氣-液-固三相逆流化床熱量傳遞研究

丁 潔

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

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氣-液-固三相逆流化床熱量傳遞研究

丁 潔

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

摘 要：在內(nèi)徑0.152 m，高2.5 m的氣-液-固三相逆流化床中系統(tǒng)研究了熱量傳遞特性特性。獲得了氣體和液體速度及聚乙烯和聚丙烯顆粒密度對內(nèi)置加熱器與床層間熱量傳遞系數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明密度相對高的聚乙烯顆粒的逆流化床的熱量傳遞系數(shù)比密度相對低的聚丙烯顆粒的逆流化床的熱量傳遞系數(shù)大；隨著氣體速度的增加，熱量傳遞系數(shù)增加。然而，隨著液體速度增加，熱量傳遞系數(shù)具有最大值。在熱量傳遞系數(shù)達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)的液體速度隨著顆粒密度或氣體速度的增加而降低。

關(guān) 鍵 詞：逆流化床；傳熱系數(shù)；傳遞

逆向流化過程是一個(gè)非常重要的研究技術(shù)，目前在生物化工、生物過程、食品、環(huán)境以及石油化工過程等領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速廣泛的關(guān)注［1-3］。然而，對于兩相和三相逆流化床，關(guān)于熱量傳遞方面的研究與動力學(xué)方面研究相比更少［4］。近幾年，兩相和三相逆流化床在生物過程中的應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注，在生物反應(yīng)器或生物過程中準(zhǔn)確控制和維持溫度，為微生物提供良好的環(huán)境顯得至關(guān)重要［5］。為了進(jìn)一步豐富兩相和三相逆流化床在生物化工的應(yīng)用理論，系統(tǒng)研究三相逆流化床傳熱規(guī)律，為了設(shè)計(jì)和放大該類型反應(yīng)器奠定基礎(chǔ)。

在本文中，系統(tǒng)研究了兩相或三相逆流化床熱量傳遞現(xiàn)象規(guī)律，獲得了氣體和液體速度及顆粒密度對內(nèi)置加熱器與床層間熱量傳遞系數(shù)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為內(nèi)徑0.152 m和高2.5 m的有機(jī)玻璃塔，見圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

液體分布器安裝在主反應(yīng)器的頂部。液體由儲水槽經(jīng)過內(nèi)徑2.54 cm的管子通過液體緩沖部分進(jìn)入反應(yīng)器。液體分布器安裝在主反應(yīng)器和不銹鋼盒子間以保證液相往下流動。在反應(yīng)器底部，氣體通過四個(gè)均勻間隙6.35 mm的管式氣體分布器進(jìn)入塔中，該管式氣體分布器含有孔徑1 mm的28個(gè)孔組成。

1.2 測試方法

氣體和液體流速由流量計(jì)測量，其數(shù)值大小利用在進(jìn)料和旁路管線的球形閥控制。

在逆流流化床的中心處，垂直安裝一個(gè)管殼式加熱器（內(nèi)徑25.4 mm×1.5 m長度）。利用（J型）鐵-康銅熱電偶測量加熱器表面和流化床床體的溫度，這些熱電偶以15 cm的高度間隔安裝在塔中［6］。

根據(jù)外界提供熱量和加熱器表面與流化床床體間溫度差，利用下面方程確定熱量傳遞系數(shù)［7］。

式中:h — 熱量傳遞系數(shù)，J/（m2·K·s）；

Q — 熱量流量，J/s；

A — 加熱器表面積，m2；

Th和TB— 分別表示加熱器表面溫度和床層溫度，K。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，水為連續(xù)液相，壓縮過濾空氣為氣相，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）珠為固相，它們密度分別為966.6和877.3 kg/m3，粒徑為4 mm。應(yīng)用Erma型接觸角測量儀（model G-1， Japan）測量每個(gè)顆粒與水的接觸角。PP和PE顆粒的接觸角分別為84°和85°。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固逆流化床傳熱系數(shù)（h1）的研究

以PE和PP為固相，系統(tǒng)考察了不同液速對逆流化床傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2結(jié)果可見，隨著液體速度增大傳熱系數(shù)增大，然而，進(jìn)一步增大液體速度，傳熱系數(shù)減小，對以PE 和PP顆粒為固相的流化床，傳熱系數(shù)有一個(gè)極大值。該傳熱系數(shù)的變化趨勢與傳統(tǒng)流化床的變化趨勢非常相似［6］。傳熱系數(shù)隨著液體速度的變化具有最大值的原因是由于固含量和固體流動行為的變化引起的。在較低液體速度范圍內(nèi)，顆粒不能充分流化，不能對熱量傳遞產(chǎn)生足夠湍動。這樣，增加液速導(dǎo)致湍動增加，從而引起傳熱系數(shù)的增加。然而，在較高液體速度范圍內(nèi)，進(jìn)一步增加液體速度，固含量降低很明顯。由于流化顆粒的存在，降低了湍動程度。隨著液體速度進(jìn)一步增加，傳熱系數(shù)降低。

圖2 液體速度對液-固逆流化床傳熱系數(shù)（h1）的影響Fig.2 Effect of liquid velocity on hlin liquid-solid inverse fluidized beds

由圖2還發(fā)現(xiàn)，以PE為固相的傳熱系數(shù)比以PP為固相的傳熱系數(shù)高。這表明具有相對高密度的顆粒對傳熱更有效。

2.2 間歇三相逆流化床傳熱系數(shù)（h2）的研究

以PE和PP為固體顆粒，考察了不同氣體速度對間歇三相逆流化床傳熱系數(shù)（h2）的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 三相逆流化床氣體速度對傳熱系數(shù)（h2）的影響Fig.3 Effect of gas velocity on h2in three-phase inverse fluidized beds（UL=0）

在間歇過程（UL=0），顆粒僅僅通過氣體流動實(shí)現(xiàn)流化。由圖3可見，由于隨著氣體速度增加湍動程度增加，所以，隨著氣體速度增加兩種顆粒條件下的傳熱系數(shù)均增加，且以PE為固相的傳熱系數(shù)比以PP為固相的傳熱系數(shù)高。隨著氣體速度增加氣泡大小和上升速度均增加，導(dǎo)致床層的湍動強(qiáng)度隨著氣體速度增加劇烈增加。然而，間歇系統(tǒng)得到的傳熱系數(shù)（h2）值比連續(xù)系統(tǒng)得到的傳熱系數(shù)（h3）略低。

2.3 三相逆流化床傳熱系數(shù)（h3）的研究

圖4給出了氣體速度對三相逆流流化床中傳熱系數(shù)（h3）的影響規(guī)律。

由圖4結(jié)果可見，隨著氣體速度增加，傳熱系數(shù)（h3）幾乎呈線性增加。由于隨著氣體速度增加，鼓泡現(xiàn)象變得更加劇烈，氣泡與顆粒間傳質(zhì)傳熱阻力降低，增大了傳熱系數(shù)。可以理解為：隨著氣體速度增加，三相床中氣固相間湍動強(qiáng)度增加，增加了氣泡和氣泡聚并體的破裂程度，使得氣泡的數(shù)目增加，導(dǎo)致氣含率增加。為了強(qiáng)化傳熱，在條件允許的情況下，盡可能增加氣體的流量。

圖4 三相逆流化床氣體速度對傳熱系數(shù)（h3）的影響Fig.4 Effect of gas velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

圖5給出了液體速度對三相逆流流化床中傳熱系數(shù)（h3）的影響規(guī)律。

圖5 三相逆流化床液體速度對傳熱系數(shù)（h3）的影響Fig.5 Effect of liquid velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

由圖5可以看出，隨著液體速度增加，傳熱系數(shù)（h3）有一個(gè)最大值。與傳統(tǒng)三相流化床相比，三相逆流化床的傳熱系數(shù)（h3）的變化趨勢非常相似。這由于固含率降低及固體顆粒流型轉(zhuǎn)變造成的。也就是說，在較高液體速度范圍內(nèi)，隨著液體速度增加，固含率降低非常明顯，導(dǎo)致流化顆粒與加熱器表面接觸概率下降，且接觸不充分，這樣，加熱器表面周圍液體薄膜不能有效破壞。所以，進(jìn)一步增加液體速度，導(dǎo)致傳熱系數(shù)（h3）降低。此外，在較高液體速度范圍內(nèi)，固含率降低勢必將減少散式流化范圍內(nèi)的湍動強(qiáng)度。通過實(shí)施干擾三相流化床中液相連續(xù)流動的流體單元和上升氣泡措施，使得流化顆粒具有一個(gè)較大的湍動勢能。

3 結(jié) 論

（1）以相對高密度的PE為流化顆粒的兩相或三相逆流化床中，傳熱系數(shù)大于以相對低密度的PP為流化顆粒的逆流化床。

（2）隨著氣體速度增加傳熱系數(shù)增加；然而，在液-固和三相逆流化床中，隨著液體速度增加，傳熱系數(shù)具有一個(gè)最大值。

（3）在兩相和三相逆流化床中，增加顆粒密度或氣體速度，傳熱系數(shù)達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)的液體速度降低。

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Study on Heat Transfer in Gas-Liquid-Solid Three Phases Inverse Fluidized Bed

DING Jie
（Qingdao Technical College， Shandong Qingdao 266555， China）

Abstract:A gas-liquid-solid three phases inverse fluidized bed with 0.152 m diameter and 2.5 m height was employed to investigate the characteristics of heat transfer. Effect of gas and liquid velocities and particle density （polyethylene and polypropylene） on the immersed heater-to-bed heat-transfer coefficient was determined. The results show that the heat-transfer coefficient in two- and three-phase inverse fluidized beds with relatively high density particles （polyethylene） is higher than that in the beds with relatively low density particles （polypropylene）. The heat-transfer coefficient increases with increasing of gas velocity. However， it exhibits the maximum value with increasing of liquid velocity in liquid-solid as well as three- phase inverse fluidized beds. The liquid velocity decreases with increasing of particle density or gas velocity when the heat-transfer coefficient reaches to the maximum value.

Key words:Inverse fluidized bed； Heat-transfer coefficient； Transfer

中圖分類號：TQ 051.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0253-03

收稿日期：2015-09-26

作者簡介：丁潔（1967-），女，山東省濰坊市人，高級工程師，1992年畢業(yè)于青島科技大學(xué)無機(jī)化工專業(yè)，研究方向：從事化工工藝開發(fā)工作。E-mail：Dj5791@163.com。