气体流化辅助的制作方法

专利名称：气体流化辅助的制作方法
技术领域：
本发明涉及颗粒流化，特别是流化辅助手段。
气体以足够高的速度流过颗粒床层，使颗粒运动并形成具有类似液态特性的气-固悬浮态的过程称之为气-固流态化。人们利用这种类似液态特性的优点对颗粒进行处理，以完成气-固化学反应、气固催化化学反应或一些物理操作，诸如干燥或喷涂及包覆等工艺。
尽管有时流化辅助手段很有用或是必需的，但在某些应用中，特别是在颗粒直径大于30-40μm左右的情况下，只有流化气体(fluidizinggas)就足够了。在另外一些应用中，只有流化气体还不够有效，特别是在粉末中含有一种通常称为Geldart C类颗粒(Geldart Group Cparticles，通常小于30μm)的微细颗粒，Geldart A类颗粒一般粒径稍大于C类颗粒，故其对流化辅助的需要程度也较A类颗粒为弱。这些微细颗粒往往非常粘着，它们凝结成块或聚集成团，从而使流化非常困难。
C类微细粉末以及(在较弱的程度上)A类微细粉末流化困难的原因是微细颗粒之间存在相对较大的粒间作用力(inter-particle forces)，该力达到或超过了“重力减浮力”的力量，必需克服这一力量才能将颗粒流化。
因此，在某些应用中需要流化辅助，特别是在有C类粉末和(在较弱的程度上)A类粉末的情况下，但在其它情况下亦有此需要。
在以往的研究中，例如美国专利号为3,639,103(发明人Sheely)的发明中，使用了包括氦气在内的惰性气体作为流化气体，以避免所使用的气体参加化学反应。但以往业内人士认为，无论流化气体是何种气体，流化辅助都是必需的，特别是对微细粉末而言。
美国专利号为5,277,245(发明人Dutta等)的发明，使用了包含氦、氢以及二者混合的流化气体，或这些气体与其它流化气体的结合，以增加Geldart C类粉末流化床的热传递特性。但Dutta等人将粉末与微细颗粒大小的疏水性硅土混合作为流化辅助使用。
美国专利号为5,258,201(Munn等人)的发明，公布了一种在荧光灯制造中用的磷颗粒表面形成保护包层的方法。其中的一道工序包括在流化床中形成磷颗粒的悬浮。以氦为例的一种惰性气体向上穿过流化床。但是，为了流化微细颗粒，他们将量很少的一种流化辅助剂与磷粉末混合在一起，或陈述如下“流化微细磷粉末的另一种方法是对磷粉末颗粒加以辅助搅动……”。
其它三件美国专利(其专利号分别为4,585,673,4,710,674和4,825,124，发明人均是Sigai)非常相似，也都含有关于在流化微细粉末时需要添加流化辅助的类似陈述。
美国专利号为5,783,721(Tsumura等人)的发明，涉及在流化床反应器中使用铜作为催化剂，使金属硅粉末与气态烷基卤反应配制烷基卤化硅烷的工序(铜催化剂也是流化颗粒的形式)。专利中也讨论了流化Geldart C类粉末的困难。克服困难的手段是仔细控制颗粒的尺寸分布，以确保有足够的大尺寸颗粒可以作为较小颗粒的流化辅助。流化用气体是惰性气体，首选氮气，尽管也提到可以使用氦气或氩气。
这些现有的流化手段有几个缺点。首先，现有的方法并非总是有效。这些方法往往对某些微细粉末比对另一些微细粉末更有效。一般来说，如果颗粒间作用力太强，这些辅助手段便不足以将其克服。此外，没有一个现有的方法对极其微细和粘性粉末很有效，例如，大部分直径小于10μm左右的颗粒。第二，许多方法需要额外部件，诸如振动器、声场发生器、发动机等等才可以产生上述的外部辅助。第三，许多方法需要额外能量才能产生外部辅助，或需要添加外来颗粒才能工作，添加外来颗粒可能会污染产品。
看来，没有一种已有的工艺涉及到氦气和(或)氢气作为流化辅助的效用。有些已知的工艺中也讨论了使用氦气和(或)氢气作为流化气体的潜在可能，但在此类工艺中同时也试图使用另外的流化辅助，而认为这些另外的辅助手段是必需的。
本发明的公开基于上述陈述，本发明的一个目的是克服现有流化辅助手段中所存在的某些缺点，特别针对那些难于流化的原料，并从总体上提高颗粒的流化质量。
本发明认识到，低分子量气体可以起到高效流化辅助的作用，哪怕将其添加入流化气体的比例十分小，或在某些情况下，比例非常大，包括大到100％，也就是说，这时它既是流化气体又是流化辅助。低分子量气体可以是氢、氘、氚或最好是氦、或者是上述气体的混合气体。
本专利发明人发现，与以往工艺的学说相反，这可以对非常微细的颗粒产生非常有效的流化，甚至不再需要另外的辅助手段。此外，这类气体很容易获得，在现有流化过程中使用它们也很便宜。
即使不属于非常微细的颗粒，无论是将低分子量的气体加入流化气流还是就将其作为流化气体本身使用，在有些情况下也使流化质量得到了改善。
尽管尚待进一步理解精确的机理，本专利发明人相信，低分子量气体起到流化辅助的作用的原因是由于它破坏了微细粉末的颗粒间作用力。
流化气体与流化辅助有一个明确的区别。在流化床中，流过粉末床且主要目的是将粉末悬浮或使粉末床膨胀的气体是流化气体(fluidizing gas)。特别是氦气，由于其惰性气体的性质或其高热传导性，一直被用作流化气体；但氦作为一种流化辅助还不曾被认识。
通过下面对本发明的详细描述，将会更进一步理解本发明的特点并变得明朗。


图1所示为在流化平均直径为4μm的微细玻璃珠时，若使用氦气和氢气作为流化气体，与使用空气相比，床的膨胀比(一个流化质量的量度)的变化；图2显示了在流化平均直径为4μm的细微玻璃珠时，流化气体中引入不同比例的氦气所产生的床层膨胀比。其中，R是空气对氦气的摩尔比(molar ratio)；图3显示了将氢气引入非常粘着的乳糖粉末时的床层膨胀比；和图4和图5显示了与空气相比，氢气对粘性乳糖粉末床的压降的有利影响。
本专利发明人发现，当单独使用或同时使用氢气或氦气或二者的结合，或与其它气体结合作为流化气体或作为流化气体的添加剂，可以改善流化质量，特别使非常微细的粉末的流化大大得到了改善。
例如，图1显示，在流化4μm的微细玻璃珠时，使用氦气作为流化气体，与只使用空气相比，床层膨胀比(一个流化效用的量度)要大得多。在相对气体速度比较低的情况下，可得到一个相应的床层膨胀比。在某个相对气体速度下，氢气对床层膨胀比的影响更好。(相对气体速度是表观气体速度除以计算得到的最小流化速度。)对于一系列不同的微细颗粒，同样的效应如下表1所示表1使用氦气和空气作为流化气体时床层膨胀比的比较(气体速度=1cm/s)

与此类似，图2表明，在流化4μm玻璃珠时，流化气体中只有一部分是氦气便可改善流化质量，特别是当相对速度提高时更是如此。图3显示了在恒定的振动水平下，使用氢气与使用空气和氩气相比，流化4.5μm(非常粘着的)乳糖粉末时对流化质量产生的明显效应。图中所说的“上(up)”和“下(down)”是指增加气体流量，或者减小气体流量。在这一情况下，床层膨胀比相当一致地随着上下变化。
图4和图5表示，与空气相比较，使用氢气作为流化辅助导致整个流化床的相对压降(normalized pressure drop)增加。压降增加是流化质量改善的另一指标。它意味着用来支持颗粒或使颗粒悬浮的重力减升力(weight-minus-buoyancy)的力量更近似于或完全由气体所施加的曳力所提供。图4显示了没有附加振动辅助的情况；图5显示了使用振动作为附加流化辅助的情况。图4和图5也显示了在某些情况下，将两种流化辅助手段结合起来可以进一步提高流化质量。
对可以使用任何气体的流化工序，即并非一定要使用惰性气体的工序，可以使用纯氢气或氦气来流化微细颗粒，或将一种气体或二者同时用作流化气体。
对于有特定气体参与化学反应的过程，可以在气体流中添加一部分氦气或氢气以改善流化质量。但是，在有安全问题时或在不希望某些反应发生时，不能使用氢气。此外，由于氦气是一种惰性气体，故使用这一气体常常是更可取的。
在许多现有化学反应和粉末处理过程中，使用了微细和(或)粘性颗粒以改善流化质量，从而改善转化率和(或)选择性以及对粉末的处理；使用低分子量的气体作为微细粉末的流化辅助的方法可以应用到许多这一类的化学反应和粉末处理工序中去。此外，这种新技术的实用性很可能会允许一些其它目前不使用流化床(fluidized bed)的工序采用流化床来处理，从而利用流化床相对于其它气-固接触器(例如，旋转鼓和气动输送等等)所具有的明显优势。
本专利发明人还发现，使用低分子量气体对较大颗粒的流化亦有帮助。通常，流化一般粉末并不需要辅助手段。但在有些情况下，流化辅助手段很有帮助或甚至是必需的。本专利发明人已揭示，低分子量气体还可以改善一般粉末的流化质量，对靠近C类和A类边界的粉末尤为如此，尽管随着粉末(颗粒)变大，这种效益变小。(A类颗粒通常大于C类颗粒。)本发明可应用于许多涉及微细颗粒处理的过程，包括化工、材料、制造、食品、原子能、制药以及陶瓷等在内的许多行业，都有大量的微细粉末(处理)工序。
我们希望以上通过示例进行的有关说明可以得到理解。对于本领域的技术人员来说，这一发明显然可以有许多不同的变化类型，无论是否明确说明，这些明显的变化类型都在本发明之叙述和权利要求的范围之内。
例如，应该意识到，为辅助流化某类颗粒材料，可以一开始就添加氢气和(或)氦气，使其作为整个气体的一部分。一旦流化过程可以自己独立维持时，则可以终止添加氢气或氦气。
另一种选择是，将氢气或氦气加入正在局部发生流态化停滞(defluidization)的区域，以帮助促进这些区域的流化。也就是说，流化床的某些局部区域可能流化质量很差。在这种情况下，可以注入低分子量气体或含有低分子量气体的气体到这些区域以改善局部流化。然后，当局部流化得到改善后，便可停止这一“特别”注入。
通常，另一种选择是，可以定期添加氦气或氢气，或仅在某些流化质量指标(例如压降)指出在整个流化床或局部区域有流化停滞发生或可能发生时才添加。
以上论述是以氦气和(或)氢气为对象进行的。但如前所述，可以使用氘气或氚气替代氦气和(或)氢气，这对本专利发明人以及对这一领域的其它技术人员来说是显而易见的，因为这两种气体也同样具有低分子量的有利条件。较大分子量的气体不会有本发明所带来的益处。
工业应用性本发明提供了对粉末流化的改善(方法)，特别针对微细粉末。
权利要求
1．在流化粉末使用一种非从包含氢、氘、氚或氦这组气体选出的气体的流化气体中，将另一种低分子量气体添入该流化气体作为流化辅助剂，这里所述低分子量气体是从氢、氘、氚和氦这一组气体中选出的。
2．按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述粉末包括诸如Geldart C类和(或)Geldart A类的微细颗粒。
3．按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述粉末主要由诸如Geldart C类和(或)Geldart A类这样的微细颗粒构成。
4．按照权利要求1-3中任一个所述的方法，其特征在于不使用除所述低分子量气体之外的其它流化辅助手段。
5．按照权利要求1-4中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是氦气。
6．按照权利要求1-4中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是氢气。
7．按照权利要求1-6中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是在需要时才加入到发生局部流化停滞的区域，以辅助这些区域的流化。
8．按照权利要求1-7中任一个所述的方法，其特征在于包括当所述粉末本身可以维持流化时，停止将低分子量的气体引入流化气体的步骤。
9．按照权利要求8所述的方法，其特征在于包括当流化质量变差或无法维持流化时，重新开始添加低分子量气体。
10．在流化粉末使用一组流化气体中，使用低分子量气体作为流化气体，所述低分子量气体是从氢、氘、氚和氦这组气体中选出的。
11．按照权利要求10所述的方法，其特征在于所述颗粒包括诸如Geldart C类和(或)Geldart A类微细颗粒。
12．按照权利要求10所述的方法，其特征在于所述粉末基本由微细颗粒诸如Geldart C类和(或)Geldart A类的颗粒构成。
13．按照权利要求10-12中任一个所述的方法，其特征在于不使用除所述低分子量气体以外的其它流化辅助手段。
14．按照权利要求10-13中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是氦气。
15．按照权利要求10-13中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是氢气。
16．按照权利要求10-15中任一个所述的方法，其特征在于所述低分子量的气体是在需要时才加入到发生局部流化停滞的区域，以协助这些区域的流化。
全文摘要
专利使用低分子量气体作为流化辅助手段，将其添入流化气体中，比例可以十分小，或在某些情况下比例非常大，包括大到100%，在这种情况下，它既是流化气体又是流化辅助手段。这种低分子量气体可以是氢、氘、氚或最好是氦、或是上述气体的混合。根据需要，这一低分子量气体可以与或者不与其它流化辅助手段一起使用。尽管特别对Geldart C类颗粒(Geldart Group C particles)的流化有益，并在较弱的程度上对Geldart A类颗粒的流化有益，但对一些较大的颗粒，无论低分子量气体是否被添入到流化气体中，还是将它作为唯一的流化气体，都取得了改善流化(质量)的效果。
文档编号B01J8/18GK1316918SQ99810715
公开日2001年10月10日 申请日期1999年8月13日 优先权日1998年8月13日
发明者祝京旭, 约翰·R·格雷斯, 角仕云 申请人:西安大略大学