【会刊荐读】金涌院士等专家：中国流态化技术研发史略

中国流态化技术研发史略

金涌1，程易1，白丁荣2，张晨曦1，魏飞1

1清华大学化学工程系，绿色反应工程与工艺北京市重点实验室，北京 100084；2沈阳化工大学资源化工与材料教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110142

引用本文

金涌, 程易, 白丁荣, 等. 中国流态化技术研发史略[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 2761-2780.

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0218

摘要：

现代流态化技术始于20世纪40年代其在石油催化裂化工艺的成功应用，迄今已有近80年的发展历史。在中国，流态化技术在经历了艰难的初期发展阶段后，随着改革开放和科技复兴才开始深入系统的基础及其工业应用的研究，进入到快速发展的高潮期和稳定发展期。本文在回顾了世界流态化研究的起源与进展后，概述了流态化技术在中国数十年的发展历程。按照流态化技术在中国发展的三阶段，依据本文作者的亲历和认知，回顾了中国学者多年来对世界和中国流态化理论和技术发展所做的重要贡献，特别是在产业化技术方面取得的成果。最后，展望了流态化技术未来的研究和技术发展方向。

流态化是固体颗粒在流体的作用下呈现出与流体相似的流动性能的现象。利用流态化现象规模化处理固体物料加工和转化，在化学工程的发展中有着十分重要的作用和地位。采用流态化技术处理固体颗粒物料，可以实现连续化、自动化、规模化和智能化生产。与其他固体加工和转化技术相比，流态化技术传热、传质效率高，温度均匀可控，适于各种吸热、放热过程。由于细颗粒与流体间接触面积大、反应速率快、生产能力大，因而在工业生产中应用范围很广。据统计，所有化学反应与分离操作中涉及以颗粒粉体为原料直接参与过程或作为催化剂存在的过程，占到总化工加工操作的70%～80%。目前，流态化技术已被广泛应用于能源、炼油、化工、冶金、轻工、动力、环保、选矿、有色金属、建材、食品、制药等行业领域，包括固体物料的输送、混合、分级、干燥、吸附等物理过程以及燃烧、煅烧和许多催化反应过程，有些已成为该行业加工处理固体物料的首选技术 。其次，流态化技术的生产效率高，处理能力大，设备结构简单，可根据过程特点和要求组合成平推流、全混流、多级釜式串联及循环流和其间的各种组合模式，可以有效调控反应器内物料组成与温度时空分布，合理安排和实现热量和物料移入和移出，与欲达到类似效果的外取热式固定床反应器相比，优势尤为明显。

从基础科学的角度，流态化是把连续介质和离散介质叠加在一起形成的一种新形态。在这种新形态下，离散介质的某些特性丧失，如堆积角、压力、传递特性等，但离散介质特性如密度、粒度、粒度分布、形状等对固体颗粒流动行为仍有重要影响。形成的新的两相连续介质的运动特性，如滞流、湍流、浓度分布等具有了与单一连续介质大部分运动相似或相同的特质，并可以出现一些单一连续介质没有的新运动形态，如节涌、噎塞突变、多尺度结构等，但重力和温度、压力等参数的作用又会分别对两相施加影响，使两相流行为变得更加多态化。对这些新的行为的发生和演变机理的研究及其工业化应用应该是区别于连续介质力学（如水力学、空气动力学）和离散介质力学（土力学等）的一种复合介质力学体系，其魅力引发了基础研究和工程技术人员强烈的探索欲望，不断推动流态化理论的完善和技术的深入发展。

众所周知，任何一种自然现象若不能用数学定量描述，则将很难成为一门成熟的科学。在单相连续介质流体力学中，湍流的数学表达仍是物理学中古老且至今尚未成功的课题。所以在两相流态化领域，建立可预测两相流体力学行为、传热/传质交互作用和关联的多相化学反应过程及反应器的放大的数学模型，其难度可想而知。在未来的大数据时代，也许从统计力学角度出发可取得突破，本文不对这些方面深入描述。

总之，固体颗粒流态化是一个具有广泛应用和巨大商业经济价值的领域，而且机理深邃，充满科学探索魅力，可以容纳多学科、多行业交叉融合的专家介入，是研发价值诱人的科学和技术应用领域，也是复合介质力学的高端领域。所以当这一古老的物理现象被赋予丰富的科学内涵并不断在实际过程中展现出无穷科学魅力和应用潜力后，过去的七八十年来吸引了世界各国学者，尤其是美国、欧洲、日本等发达国家和地区的科技工作者争先恐后的投入。

关于流态化技术的发展，许多学者从不同角度已作了回顾和总结。纵观过去四五十年来中国科技正处于复兴之际，在物质传递与反应、能量传递与转化、信息传递与优化为范式的化工研发过程中，中国学者和世界各地的华裔学者对流态化技术研发与应用的贡献巨大，其作用是空前和重要的。本文根据作者的亲历和了解，试图对中国学者多年来对世界流态化理论和技术研发的贡献，尤其是对中国流态化技术的发展所做的主要贡献进行回顾，以供青年学者参考借鉴。值得指出的是，由于流态化技术涉及多学科、众行业交叉，参与者和相关过程甚多，本文作者受学识和经验所限难免挂一漏万，存在偏颇之处，期望读者批评指正，并在未来补充与勘正。

1

流态化技术在中国的发展历程

流态化技术在中国的发展历程，大致可以分为三个时期：酝酿、萌芽期，高潮期和平稳研发期。

1.1

酝酿、萌芽期

流态化作为一门具有科学内涵的学科，始于20世纪初期，至今已有近百年的发展历史。在我国，我们的祖先已注意到连续介质可以使离散介质悬浮的现象，而且有不少有趣轶事流传和记载。如500年前，北京潭柘寺僧人曾在用化缘得来的含有沙粒的粮食煮粥时，采用直径3.5米的大锅，锅中铸有特殊造型，底部铸有一凹槽（小锅），煮粥时锅里的水一开，米粒就往上浮，沙子就沉到小锅里了，处于悬浮状的米粥与沙粒分离，巧妙地实现了“漏沙不漏米”，至今僧人用锅尤存。16世纪宋应星所著的我国古代百科全书《天工开物》中，就生动而形象地记载了扬簸、淘洗、冶金矿物、瓷土制备等过程。

流态化技术工业化应用，一般认为是1921年前后德国巴斯夫公司Fritz Winkler研发的煤燃烧反应器。虽然这个技术在1926年工业运行成功，但后来由于各种原因并未实现大规模工业化应用。因此，流态化技术真正成为具有工业应用价值的技术应当始于20世纪40年代。当时大量石油被开采利用，采用常压精馏可直接获得20%左右的轻质油，其余重油部分采用催化裂化反应得到更多轻质油。在这一反应过程中，催化剂表面会迅速积炭，在几分钟之内就完全失去活性。所以，需要把失活催化剂转移到另一反应器（再生器）内，烧去积炭使催化剂再生。再生后的催化剂被迅速转移回反应器，从而使反应过程连续进行。如此频繁的反应-再生重复进行的化工操作是前所未有的。这时美国麻省理工学院（MIT）的Lewis等利用已有知识和经验，在新泽西标准石油公司的资助下研发了使用气流悬浮催化剂颗粒，使其连续、迅速并且大量在反应器和再生器之间转移的技术，使炼油技术获得巨大的发展。这是流态化技术首次成为具有巨大的工业和商业价值的技术，流化催化裂化技术及其所应用范围和创造的价值至今无可匹敌。

流态化在MIT学者的推动下，在石油催化裂化方面取得巨大成功，但流态化技术尚处于萌芽时期。此时在MIT师从Lewis教授学习的汪家鼎先生[图1(a)]以褐煤的流态化低温干馏为课题开展研究，并以此获得硕士学位，毕业后留校任研究助理，继续从事流态化技术研究。有关研究报道成为我国学术刊物上最早介绍流化床的研究论文。基于对流态化反应工程很深的了解，汪家鼎先生认为其必将成为世界化工发展的热点，因此在1976年支持在清华大学化工系建立反应工程团队，主攻多相流态化反应工程，为我国流态化技术的发展做出了积极贡献。

与此同时（1945年），郭慕孙先生[图1(b)]获得了美国普林斯顿大学化工系的奖学金，师从Willelm教授开展流态化基础研究。他以液固体系为研究对象进行了系统且有成效的实验，发现用水和玻璃珠颗粒操作时可以得到近理想的均匀流化状态，同时发现当加大水与颗粒之间密度差时（如改用铅珠），液固体系也能出现类似气固流化床中的气泡的液体空穴，据此系统分析了液固和气固流态化的差异，首次提出了“散式”和“聚式”流态化的概念，并建立了颗粒与流体相互作用的流动参数统一关联式，丰富了流态化的基础理论，是国际学术界公认的流态化经典之作，至今仍被广泛引用。

图1中国流态化研究引领者

汪家鼎先生1946年初回国后，在西南联合大学、重庆大学、南开大学任教，继续从事流态化和化学工程相关研究。后来在清华大学转入核化工专业领域，成为我国核化工和核燃料处理领域的带头人，为我国“两弹一星”研究做出了重要贡献。而郭慕孙先生归国后，在中国科学院化工冶金研究所成立了中国第一个流态化技术研究室，对液-固流化行为进行全面系统研究，揭示了全操作域内液速对固相含率及其在床层轴向分布的影响规律，成功预测了8种流态化类型，计算了不同颗粒和流体系统的流态化行为，分析了许多工程技术问题，进而提出了广义流态化的概念。这是我国学者在流态化领域首次提出并构建了适用于整个颗粒-流体系统和流态化的理论框架，是流态化发展历史上独树一帜的理论突破。据此，郭慕孙先生撰写的专著《流态化：垂直系统中均匀球体和流体的运动》在1963年由科学出版社出版。可以说，中国对流态化技术的真正研发应从郭慕孙先生建立的第一个研究室开始。两位前辈的创新研发方向，分别激励着流态化技术的应用推进和基本流态化规律的深入探索。中国后续流态化研发基本上是沿着这两个方向发展。

20世纪50—70年代，中国工业界采用的流态化技术主要通过学习引进。从苏联引进了萘氧化制苯酐大型反应器，从古巴引进了石油催化裂化装置，从德国引进了乙烯氧氯化制氯乙烯技术等。清华大学化工系师生用新的技术方案重新设计了苯酐流化床反应器。此外我国学者还开展了流化床焙烧、粉煤低温干馏、醋酸乙烯合成等技术研发，在流化床基础流动特性、混合和传递、分布器设计等方面也开展了一些研究。需要重点指出的是，中国科学院山西煤炭化学研究所杨贵林团队采用国产催化剂研发出来丁烯氧化脱氢生产丁二烯的技术和工艺，建成中国第一套自己研发成功的装置，并受到国家级奖励。

由于一些时代因素，20世纪50—70年代我国科技开发环境不稳定，流态化技术虽然在基础理论和实际应用中取得了不少进步，但也只能蹒跚前行。直到20世纪70年代末到80年代初，人们发现气固流化床从操作气速起始、悬浮流化到全床颗粒被吹空之间，有近几十倍的操作弹性空间。在这一宽广的气速操作区间内，都可以存在一个高颗粒密度的床层。究其原因是因为气体与颗粒间的曳力与颗粒群的聚集状态有关，随着颗粒群聚集形态和密度不同而变化。这个认识揭示了气固流态化在多种化学和物理加工方面应用的可行性，因此我国学者在气固流态化利用方面，沿着改善和强化气泡-颗粒接触的密相流化床和无气泡散式流态化的路线，结合国家发展需求，加大研究和开发投入，迎来了流态化技术在中国的发展高潮期。

1.2

高潮期

对世界流态化技术具有里程碑式贡献的研究成果是剑桥大学的Davison和Harrison以及伦敦理工大学的Rowe等在20世纪60年代完成。他们认识到部分气体在通过悬浮颗粒群时以气泡形式通过[图2(a)]，流化床中的气泡与连续介质（如水）中的气泡行为不同[图2(b)]。在固体流化状态中处于上升时的气泡，其顶端高压区气体会溢出，进入颗粒浓相，该气体又会被快速上升气泡的尾部低压区重新吸入气泡[图2(c)]。这些气体与催化剂接触并发生化学反应，气体循环所经气泡周围的区域被称之为晕层，气泡愈小，相对晕层愈厚，气体参与反应的时间愈长，而且气泡尾部低压区会吸着一部分粒子一边上升一边脱落，粒子返回浓相区，促进了流化床内强烈的物料混合。所以虽然气泡的形成和快速通过颗粒床层，降低了气固间的接触效率，但如果气泡尺寸小，破碎更新快，不仅促进了床内物料的混合，使床层温度更加均匀，对提高化学反应转化率和产品选择性也非常有利。因此，流态化条件下的气泡具有明显的正负两面性。

图2气固流化床气泡流流动 (a)、X射线

获得的流化床中气泡运动图像 (b)和

气泡与颗粒的交互作用示意图 (c)

随后，国际上很多流态化研究围绕气泡模型进行，最具代表性的工作是Kunii和Levenspiel建立的鼓泡流态化两相模型。对于20世纪70年代末、处于改革开放初期的中国学者，在惊愕国外技术发展迅速的同时，也极大地激发了他们学习国外先进技术和自主研发的热情，纷纷加入流态化基础和应用开发。鼎盛时，中国不同行业参与流态化研究集体达到几十个，陆续参加人员近千人，在我国流态化的基础研究出现前所未有的兴盛局面。一方面，中国科学院化工冶金研究所在郭慕孙先生带领下，并未跟随流态化气泡的研究热潮，而是针对气固流化床中气泡对相际接触和传递的不良影响，独辟蹊径开创了稀相流态化、快速流态化等无气泡气固接触新领域，并逐步成为流态化研究领域一个独立的、完整的理论与技术体系。另一方面，许多中国学者针对流态化气泡两面性现象开展研究，发现在逐步提高流态化气速时，两相流也会发生流型转变，即从以气泡合并长大为主导的鼓泡流化转向以气泡破碎为主导的湍动流化[图3(a)]。在湍动流化床内，颗粒湍动剧烈，气泡不断聚并和破碎，气固接触迅速更新，十分有利于提高反应的转化率和选择性。研究结果显示，以前国外推崇使用细颗粒催化剂，其原因是细颗粒（dp≈60μm）的流化床易于转入湍动流化操作域。清华大学化工系团队对湍流转变机制和发生判据进行了全方位的研究，包括颗粒粒径、粒径分布、密度、压力、温度、床径、内构件等[图3(b)]。研究结果证明，不仅细颗粒流化可以进入湍动流化，对颗粒直径较大的体系（dp=100~120μm）通过床结构优化、添加内构件等措施，也可顺利进入湍动流化区，不仅可以提高反应转化率和产品选择性，而且也可大幅增加生产能力（生产强度）。为此该团队进一步研究了新型管式分布器（变质量模型），促进气泡更新的塔型[图3(c)]和脊型[图3(d)]等多种构件，内取热套管和U型管换热器、气固快速分离器等。将这些成果用于密相流化床，清华大学化工系团队设计了合成苯酐、丙烯腈、醋酸乙烯、顺丁烯二酸酐、三聚氰胺、二甲基二氯硅烷、三氯氢硅、聚甲氧基二甲醚、金红石型钛白粉及其包膜等流化床反应器，并成功实现产业化，取得良好的经济效益，陆续获得了国家发明奖二等奖1项、国家科技进步奖二等奖3项以及部委级科技进步的一、二、三等奖10多项。该项成果被美国化学工程师协会转载（Int. Chem. Eng., 1982）并被选为10年内最佳10篇论文再次发表。在基础研究科技论文方面，一篇关于用激光荧光颗粒示踪方法研究气泡与颗粒运动影响的论文被选在第三届国际流态化会议上宣读。该论文是中国改革开放后最早在国际会议上发表的两篇论文之一。以上成绩的取得，使FLOTU（即清华大学流态化实验室）团队在国际上不断得到认可，团队带头人金涌院士因此获得美国化学工程师协会（AIChE）2006年颁发的PSRI流态化讲座教授奖。

图3鼓泡流态化向湍动流态化转变(a)、

流化气速和操作压力对流型转变的

影响(b)、促进流型转变的塔型构件(c)

和促进流型转变的脊型构件(d)

与此同时，中国学者在流化床用于化学合成研究中也取得了巨大进步。浙江大学化工系陈甘棠团队也开展了湍动流态化转变、粒度与粒度分布对流化床质量传递特性影响等基础研究，并开发出有特色的丙烯腈流化床反应器。沈阳化工研究院王尊孝团队开发出苯酐流化床反应器，利用内构件促进流型转变，强化气固接触效率，取得了很大成功，因此获得国家科技进步一等奖。中国科学院化工冶金研究所研究开发了多层流化床吸附工业废气，展现了多层流化床能够沿高度方向建立温度和浓度梯度，实现连续逆流操作的优势。在核化工领域，天津大学化工系开发了振动流化床还原UO3以及三碳酸铀酰胺分解-还原反应新技术，在将流态化技术应用于核化工过程方面做出了贡献。

为了抑制气泡长大，气固流化床可以采用外加能量场强化流态化操作性能。在这方面，中国石化石油化工科学研究院团队采用磁控流化床，有效控制相间返混，促进颗粒均匀分布，改善气固流动性能，避免床层内部出现沟流和局部过热问题，开发出己内酰胺杂质脱除工艺，获得国家发明一等奖。清华大学化工系团队采用搅拌流化床进行超细高性能CaCO3填料粉碎、表面涂膜，采用氢热等离子体反应器将煤粉直接热解生产乙炔，也全面研究了甲烷、焦油、沥青质等热裂解制乙炔，并对下游的聚氯乙烯运用外场强化的气固相方法进一步氯化生产氯化聚氯乙烯。这些过程均获得研究成果，有些已实现工业示范或应用。

中国流态化技术基础研究和应用的另一重大亮点，是低品位劣质煤流态化燃烧锅炉的成功开发和大规模应用。中国有大量褐煤、煤矸石和煤泥资源，对中小型燃煤装置有很大需求。虽然这些中小型燃煤发电效率不高，对大气污染较重，但在20世纪70—80年代国家经济发展的初期，我国研发人员针对均匀布气、锅炉腐蚀、粉尘回收、炉内脱硫等难题逐个解决，取得了重要的技术进步，一度达到成千上万台的中小型流化床锅炉在各行各业得到应用。与此同时，关于密相流化床煤气化技术在中国开始研究。特别是在美国的U-Gas气化炉在中国（上海焦化厂引进）转让失败后，中国科学院山西煤炭化学研究所汪洋团队致力于此项技术研发，在常压操作条件下获得成功，但由于它的煤粉随排灰和夹带成分大，煤的利用率较低，比起移动床鲁奇炉并没有明显优势，所以最终未能大范围应用。在流化床选矿方面，中国矿业大学陈清如团队从1984年开始进行空气重介质流化床干法分选技术研发，建立了“空气重介质稳态流化”的选矿理论，建成50t/h空气重介质流化床干法选煤系统 ，为推动我国洁净煤技术做出了卓越贡献。总之，在这一波高潮中，中国学者在流化床的应用研发中呈现万马奔腾之势，取得了多方面的成绩，难以准确和全面统计。

中国第二波次的流态化研发高潮应是以美国纽约城市大学（City University of New York）的Yerushalmi教授关于高速和快速流化床报道为起始。Yerushalmi教授提出，如从湍动流态化继续加大操作气速，流化床内的流态会发生第二次流型转变，使气相由分散的气泡相转变成为连续相，而颗粒相由均匀的乳化相变为以非均一尺度为主的分散相。这时床内没有气泡存在，但出现较高密度的颗粒聚集物，即絮状物。在我国引领这一领域的仍然是中国科学院化工冶金研究所团队。事实上，郭慕孙先生在1973年就率先提出了“快速流化床”的一维模型，预测并通过实验证明了快速流态化中颗粒聚团的存在。经过系统深入研究，郭慕孙先生团队在第三届国际流态化会议上宣读了题为“The Dynamics of Fast Fluidization”的论文。该文提出了颗粒浓度在快速床中呈上稀下浓的S型分布[图4(a)]，并基于颗粒絮状物轴向分级与扩散的动力学平衡提出了著名的Li-Kwauk轴向固含率分布模型[图4(b)]以及气固流态化流型转变相图[图4(c)]。从此郭慕孙院士团队在多年坚持流化床散式化和无气泡化的学术理念的背景下，再次引领中国团队奔向第二波次的研发高潮期。

图4快速流化床轴向空隙率典型分布(a)、

颗粒絮状物力平衡(b)和气固流态化流型

及其对应的空隙率和气速的变化关系(c)

快速流化床颗粒密度小，气固两相停留时间短，催化剂颗粒循环量大，气固接触密切，特别适合于反应时间在十数秒的快速反应。恰巧这个时期，催化裂化催化剂正在从γ-氧化铝改变成高活性的分子筛催化剂，因此需要与适合快速反应的反应器匹配，其结果使炼油技术进入了新阶段。在此背景下，在中国石化北京设计院杨启业院士和洛阳设计院陈俊武院士的带领下，中国催化裂化工业成功转型。中国炼油技术进步是依靠国内技术人员完成，其贡献十分巨大。

快速流化床在重要工业过程中取得成功，再次激发了中国学者流态化研发热情。快速流化床应用与催化裂化的成功说明，反应效果取决于反应动力学的快慢和两相接触状况的合理匹配，床内颗粒密度的影响不大，只要两相流通量比保持足够大，催化剂的负荷适量，也能获得很好的反应效果。在此认识基础上，为了应对原油日趋重质化和劣质化对催化裂化带来的挑战，中国石化石油化工科学研究院汪燮卿院士团队和中国石油大学（北京）徐春明院士团队将原油催化裂化反应化学特性与流态化特性综合优化，开发了多产轻质油的催化裂化馏分油加氢处理工艺与选择性催化裂化工艺集成技术，按反应空间分区的催化裂化技术，包括焦化蜡油催化裂化分区技术[图5(a)]、重油分级分区催化裂化技术[图5(b)]及催化裂化汽油辅助反应器改质降烯烃技术[图5(c)]等。由于在同一反应器中采用同样的反应条件难以与原料组成及其性质合理匹配，导致轻质油品收率损失，产品质量恶化，为此把催化裂化过程拆解成裂解和氢转移两个过程，其中裂解反应速度快、反应温度高，而氢转移反应温度低50℃左右、反应速度慢，所以采取分级分区催化裂化技术可以使转化率提高7.25%，轻质油收率提高6.39%，干气和焦炭总选择性降低1.18%。

图5焦化蜡油催化裂化分区技术(a)、

重油分级分区催化裂化技术(b)和催化

裂化汽油辅助反应器改质降烯烃技术(c)

快速流化床在中国应用的第二个重大突破是先进燃煤循环流化床锅炉的成功研发和工业应用。参与开发的有浙江大学热能系团队、清华大学热能系团队、中国科学院工程热物理研究所团队及其他国内许多单位。其中，清华大学热能系岳光溪院士团队创建了定态设计方法，即依据流化图谱选择既能够满足燃烧又能最大程度降低锅炉磨损的操作状态[图6(a)]，然后通过提高参与颗粒循环的细颗粒含量（称为有效颗粒），减小不参与颗粒循环的粗颗粒（称为无效颗粒）含量，使得锅炉底部密相区浓度降低，由传统鼓泡流态化状态转为湍动流态化；同时，锅炉上部颗粒浓度增大，由传统的稀相输送转为快速流态化，实现锅炉内“流态重构”[图6(b)、(c)]。在此理论基础上，开发了系列自主知识产权的节能型和超低排放型循环流化床锅炉产品，并大规模产业化应用，完成了世界最大容量超临界600MW循环流化床研发，被国际能源组织认为是国际循环流化床技术发展的里程碑事件。此外，借鉴燃烧理论和锅炉结构经验，进行煤气化技术创新，开发了水煤浆水冷壁气化炉，性能优越，并迅速实现了产业化。这些研究为我国燃煤节能环保做出了杰出贡献。

图6循环流化床锅炉定态设计图谱(a)、

流态重构示意图(b)和循环床锅炉中有效

和无效颗粒轴向密度分布(c)

快速流化床在中国应用的另一个重大突破是由西安建筑科技大学徐德龙院士团队完成的，以悬浮预热预分解技术为核心的新型水泥干法生产工艺的系统研究和工业应用。该团队开创性地提出了高固气比悬浮换热和反应理论，实现了高固气比预热预分解技术，建成和改造了120多条干法水泥生产线，创造了巨大的经济效益。

到20世纪90年代，中国的流态化研发进入了第二波高潮的后期，在许多领域已处于世界前沿。其重要标志有以下几个方面。

（1）气固并流的下行床

20世纪80年代末，国际上对重质原油轻质化加工需求增加，清华大学化工系团队瞄准这一需求，提出开发新型超短接触反应器，有效控制催化裂化反应时间，提高轻质油品收率。为此，在国内外首先开展超短接触气固下行流化床反应器的基础研究。实验和研究结果表明，气固两相在顺重力场向下流动时，由于重力和曳力平衡关系的变化，气固流动呈现三个特征阶段[图7(a)]：①第一加速段，气体速度大于颗粒速度，重力和曳力同时向下；②第二加速段，颗粒加速超过气体速度，曳力作用方向向上但依然小于重力；③恒速运动段，气体和颗粒速度达到稳定，向上作用的曳力和向下作用的重力达到平衡。由于这种独特的气固流动方式，颗粒向下行运动时速度虽然超过局部气速，但同样在曳力作用下，处于悬浮状态，具有与普通流化床相同的诸如压力传递等特性，而且其径向气-固两相速度和浓度分布比气固向上流动的提升管均匀得多[图7(b)~(d)]。在壁面附近出现颗粒浓环，而颗粒滑落速度小、气固返混少，径向扩散系数也不小于上行床[图7(e)、(f)]，因此在下行床中，气固两相流动更接近平推流，有利于反应的精准调控。

图7清华大学气固下行流化床装置示意图(a)、

下行床中气固两相轴向流动特征(b)~(d)和

下行床中颗粒浓度、气体速度和颗粒速度的

径向分布及其与上行提升管的比较(e)~(f)

然而，当下行床应用于石油催化裂化时，可能由于床内固相密度低，喷油进料时可能大部分喷射到对面器壁上，加剧结焦。为此，清华大学团队将油喷嘴设置在上行输送颗粒转向U型管前[图8(a)]，形成了提升管-下行管耦合反应器，有效地解决了这个问题。实验结果表明，此处颗粒密度高，混合激烈，油料与催化剂接触均匀，形成了一个化学反应器的最佳组合，即全混流串联一个平推流的化学反应器组合。在此条件下，只要保持足够颗粒循环量，气体与催化剂比适宜即催化剂负荷恰当，就能够实现优良的反应效果。在15万吨/年处理能力的工业示范反应装置[图8(b)]的实验结果表明，可使轻烃和芳烃收率达到45%左右。该技术成果开发后转让给了巴西石油公司。

图8提升管-下行管耦合反应器示意图(a)和

山东济南炼油厂15万吨/年油催化裂化中试

装置照片(b)

（提升管直径380mm、高40m，床内径480mm、高15m）

近年来，随着“碳达峰、碳中和”（双碳）目标的推进，石油炼制工业进入巨大的变革时期。未来，石油炼制的目标将不再是生产汽油、柴油、煤油、润滑油，而是要多产烯烃、芳烃等化学品，为高分子材料提供单体。在这一趋势愈加明显时，世界最大石油炼制公司沙特阿美与清华大学签订合作协议，共同开展新一代下行床石油催化裂化高产化学品的实验研究。目前实验结果表明，轻烃与芳烃收率已可达到近70%。然而，考虑到这一革命性技术如果产业化，将会牵动和影响国内外石油公司利益，其产业化过程将会遇到各种困难。

由于下行流化床展现出的特征优势，中国学者在其他领域也同期开展了卓有成效的基础研究和工业应用尝试。在华东理工大学于遵宏教授的带领下，将并流式反应器成功应用于煤气化过程，研发的四喷嘴对冲煤气化技术和装置。多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用撞击流（图9），实现水煤浆和气化剂的有效混合并强化热质传递，实践证明气化效果远优于国外水煤浆气化技术，有效气成分CO+H2体积分数达83%左右，碳转化率高于98%，比煤耗和比氧耗均比国外技术降低7%以上。目前该技术已占据国内外水煤浆气化市场60%以上，单台装置处理能力已达到每天4000吨煤，成为新一代大型煤化工的龙头技术，为我国煤化工技术占据世界前沿贡献巨大。

图9华东理工大学研发的多喷嘴对

置式水煤浆气化技术原理示意图

（2）新一代煤化工技术

中国资源禀赋具有“富煤贫油少气”的显著特点，因此发展以煤为原料制备化工产品不仅具有重要的战略意义，也具有巨大经济潜力。中国流态化技术学者在此背景下，在能源产业大力研发了新一代煤化工技术。其中最成功的代表是由中国科学院大连物理化学研究所刘中民院士团队主导的流化床甲醇制乙烯技术[图10(a)]。该团队经过30多年的研发，从实验室小型流化床反应器开始，经过中试、示范，最后放大到直径逾10米的工业规模流化床反应器[图10(b)、(c)]，成功解决了反应动力学、催化剂失活和再生与流态化行为之间的合理匹配，取得了巨大成功。该技术的成功研发和应用，打通了由煤制烯烃的路线，弥补了石油路线原料的不足，产能已达到了1300万吨/年，成为流态化技术应用于煤化工的世界级亮点。

图10流态化甲醇制制烯烃技术路线(a)、

流态化甲醇制制烯烃反应器装置(b)和

流态化甲醇制制烯烃装置的三维模型(c)

此外，清华大学化工系团队利用流态化技术，在甲醇制芳烃、CO2加氢制航空煤油的研发也取得重要突破。该团队提出了“分区分功能转化的甲醇芳构化”理念，即将流化床分成三个区，分别进行反应活性适中的甲醇与烷烃（如丁烷、戊烷）中温芳构化、难转化的烷烃（如丙烷）的高温芳构化以及易转化为烯烃的低温烷基化或中温芳构化。为了减少柴油机产生的废气污染，清华大学化工系团队和山东玉皇化工(集团)有限公司合作开发了聚甲氧基二甲醚流态化合成技术，以甲醇-甲醛-多聚甲醛为原料路线，采用专用固体酸催化剂和气液固三相多级流化床反应器，在山东菏泽建成万吨级示范装置，目前已产业化应用。

（3）多级逆流流化床反应器

一般认为，流化床反应器有一个重要不足之处，即难于组织多级逆流操作。由于采用多级流化床串联操作理论上是可行的，但在实际操作时，层间颗粒溢流管常常由于气泡窜入而被吹空，使大量气体短路，导致操作难以稳定进行而失败。清华大学化工系团队的研究发现，问题可以通过让层间的分布板开孔率尽量大些（如15%左右）解决，使通过分布板压降∆p2尽量小，同时，保持底部溢流口较小；最关键的是溢流管容积要远远大于溢流颗粒通量对应的体积，这时虽有气泡可能会窜入溢流管内，但这些气泡可以从溢流管溢出，并且溢出后溢流管内还有大量颗粒存储而迅速封堵溢流管出口处，使反应器的操作迅速恢复正常。基于这项研究建立的技术被成功应用于硝基苯加氢制苯胺多层流化床反应器（图11）。使用新型两段流化床反应器，结合使用该团队开发的高压降变质量流管式气体分布器和脊型内构件，有效改善增强了气固接触，抑制了气体返混，促进了硝基苯的深度转化（转化率达到99.99%）。苯胺被用于生产人造革时，如硝基苯没有被除尽，成品人造革作为汽车等内装饰时会带有异味，这项技术的重要性在于改善这一点所以研发的流化床反应器在全行业中普遍使用。

图11多层气固流化床示意图

中国流态化技术研发在这一高潮时期处于较长的繁荣发展阶段，因此有众多具有极高科学价值和应用意义的科技论文在国内外发表。据不完全统计，自2006年以来，中国学者共发表（Web of Science检索）论文近8000篇[图12(a)]，其中以中国科学院、东南大学、清华大学、浙江大学等发表论文数量居前[(图12(b)]。特别是，中国学者积极参加了多届国际流态化会议、国际循环流化床会议及其他相关会议。已有郭慕孙院士、岳光溪院士、金涌院士、李静海院士先后获得了国际循环流化床（CFB）界的成就奖，郭慕孙院士和金涌院士获得了美国化学工程师协会（AIChE）颁发的PSRI讲座奖。同时，中国也组织了如国际流态化会议、国际循环流化床会议、中日流态化会议、中日颗粒学会议等重要学术会议，极大地推进了我国学者和国际同行的交流，每次会议都有数百位学者参加。

图12中国学者及前20名研发单位近年来

发表的流态化相关论文统计

（Web of Science, 主题：fluidize）

伴随着中国经济的快速发展和稳定，流态化技术也随之从高潮期进入稳定常态发展的时期。

1.3

平稳常态研发期

进入21世纪以来，流态化技术在物理和化学加工操作应用中继续雄踞榜首，其应用范围继续扩展，原始创新不断出现。例如，清华大学化工系团队继续对流态化加深基础研究。在深入探索颗粒粒径对流化质量的影响时发现，催化裂化（FCC）催化剂粒径在30μm左右时夹带量最高，这时颗粒间的范德华力超过颗粒重力的影响，是颗粒不发生显著团聚的最大粒径。根据Geldart的流态化颗粒分类相图，小于30～40μm的C类细颗粒很难被平稳流化，会出现沟流等系列不正常行为。因此，小于30μm的C类颗粒一度是流态化操作的禁区，那么如果粒径再减小2～3个数量级变成30～40nm，其流态化表现行为会如何？研究发现，纳米尺寸颗粒间范德华力为主导影响因素，在气流作用下会以稳定的团聚体形状（或称二次颗粒）被稳定悬浮流态化。聚团的尺寸为微米级，而且聚团的视比重很轻，可以形成很平稳的流态化密相层。纳米颗粒聚团流态化现象的发现，使流态化技术成功应用于纳米材料的宏量制备。清华大学化工系团队依此技术成功宏量制备了世界上长度最长、强度最高的纳米碳管，而且进一步合成出碳纳米管与石墨烯杂化的新型纳米材料，结合开发成功的片状泡沫铝，成为优质动力电池、动力电容的电极材料。

在中国流态化研发平稳期，针对流态化复合介质力学特性的基础研究不断加深。中国科学院过程工程研究所李洪钟院士、朱庆山研究员团队针对矿物固相加工反应特点，深入系统地研究了宽筛分颗粒各粒级颗粒在流化床中的停留时间分布特征，据此开发了通过横向和纵向内构件、鼓泡-快速流化床耦合反应器等技术，对不同粒级颗粒停留时间分布进行调控，实现不同粒度颗粒反应时间和停留时间的合理匹配。基于研究结果在多钒酸铵还原制备三氧化二钒、难选铁矿磁化焙烧、低品位锰矿还原、氢氧化铝煅烧制α-氧化铝等中试和产业化项目中取得了较好的效果，产生了显著的经济效益。

中国石油大学卢春喜教授团队针对高效低毒农药制备过程，深入研究了气固流化床流动特性、气体分布器对流化床气固流场的影响，开发了先进的气固湍动-快速流态化耦合的流化床反应器，成功应用于吡啶碱和二硫化碳合成反应过程（图13），单台装置可达到500台传统固定床反应器的产能，同时大幅降低了过程能耗和排放。

图13湍动-快速流态化耦合反应器

应用于吡啶碱合成(a)和二硫化碳合成

反应过程(b)

清华大学魏飞教授团队近年来研究了流化床内气泡破碎、成长规律，发现了对较深颗粒床层（床层高度/床径比值约4.5），床层内以分布均匀的小尺寸气泡为主，反之则以非均匀分布的大尺寸气泡为主。据此，对工业规模氯甲苯氨氧化制备对氯苯甲腈的流化床反应器进行优化操作，取得了显著的改进效果。此外，通过研究流态化复合介质力学特性，揭示了气固流化床中两相流动的稳定性、可压缩性以及气泡-乳化相的共存特性。研究发现，在气固流化床中[图14(a)]，随着操作压力增大，气泡相和乳化相颗粒浓度接近，到一定压力后，气泡和乳化相两相区别消失[图14(b)]，床层进入一种类似“超临界”颗粒流体状态[图14(c)]。

图14气固流化床(a)、气泡相和乳化相

压力功率谱随操作压力的变化(b)和

颗粒压力与颗粒浓度的变化关系(c)

近年来，沈阳化工大学白丁荣、许光文团队，针对变革众多高温气固相和固相反应过程（如高密度优质镁砂烧结、橄榄石合成、莫来石合成等）的低温化目标，将流态化基础研究扩展到温度高达1650℃的高温区域。发现在高温条件下，气体密度、黏度对流态化质量影响趋势不同。尤其是在高温下颗粒的形貌和结构特征（如尺寸、密度、形状）以及由于分子迁移和化学反应引起的颗粒间力作用明显增强，对流态化质量影响显著，其行为与常规低温流态化行为非常不同（图15）。实验同时发现，提高操作温度，有可能使在低温下难以流化的毫米级颗粒处于稳定的流化状态，这为进一步开发高温流态化的工业应用奠定了基础 。

图15温度对最小流化速度的影响(a)和

高温流化床最小流化速度与低温条件下

关联式的比较(b)

21世纪世界能源产业正发生革命性变化，化石能源时代正在转向以风能、光能、水能等可再生能源为主的时代，化石（煤、油、天然气等）能源将从主要加工成燃料转变成加工高分子等材料的原料。这个巨大变革为流态化技术创造出更多的发展机遇。多相流态化技术作为一个多学科交叉，非线性，多种物理、化学行为相互交联的体系，仍然是一个有着重大工业应用前景、有深邃理论内涵及广阔研究容量的领域，有强烈的吸引力让年轻学者发挥才干，其研发前景依然会无限辉煌。

2

结语

回顾流态化技术在中国近80年的发展，我国流态化学者在相当长的一段时期内，在极其艰苦的环境下，坚持不懈地努力，在汪家鼎先生和郭慕孙先生等老一辈学者的指导下，取得了许多成绩，创立了世界领先的广义流态化理论，开发出一些极具工业应用价值的流态化工艺过程。随着改革开放国策的实施和深入，我国流态化学者迎来了基础研究和工业应用过程开发的高潮，在基础研究领域和工业过程等方面形成了许多创新成果，为世界流态化技术发展进步做出了卓越贡献，同时也培养和成长了一大批学术造诣深厚、人品高尚的学术大师。

进入21世纪以来，随着全球地缘政治、社会经济、气候变化等发展变化，能源、化工等产业逐渐进入大变革的时代。在此背景下，固体颗粒的流态化技术也面临前所未有的变革需求和挑战。展望未来流态化技术发展方向，以下几点仅供参考。

（1）能源和资源转化。随着非化石燃料交通技术以及可再生能源的发展，能源资源（石油、煤炭）将不断从传统的转化为燃料和动力为目的向转化为功能材料方向转变。尤其是石油资源将需要从传统的生产汽油、柴油、煤油、润滑油等产品变为生产石脑油、低碳烯烃和芳烃等原料。在这个领域，流态化技术无疑具有非常大的发展潜力。

（2）煤炭分级分质利用。郭慕孙先生早期就提出“煤拔头”的技术思路，建议从较年轻的煤种采用快速热解和快速冷却并与循环流化床锅炉相结合的方法，从煤中获取较高的油品收率。煤拔头思路促进了迄今为止的煤炭分质利用技术的发展。然而，现有技术包括由粉状褐煤生产兰炭的技术,都遇到结焦堵塞、粉尘分离等工程问题难以解决，因而尚没有工业化应用。此外，现有技术生产焦油，再通过焦油加氢制柴油的方向技术难度大，尤其是未来随着电动车的突起，柴油逐渐失去市场需求。为此，本文作者建议先在400～500℃下低温热解，得到含有粗苯、轻焦油、沥青的热解气，再将热解气在高温流化床中直接二次裂解全部生成低碳烃类及氢气，有望彻底解决焦油与粉尘所带来的问题，推动煤炭分级分质利用技术的产业化发展。

（3）无机固废利用。流态化技术在无机固废资源利用方面有着极大的发展潜力。例如，我国现有大量磷石膏、脱硫石膏产生和堆积，对“青山绿水”的环境保护造成很大的压力。同时，国家将不断加紧限制石灰石等矿山资源开采，而随着炼制含硫石油的减少，硫元素供应随之减少。预期未来Ca和S元素会面临资源供应紧张的局面。为此，通过流态化技术将磷石膏和脱硫石膏转化再生为可循环使用的含S和Ca的产品（如硫黄、硫酸、CaCO3等），是有潜力的研究课题。对此，清华大学化工系团队已开展了初步研究，目前正与初创公司合作完成了10吨/年级示范，年产万吨装置正在建设中。

此外，我国还有大量的无机矿原生及洗选、加工后的固体废弃物，如菱镁矿尾矿、铁矿尾矿、铝灰、硼泥、油页岩残渣、赤泥等。未来，开发流态化技术、实现可规模化和高附加值利用这些废弃资源，促进循环经济发展，前景十分广阔。

（4）矿物资源化。矿物资源热转化是生产许多金属氧化物和金属材料的重要初级加工过程。例如，铁矿石冶炼，原铝生产，工业级硅制备，菱镁矿煅烧制备氧化镁，水泥熟料生产，石灰制备，铜、锌、镍等金属制备以及许多稀土元素的加工生产，都涉及原矿石的热加工（如煅烧、碳热还原、硅热还原等）。目前，这些过程大多采用大尺寸原料在高温电弧炉、竖窑或回转窑中进行，操作温度高达2000~3000℃，处理时间数小时至十小时以上，一次能源利用效率不足50%，能耗高、产能低、污染严重。

此外，目前还有一些矿物资源（例如磷矿）通过酸碱湿法加工转化，存在提纯难度大、处理能力低、二次污染严重等问题。以磷矿为例，磷是农作物生长不可缺少的元素之一，关系到国家粮食安全生产、社会稳定与发展，属于国家战略资源。我国磷矿资源储量少、品位低，目前加工转化工艺落后，资源浪费和环境污染严重。

因此，研发先进的细颗粒高温流态化技术，革新这些传统过程，开发节能、环保、低品位资源高效利用先进技术和设备，具有非常巨大的科学价值和经济潜力。沈阳化工大学近期在这方面开始了有益探索，为填补流态化技术在超高温条件下的研究基础和应用空白，奠定了良好的开端。

（5）高端功能材料宏量制备。可再生能源替代化石能源无疑是实现双碳目标的最终途径。然而，为了有效利用太阳能、风能等新能源，需要规模化、经济地生产储能器件，如锂离子电池和超级电容器所需的高端材料。正如使用流态化技术实现碳纳米材料宏量化制备一样，流态化技术在电极材料、储能材料、太阳能级/电子级硅、高纯金属/合金等宏量化制造方面具有非常广阔的开发需求和应用前景。流态化技术与高端材料制备的结合是未来流态化技术发展的重要方向。

致谢：本文在撰写过程中得到许多同事的帮助，内容涉及国内外众多研究者，得到了国家自然科学基金委员会等的支持，在此无法一一列出，特此致谢，并请见谅！

作者简介●●

第一作者：金涌，博士，教授，中国工程院院士，研究方向为流态化技术。

通信作者：魏飞，教授，博士生导师，研究方向为流态化技术。

——本文转自《化工进展》