需要赓续。在奋进能源领域特色鲜明世界一流研究型大学的新征程中，我们谋划出版新一批学术专著，期待学校广大专家学者继续坚持“四个面向”，坚决扛起保障国家能源资源安全、服务建设科技强国的时代使命，努力把科研成果写在祖国大地上，为国家实现高水平科技自立自强，端稳能源的“饭碗”作出更大贡献，奋力谱写科技报国新篇章！

中国石油大学（北京）校长
2021年11月1日  

前言：

气固流化床反应器是利用气固流态化的原理，将固体颗粒悬浮在气体中，在固体和气体之间进行质量和能量传递，并在颗粒内孔或表面发生反应，具有质量、能量传递速率快、温度均匀、易于大规模连续操作等优点。气固流化床反应器在化工和石油化工领域具有非常广泛的用途。流化催化裂化（FCC）、甲醇制烯烃（MTO或MTP）、燃煤锅炉、吡啶碱合成等过程中都用到了气固流化床。在石油炼制行业，气固流化床发展较为迅速，尤其是在流化催化裂化工艺过程中。经过50多年的发展，我国已积累了丰富的研究成果和工业化经验，实现了催化剂、工艺、工程和装备全面国产化，整体技术达到国际先进水平，自主开发出的DCC、MIP等催化裂化家族技术已出口国外。近年来，一些化工过程也在尝试从传统的固定床操作跃升到流化床操作，但由于规模较小、应用装置少、国外公司技术壁垒、研究基础薄弱等诸多原因，这些化工过程的气固流化床反应器技术发展相对较慢，尤其是缺乏从小型热态实验、大型冷态流体力学实验到工业侧线、工业化应用，这一流化床反应器开发全过程的基础数据和研究结果，从而导致这些化工过程的气固流化床反应器普遍存在器内传递受限、气固接触效果差、能耗高、排放超标、无法实现长周期运转等一系列问题。本书选取了吡啶碱合成和二硫化碳合成两个典型化工过程作为范例，系统地介绍了耦合气固流化床反应器开发全过程的研究结果和大量工业运行基础数据，以期为相同或相近化工过程的研究者和工程师提供一些参考和借鉴。
实现高效低毒农药的自主安全生产是我国农药发展的重大战略需求，关系到我国农业的战略安全。吡啶及其衍生物是目前杂环化合物中开发应用范围最广的品种之一，被称作是“三药”（农药、医药和兽药）及其“三药”中间体的“芯片”。我国是全球吡啶碱及其下游产品的主要生产和消费国，高效地合成吡啶碱对我国农药行业、甚至我国农业的发展和战略安全都有着重要的意义。目前，我国吡啶碱的生产主要存在以下“卡脖子”问题：（1）吡啶碱合成装置普遍存在反应器分布器频繁结焦的问题，开工周期一般只有3～4个月，远低于美国Vertellus等国际生产商的开工周期（1年以上），不但生产能力低下，而且能耗和排放等指标居高不下。（2）我国目前已经实现吡啶碱生产工艺和催化剂技术的国产化，但是反应器技术一直没有摆脱受制于人的局面，相关技术被美国Vertellus、UOP等国际专利商垄断。一方面，花费大量外汇购买的国外专利技术存在代差，导致装置在运行中普遍存在开工周期短、能耗高、排放量大等一系列问题；另一方面，核心反应器技术掌握在外方手中，使我国农药行业甚至农业都存在着巨大的隐患，极大地威胁我国农业的战略安全。针对这一现状，笔者研究团队开发出了一种新型的耦合流化床反应器。工业化结果表明，新型反应器彻底解决了以上“卡脖子”难题，并实现了较高的产品收率。
本书第1章至第3章介绍了流态化基本原理、催化裂化过程气体分布器并对工业流化床反应器流动问题进行剖析。第4章至第7章详细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。
二硫化碳是一种应用十分广泛的化工原料，目前合成二硫化碳主要采取木炭合成法，采用固定床反应器。该方法具有集成度差、劳动强度高、污染排放大、能耗高、效率低等一系列问题。另一种方法是采用天然气合成二硫化碳，由于原料价格昂贵，大大限制了产品的利润。针对这一现状，笔者研究团队开发出了一种高效的耦合流化床反应器，一套流化床装置就达到了近500台固定床反应器的产能，与此同时极大地降低了能耗和排放量。本书第8章至第10章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。
本书内容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，也凝聚了研究团队范怡平教授和程文嘉、孙祥虎、穆长春、秦迪、周帅帅等一大批研究生的辛勤付出。
由于编者水平有限，书中可能存在不妥和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

著者
2021年2月

目录：

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