氣-液-固三相逆流化床動力學研究

丁　潔（青島職業技術學院，山東 青島 266555）

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氣-液-固三相逆流化床動力學研究

丁潔
（青島職業技術學院，山東 青島 266555）

摘要：在內徑0.152 m，高2.5 m的氣-液-固三相逆流化床中系統研究了動力學特性。獲得了氣體和液體速度及聚乙烯和聚丙烯顆粒密度對各相含率和最小液體流化速度的影響規律。研究發現隨著氣體速度的增加，液體最小流化速度降低；隨著氣體或液體速度增加，氣體、液體和固體含率均增加。

關鍵詞：逆流化床；最小液體流化速度；相含率；動力學

逆向流化過程是一個非常重要的研究技術，目前在生物化工、生物過程、食品、環境以及石油化工過程等領域的應用得到迅速廣泛的關注［1-3］。其過程是由下流的液體克服低密度顆粒的浮力而實現對顆粒的流化。在氣-液-固三相逆流化中，固體顆粒可以在低液速時流化，并且顆粒間摩擦很小，可以節省能量消耗。到目前為止，對氣-液-固三相逆流化床反應器研究者已進行了一些基礎研究工作，研究內容主要包括反應器流型、床層的膨脹［4-6］等。如Ibrahim 等［7］應用電導測試技術研究了均勻流化速度的過渡速度。近期，在有效應用于生物反應器系統的三相逆流化床中研究了氣-液質量傳遞規律。

近幾年，隨著生物化工和環境化工的快速發展，氣-液-固三相逆流化床在廢水處理和其他工業上的應用顯示出廣闊的前景和價值，引起國內外研究者的廣泛關注，進一步系統研究氣-液-固三相逆流化床動力學規律，不僅能夠豐富三相流態化工程學科的理論和基礎，而且為該類型反應器的設計和開發提供理論指導。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

實驗裝置為內徑0.152 m和高2.5 m的有機玻璃塔，見圖1所示。液體分布器安裝在主反應器的頂部。液體由儲水槽經過內徑2.54 cm的管子通過液體緩沖部分進入反應器。液體分布器安裝在主反應器和不銹鋼盒子間以保證液相往下流動。在反應器底部，氣體通過四個均勻間隙6.35 mm的管式氣體分布器進入塔中，該管式氣體分布器含有孔徑1 mm 的28個孔組成。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

1.2測試方法

氣體和液體流速由流量計測量，其數值大小利用在進料和旁路管線的球形閥控制。

從液體分布器開始，將間隔12.5 cm高度的十二個測壓孔水平安裝在塔壁處。應用半導體型壓力傳感器（Coppel Electronics）測量軸向靜壓。

床層膨脹高度由壓降圖斜率變化點確定。

根據壓降、床高和液體和固體顆粒特性確定各相含率和床層孔隙率。

在整個實驗過程中，水為連續液相，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。應用Erma型接觸角測量儀（model G-1，Japan）測量每個顆粒與水的接觸角。PP和PE顆粒的接觸角分別為84°和85°。

2　結果與討論

2.1最小液體流化速度（ULmf）的研究

以PE和PP為固相，系統考察了不同氣速和液速時三相逆流流化床床層壓力梯度，利用獲得的不同床層壓力梯度得到最小液體流化速度，其結果如圖2所示。

圖2　 三相逆流化床中ULmf確定Fig.2 Determination of ULmfin a three-phase inverse fluidized bed

由圖2結果可見，對于給定氣體速度，隨著液體速度的增加，床層壓力梯度有一個最小值。當壓力梯度達到最小值時，此時的液體速度即為ULmf。由圖2還可以發現，以PE和PP顆粒為固相的逆流化床中，隨著氣體速度的增加，ULmf減小。因為氣體速度增加，導致了床層中氣含率增加和液含率降低，從而導致床層間隙中液體速度增加。

2.2氣體速度對最小液體流化速度（ULmf）影響

以PE和PP為固體顆粒，考察了不同氣體速度對最小液體流化速度的影響，結果見圖3。

圖3　三相逆流化床氣體速度對ULmf的影響Fig.3 Effect of gas velocity on ULmfin a three-phase fluidized bed

由圖 3可以看出，隨著氣體速度的增加，ULmf值減小。ULmf值依賴于流化床中顆粒與氣-液混合物間密度差，由于氣-液混合物的總密度隨著氣體速度的增加而降低，所以，隨著氣體速度的增加導致ULmf值減小。

2.3液體速度對各相含率的影響

圖4給出了以PE為固相的三相逆流流化床中液體速度對各相含率的影響。

圖 4（a）結果表明，隨著氣速增加，氣相含率均增大；在較低液體速度下，氣含率增加明顯，當液體速度大于0.03 m/s時，氣含率不再增加。由圖4（b）可見，隨著液體速度增加，在不加入氣體時，液相含率增加最顯著；隨著氣體速度增加，液相含率增加趨勢與氣相含率增加趨勢一致。由圖 4（c）可見，在不加入氣體時，固含率最大，且隨著液體速度增加，固含率降低最明顯；在較低液體速度下，固含率降低明顯，當液體速度大于0.03 m/s時，固含率不再變化。

圖5給出了以PP為固相的三相逆流流化床中液體速度對各相含率的影響。

由圖5可以看出，在相對高的液體速度時含率值大小與液體速度無關。由于液體的逆向流動，上升氣泡難于從流化床中移出，氣含率隨液體速度增大而增大。然而，由于氣泡聚并，使作用在上升氣泡的浮力顯著增大，該浮力克服了逆流液體流動的對流力，導致氣泡大小和氣泡上升速度隨著氣含率的增加而增大。此外，隨著液體速度增大床內固體顆粒循環程度增大。所以，在給定范圍內，隨著液體速度增大各相含率無明顯變化。

由圖5還可以發現，在相同氣速和液體速度下，以PP為固相的固含率比以PE為固相的固含率高，由于PP顆粒的密度小于PE顆粒的密度所致。

圖4　PE為固相三相逆流化床液體速度對各相含率的影響Fig.4 Effect of liquid velocity on the individual phase holdups in three-phase inverse fluidized beds of PE particles

圖5　PP為固相三相逆流化床液體速度對各相含率的影響Fig.5 Effect of liquid velocity on the individual phase holdups in three-phase inverse fluidized beds of PP particles

3　結 論

（1）在三相逆流化床中，隨著氣體速度增加最小液體流化速度降低；在相同氣速和液體速度時，以PP為固相的最小液體流化速度比以PE為固相的最小液體流化速度大。

（2）在三相逆流化床中，隨著氣體或液體速度增加氣含率和液含率均增加，固含率均減小，以PP為固相的固含率比以PE為固相的固含率高。

參考文獻：

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Kinetic Study on 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 inner diameter and 2.5 m height was employed to investigate the hydrodynamics.Effect of gas and liquid velocities and particle density （polyethylene and polypropylene） on the individual phase holdup and the minimum liquid fluidization velocity was determined.The results show that the minimum liquid fluidization velocity decreases with increasing of gas velocity in the gas-liquid-solid three phases inverse fluidized bed.The gas and liquid and solid holdups increase with increasing of the gas or liquid velocity in the gas-liquid-solid three phases inverse fluidized bed.

Key words：Inverse fluidized bed；Minimum liquid fluidization velocity；Holdup；Hydrodynamics

中圖分類號：TQ 051.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0054-03

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年畢業于青島科技大學無機化工專業，研究方向：從事化工工藝開發工作。E-mail：Dj5791@163.com。