錐形流化床水平射流條件下的流化特性

祝小龍，劉代俊，陳建鈞

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

流化床技術(shù)現(xiàn)今已被廣泛運(yùn)用于化工、石化、冶金、能源、環(huán)保、制藥等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的燃燒、反應(yīng)設(shè)備相比，流化床具有混合均勻、反應(yīng)速度快、氣固接觸面積大、傳熱、傳質(zhì)系數(shù)高、反應(yīng)溫度均勻、單位面積的反應(yīng)強(qiáng)度大、操作易于控制、物料在反應(yīng)器中停留時(shí)間可調(diào)、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。正是由于流化床技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，吸引了很多研究者對流化床內(nèi)流化特性進(jìn)行分析研究。而在錐形流化床中，除了具備一般流化床的優(yōu)點(diǎn)以外，由于其截面隨高度而變化，所以存在著流速梯度：在底部截面較小，因而流速較高，可保證大顆粒的流化；而在頂部截面較大，所以流速較低，可防止小顆粒的帶出，因此可避免熱集中在底部而使固體物料燒結(jié)，并可避免使用分布板。

隨著錐形流化床在顆粒干燥、懸浮和包涂等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1-2]，人們對其流化特性進(jìn)行了廣泛研究。Peng等[3]主要研究了液-固錐形流化床特性，其余學(xué)者對氣-固錐形流化床的特性也進(jìn)行了大量的研究[4-6]，但都主要研究氣體垂直向上射流情形下流區(qū)特性以及流區(qū)內(nèi)壓降與表觀氣速之間的關(guān)系等，而對于錐形流化床中水平射流的研究相對較少。采用水平射流的方式形成撞擊流，產(chǎn)生一個(gè)高湍流區(qū)，極大地強(qiáng)化相間傳遞，使其具有優(yōu)越的微觀混合性能[7-8]，同時(shí)防堵、防止渦流。另外，床內(nèi)流體產(chǎn)生擺動(dòng)效應(yīng)，若改變進(jìn)氣噴嘴的入射角度，還可產(chǎn)生漩渦[9]。這些特點(diǎn)是一般流化床或噴動(dòng)床不能相比的，目前主要用于氯化鈦白的生產(chǎn)上。本文通過在一個(gè)二維錐形流化床中，從底端兩側(cè)水平進(jìn)氣口通入流化氣體，對二維流化床的流動(dòng)情況進(jìn)行了研究，著重分析了床層壓降隨表觀氣速變化的關(guān)系，以及對最小流化速度和床層最大壓降計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了更加直觀地觀察氣、固兩相在錐形流化床中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用無色透明的有機(jī)玻璃面板構(gòu)成的二維床結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。錐形流化床所需的流化介質(zhì)為空氣，由空壓機(jī)提供。二維流化床床體上部為400 mm×300 mm×30 mm（高×寬×厚）的長方體；下部為160 mm×300 mm(20)×30 mm（高×寬×厚）、錐角為 60°的錐體。錐體底端兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)圓形水平噴頭，噴頭內(nèi)徑為 4 mm；錐體背面中軸線上鉆有間距 80 mm的小孔，孔徑為 6 mm，這些孔是床層壓力信號(hào)的測點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

本研究采用了3種不同粒徑的圓形玻璃珠作為實(shí)驗(yàn)物料，流化介質(zhì)為空氣，物料的特性見表1。

表1 顆粒物料性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先確定一個(gè)氣體流量條件，并保持4～5 min，使得整個(gè)床達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，觀察床中的物料狀態(tài)，并記錄下兩側(cè)進(jìn)氣流量計(jì)的讀數(shù)和所測量的壓降。實(shí)驗(yàn)過程中，兩側(cè)進(jìn)氣量始終保持一致。由于升速法所得的壓降曲線因?yàn)檫t滯效應(yīng)而帶有任意性，故本實(shí)驗(yàn)在先調(diào)到最大氣量后，逐漸減小氣體流量，并重復(fù)上述的操作。實(shí)驗(yàn)條件：3種玻璃珠物料粒徑分別為0.25 mm、0.45 mm、0.85 mm，每種物料初始填料體積分別為0.7 L、0.8 L、0.9 L、1.0 L。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

錐形床的流體力學(xué)特性如圖2所示，隨著兩側(cè)進(jìn)氣流量的同時(shí)降低，顆粒間孔隙率ε逐漸減小，導(dǎo)致床層的壓降緩慢升高；直到臨界流化狀態(tài)時(shí)，床層的總壓降達(dá)到最大值maxPΔ；進(jìn)一步降低流化流量，顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ù玻鋲航祵⒀杆俳档汀?/p>

2.2 最小流化速度和最大壓降

本實(shí)驗(yàn)通過觀察錐形床中物料的流化行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)氣量達(dá)到一定值后，床層中心出現(xiàn)了十分明顯的“沸騰核心”區(qū)域，而在沸騰區(qū)域和錐形床兩側(cè)壁面之間具有向下移動(dòng)的環(huán)形截面料層。

為了能夠在數(shù)量上計(jì)算錐形流化床的流體力學(xué)特性，首先應(yīng)求得在臨界狀態(tài)時(shí)，顆粒物料由固定態(tài)過渡到流化態(tài)瞬間流速沿床層高度變化的規(guī)律性。考慮到錐形床中存在明顯的沸騰區(qū)域和環(huán)形截面料層，本實(shí)驗(yàn)假設(shè)，當(dāng)顆粒物料處于臨界狀態(tài)時(shí)也像進(jìn)入流化狀態(tài)后一樣，流體并不沿設(shè)備的整個(gè)截面通過，而是通過具有某一錐角的通道流過床層，如圖3所示。

圖2 單側(cè)進(jìn)氣流量對壓降的影響

通過以上的假設(shè)，在二維錐形流化床中，根據(jù)物料守恒，得到式（1）。

圖3 錐形床參數(shù)示意圖

當(dāng)錐形床上截面流體通道內(nèi)的流速達(dá)到臨界速度 umf時(shí)，床內(nèi)顆粒就進(jìn)入流化狀態(tài)，由此可得式（3）。

因此，當(dāng)二維錐形床全床進(jìn)入流化狀態(tài)時(shí)，顆粒物料的最小流化速度為式（4）。

秦霄光等[10]在前人研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錐形床錐角 α ＞20°時(shí)，見式（5）。

而實(shí)驗(yàn)所采用錐形床錐角α為60°，測得底端兩進(jìn)氣口所在床層截面寬度0D為0.07 m，通過在實(shí)驗(yàn)過程中測量D與 'D對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)果與秦霄光等的研究比較接近。實(shí)驗(yàn)測得數(shù)值比較見圖4。

圖4 數(shù)值比較

根據(jù)圖 4，在所研究的錐形二維流化床中，結(jié)合秦霄光等[10]的研究成果，采用Allometric1方程擬合，得到以下關(guān)系，如式（6）。

為了便于計(jì)算，近似簡化為式（7）。

將以上式子整理得，顆粒物料最小流化速度見式（8）。

而當(dāng)床內(nèi)顆粒達(dá)到起始流化狀態(tài)時(shí)，流速沿床層高度的變化規(guī)律為式（9）。

式中，k為常數(shù)，其值為0.76。

在求出錐形流化床最小流速氣速之后，可以計(jì)算出臨界狀態(tài)時(shí)的最大壓降maxPΔ。

根據(jù)前人對錐形床通過底部噴嘴豎直向上進(jìn)氣條件下的研究[11-12]，假設(shè)在整個(gè)流體通道橫截面上流體速度相同，沿床層的軸向總壓降由Ergun公式關(guān)聯(lián)，見式（10）～式（12）。

在本實(shí)驗(yàn)中，s1Φ≈，s0u=，式（10）簡化為式（13）。

在“沸騰核心”假設(shè)的基礎(chǔ)上，將式（9）帶入式（13），同時(shí)將Dx化成填料高度h的函數(shù)，積分可得式（14）。

圖5 最大壓降的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較

通過式（8）計(jì)算出umf帶入式（14）中算出maxPΔ。將求的的壓力值與實(shí)驗(yàn)測得值相比較，如圖5所示。

結(jié)果表明，對于實(shí)驗(yàn)研究錐角60°的二維錐形流化床，通過Ergun公式求得的最大壓降maxPΔ要比實(shí)驗(yàn)測定值整體上偏大，這可能是因?yàn)楸疚脑谔岢觥胺序v核心”觀點(diǎn)的同時(shí)，將錐形床上截面流體通道內(nèi)的臨界速度u定義為錐形床的最小流化速度umf，即當(dāng)核心部分物料面上的流速達(dá)到物料的“沸騰”速度時(shí)，才由固定床轉(zhuǎn)化為流化床，而錐形床在軸向上存在速度梯度，當(dāng)料面上的流速達(dá)到“沸騰”時(shí)，全床已處于劇烈運(yùn)動(dòng)中。因此，在實(shí)際操作中，實(shí)驗(yàn)測得的最大壓降要比計(jì)算所得的壓降小。同時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在水平射流條件下操作的，相比于豎直向上射流的錐形床，兩端進(jìn)氣水平氣流進(jìn)行對流，氣流通過撞擊的方式強(qiáng)化了傳質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生較大氣泡，加快了床層的“沸騰”，因此使得最大壓降maxPΔ的實(shí)驗(yàn)值小于計(jì)算值。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的這種差異和關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

2.3 最小流化速度的影響因素

圖6 最小流化速度與顆粒粒徑的關(guān)系

圖7 最小流化速度與填料體積的關(guān)系

圖6顯示了各操作條件下床層顆粒粒徑對最小流化速度的影響。從圖6中可以看出，在相同填體積條件下，顆粒粒徑小的先流化。因?yàn)殡S著顆粒直徑的增大，該顆粒的終端速度也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致最小流化速度增大。

圖7顯示了各操作條件下床層填料體積對最小流化速度的影響。從圖中可以看出，起始流化速度隨填料體積的增加而略有增加。這是因?yàn)樘盍象w積越大，高度越高，流動(dòng)阻力越大，導(dǎo)致所需的最小流化量增大。增大趨勢不明顯可能是因?yàn)樘盍象w積增幅不大，導(dǎo)致所需的起始流化氣量變化大。

3 結(jié) 論

（1）二維錐形流化床在水平射流進(jìn)氣條件下，床層壓降隨流量增大而迅速升高，達(dá)到一個(gè)最大值后略有下降。

（2）二維錐形床中，當(dāng)床內(nèi)顆粒達(dá)到起始流化狀態(tài)時(shí)，流速沿床層高度的變化規(guī)律為式（9）。

（3）對于水平射流條件下的錐形流化床，在“沸騰核心”假設(shè)基礎(chǔ)上，根據(jù)Ergun公式計(jì)算得到的最大壓降maxPΔ要比實(shí)驗(yàn)值整體偏大。

（4）二維錐形流化床的最小流化速度隨顆粒粒徑增大而增大，隨填料體積的增加也略有增大。

符 號(hào) 說 明

A —— 歐根方程中的常數(shù)

B —— 歐根方程中的常數(shù)

D —— 料面流體通道截面設(shè)備寬度，m

D' —— 料面流體通道截面寬度，m

D0—— 進(jìn)氣口處截面設(shè)備寬度，m

Dx—— 距進(jìn)氣口截面任意距離h處設(shè)備的寬度，m

Dx' —— 距進(jìn)氣口截面任意距離h處流體截面寬度，m

dp—— 顆粒直徑，mm

k—— 常數(shù)0.76

ΔPmax—— 床層最大壓降，Pa

u0—— 進(jìn)氣口處截面流體速度，m/s

ug—— 氣體速度，m/s

umf—— 最小流化速度，m/s

us—— 顆粒速度，m/s

ux—— 距底端進(jìn)氣口截面距離h處流體速度，m/s

V0—— 初始填料體積，L

α—— 錐形床錐角，（°）

ε—— 床層孔隙率

μg—— 氣體黏度，Pa/m

ρb—— 顆粒的堆密度，kg/m3

ρg—— 氣體密度，kg/m3

ρp—— 顆粒密度，kg/m3

Φs—— 顆粒球形度

下角標(biāo)

cal—— 理論計(jì)算值

exp—— 實(shí)驗(yàn)值

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