Geldart D類顆粒在狹縫型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少鐵，劉品達，高新源，徐 慶

（天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

Geldart D類顆粒在狹縫型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少鐵，劉品達，高新源，徐 慶

（天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

采用自主研發的狹縫型分布板流化床，對 Geldart D類顆粒物料核桃殼（2～2.8，mm）的流化特性進行了實驗研究.結果表明：與傳統多孔型分布板相比，空床時狹縫型分布板的分布板壓力降較小，加入物料時狹縫型分布板的床層壓力降大，更多的能量用于物料的流化，特殊的瓦楞結構也可改善物料的流化特性；Geldart D類顆粒物料在狹縫型分布板流化床內流化效果較好，相應的床層膨脹比也較大.

狹縫型分布板；分布板壓力降；流化特性；床層膨脹比

流化床在干燥領域的應用非常廣泛，其特點有氣固混合良好、傳質傳熱速率高、床層均勻、可控性強等.根據 Geldart［1］的研究，氣固流化床中，粗顆粒和細顆粒的流態化特性有明顯的差異，根據顆粒的密度和直徑將流態化的顆粒分為 4類：A、B兩類顆粒易于流化；而C類顆粒由于粒子間的黏著力，流化狀況差；D類顆粒一般尺寸大，密度大，難以流化.

目前，對于大顆粒的流態化研究越來越受到重視.佐成俊清的研究表明，直徑 5，mm以上的物料在適宜的條件下也可以達到流化狀態，大顆粒流化床可以與一般流化床一樣來處理；大顆粒物料流化時，需要提高表觀氣速，但能耗較大，也會產生溝流、騰涌等不期望發生的結果［2］.周勇敏等［3］研究得出大顆粒流態化過程具有特殊性，顆粒的流化是一個漸進的過程，其流化過程可以分為 5個階段，即床層高度恒定階段、顆粒位置調整階段、表面顆粒運動階段、節涌波動階段、完全流化階段.

許多研究者通過對傳統氣固流化床的整體結構或個別部件進行改進，從而改善大顆粒物料在流化床內的流化特性.如魯林平等［4］在噴動床的基礎上開發了射流噴動流化床，降低了噴動床柱體部分的高度，提高了噴動速度，用于大顆粒物料的干燥和包衣，并進行了物料的涂敷造粒實驗.黃穎等［5］研究了大顆粒物料1.2，mm芥末籽在流化床中的流化特性和氣泡尺寸變化規律，將流化氣體改為脈動氣流后，比連續氣流流化床氣泡小，說明氣流的脈動可以達到抑制氣泡尺寸增大的作用，因此能減小騰涌現象的發生，是應用于大顆粒流化的一種方法.Li等［6］提出了用組合氣流來對大顆粒進行流化，即一股連續氣流加一股脈動氣流，可以降低單一使用脈動氣流或單一使用連續氣流的流量和壓力，有利于節能.

此外，還有其他處理大顆粒農產品物料流態化干燥的方法被應用.如Li等［7-9］采用添加與大豆顆粒密度相似的硅膠顆粒（同屬于 D類顆粒）對大豆進行流化床干燥，一方面大豆與硅膠兩種組分可以較好的混合，通過輕質硅膠顆粒的流化提高大豆在流化床中的流化和干燥效果；另一方面硅膠顆粒可以作為大豆顆粒的水分吸附劑，吸水的同時可以放出熱量，也對大豆的干燥起到促進作用.趙麗娟等［10］以黃瓜籽和蘿卜籽為物料，以干燥后產品的發芽率和濕基含水量為質量指標，研究了蔬菜種子在烘箱及振動流化床中的干燥特性.提出在振動流化床的干燥過程中，物料懸浮在氣流中不停運動，單位質量物料的傳熱傳質面積大幅增加，干燥速率大，干燥時間短，產品質量均勻.但以上研究中存在設備結構復雜、輔助設備繁多以及需要物料與輔助流化顆粒分離等缺點.

本研究的目的是開發一種結構簡單、制造加工容易、氣體分布均勻的狹縫型流化床氣體分布板（簡稱狹縫型分布板），以提高處理D類顆粒在流化床中的流化特性.

1　實 驗

1.1實驗物料

利用核桃殼可以制備比表面積較大的活性炭，通常將核桃殼放入流化床內在流化狀態中制備.據此，選用核桃殼為實驗物料.經粉碎后用泰勒標準篩（8～10目）篩分，選擇粒徑為 2～2.8，mm的顆粒，密度為1，250，kg/m3.

1.2實驗流程與儀器

實驗流程如圖 1所示，用電子天平（JJ3000型，美國雙杰兄弟（集團）有限公司）稱取一定質量的物料放入流化床.羅茨風機（YJ3LR型，美國 Gardner Denver公司）產生的氣體，由旁路閥調節流量，經轉子流量計（LZB型，流量 0～600，m3/h，中國天津市五環儀表廠）顯示流量后，進入矩形流化床（自制，尺寸300，mm×200，mm），經過狹縫型分布板［11］（開孔率6%，）氣體分布后，對物料進行流化.兩個U型管壓差計（BY-U型，中國天津市塘沽玻璃儀器廠），分別用于測量分布板壓力降和床層壓力降.

圖1　實驗流程圖Fig.1 Flow diagram of experiment

狹縫型分布板是自主研發的新型流化床氣體分布板，該分布板由標準角鋼焊接而成，類似瓦楞結構，角鋼間的縫隙為2，mm，瓦楞高度為19，mm，如圖2所示.用于對比實驗的傳統分布板采用多孔型流化床氣體分布板（簡稱多孔型分布板），材料是聚酯（PET，聚對苯二甲酸類塑料），開孔采取正四邊形分布，孔直徑為2，mm，開孔率為6%，，如圖3所示.

圖2　狹縫型氣體分布板Fig.2 Slotted gas distributor

圖3　多孔型氣體分布板Fig.3 Porous gas distributor

1.3實驗方法

分別將狹縫型分布板和多孔型分布板固定在流化床內，將 U型管測壓計接于流化床，開啟風機，調節閥門控制流量，記錄兩個 U型管壓差計的測量值.改變風速，測量空床時的分布板壓力降；分別改變物料裝載質量和風速，測量床層壓力降和床層高度.實驗均重復3次，取平均值.

1.4床層膨脹比計算

床層膨脹比 η是指通入氣體流化時物料層所達到的最大高度和靜止狀態下物料層高度的比值，是反映流化狀態的重要指標，通常與物料的流化質量、物料的密度、物料顆粒大小及床層的孔隙率有關［12］.

2　結果和討論

2.1空床時分布板壓力降

圖 4為在不同風速下兩種氣體分布板的壓力降變化.由圖4可知：在分布板的開孔率相同（6%，）時，多孔型分布板的壓力降明顯高于狹縫型分布板的壓力降，而且隨著風速的增加，兩種氣體分布板的壓力降之間的差值增大.氣體分布板的壓力降低，說明氣體經過時的能量損失小，這樣就保證氣體有充足的能量流化物料，進行流態化操作.根據 Karri等［13］提出的理論，為了實現均勻的氣體分布，氣體分布板的壓力降不能太低，應大于床層壓力降的30%，.

圖4　不同風速下的兩種氣體分布板壓力降變化Fig.4 Distributor pressure drop of different plates vs velocity

2.2物料的流化特性

2.2.1床層壓力降

適當的床層高度，可以保證有足夠的空氣以合理的流速流過床層，有利于物料的流化.考慮到在物料質量為 3，000，g以下時表現出的流化特性不明顯，尤其是物料質量在2，000，g以下時床層高度低于瓦楞高度，物料質量在 6，000，g以上時，床層高度過高會導致在床層內空氣分布不均，床內流化現象表現為鼓泡床，物料不能很好地流化且有物料的噴出.因此，實驗中選取的物料質量范圍為 3，000～6，000，g，確定選取 3，000、4，500、6，000，g對狹縫型分布板流化床的流化特性進行研究.

物料質量為 3，000，g時，狹縫型分布板流化床內的床層高度為 90，mm，高于多孔型分布板流化床內的床層高度 80，mm，在圖 5中表現為狹縫型分布板流化床的床層壓力降比多孔型分布板流化床的床層壓力降要大，這主要是由于狹縫型分布板內存在瓦楞結構.

觀察圖5中壓力降和風速的變化，根據最小流化速度確定方法，在 3，000，g物料時，狹縫型分布板流化床的最小流化速度為0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床的最小流化速度為0.79，m/s左右.因此可以看出，在相同條件下物料在狹縫型分布板流化床內流化更好.

圖5　3 000，g物料時床層壓力降及膨脹比隨風速的變化Fig.5　Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 3 000，g material vs velocity

裝填量為 4，500，g物料時，床層高度繼續增加，其中狹縫型分布板流化床的床層高度為 125，mm，多孔型分布板流化床的床層高度為 120，mm.兩種分布板的床層高度差比物料為 3，000，g時變小，這是由于隨著重量的增加，下層的物料受到更大的壓力，導致顆粒之間的縫隙變小.如圖6所示，狹縫型分布板流化床的床層壓力降小于多孔型分布板流化床的床層壓力降.根據壓力降和流速的流化曲線確定最小流化速度，發現狹縫型分布板流化床的最小流化速度仍為0.69，m/s左右，而多孔型分布板的最小流化速度亦仍為 0.79，m/s左右.依然可以看出，物料在狹縫型分布板流化床內更易于流化.

物料質量為 6，000，g時，發現兩分布板床層高度均為165，mm.從圖7中床層壓力降和風速的關系可以看出，在風速大于 0.14，m/s之后，相對于多孔型分布板流化床而言，狹縫型分布板流化床具有更小的床層壓力降，這是由于狹縫型分布板獨特的瓦楞結構，可以產生類似噴動床的效果，更有利于大顆粒物料的流化.此時狹縫型分布板流化床的最小流化速度仍在0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床中物料的流化速度仍大于狹縫型分布板且仍在0.79，m/s左右.

圖6　4，500，g物料時床層壓力降及膨脹比隨風速的變化Fig.6 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 4，500，g material vs velocity

圖7 6，000，g物料時床層壓力降及膨脹比隨風速的變化Fig.7 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 6，000，g material vs velocity

圖5—圖7的實驗結果也驗證了這樣的結論，狹縫型的瓦楞結構使氣體通過狹縫后會形成類似噴射一樣的動力，有助于物料的流化［14］.所以，物料在狹縫型分布板比多孔型分布板流化床中的最小流化速度小，需要的流化動力小，更加節能.

2.2.2床層膨脹比

觀察圖 5—圖 7中床層膨脹比和風速的變化發現，兩種流化床中膨脹比大于1所對應的風速均小于相應的最小流化速度，這是由于床中顆粒在未達到完全流化狀態時，顆粒床層的流化是自上而下逐步形成的，即先是固定床上層出現流化，之后向下層擴散，漸漸達到整個床層的流態［3］，床層膨脹導致床層高度增加.同時，當床層內顆粒流化起來之后，原本疏松的床層隨著風速的增大變得更容易被吹起，表現為床層膨脹比的逐漸增大.

由圖5—圖7還可以看出，同在風機最大輸出風速1.02，m/s下，狹縫型分布板流化床的床層膨脹比均值為1.45，比多孔型分布板流化床中的床層膨脹比均值1.37更大.由膨脹比變化曲線可以看出，狹縫型分布板流化床從床層開始膨脹所需的風速小，說明狹縫型分布板流化床內物料流化更劇烈且更節能.這也是因為狹縫型的瓦楞結構和 V型結構可以像噴動床一樣產生噴射動力.在這種噴射動力作用下，物料在流化床內運動劇烈，從而床層膨脹比也相應的增加.其中，在3種物料質量情況下只有當氣體流化速度達到一定速度時，兩種分布板的床層膨脹比才出現差別，說明床體逐步由固定床向流化床的轉變，這與前面討論的壓力降和最小流化速度是一致的.

2.2.3狹縫型分布板流化床中物料質量對最小流化速度的影響

從圖 8可以看出，在物料質量分別為 3，000、4，500、6，000，g時，狹縫型分布板流化床對應的最小流化速度均為 0.69，m/s左右.可見，對于粒徑在 2～2.8，mm的核桃殼這種大顆粒物料，所需的最小流化速度不隨物料質量改變而變化.周勇敏等［3］通過實驗得出不同質量大顆粒物料在多孔型分布板流化床中的最小流化速度不隨物料質量增加而增大.因此可分析得出，這種現象的發生與這兩種分布板的構造沒有關系，而是在流化過程中大顆粒物料本身的特性.

圖8　　不同物料質量時狹縫型分布板流化床床層壓力降隨風速的變化Fig.8　Bed pressure drop in the fluidizing bed with a slotted gas distributor vs velocity of different quality materials

3　結 語

在研發的狹縫型分布板流化床中，對 Geldart D類顆粒核桃殼（粒徑 2～2.8，mm）進行流化實驗，并與多孔型分布板流化床對比.結果表明：在逐漸增加物料質量的情況下，狹縫型分布板流化床的床層壓力降比多孔型分布板流化床的小，且最小流化速度也均小于多孔型分布板流化床；當物料質量變化時，兩種分布板流化床各自的臨界流化速度始終保持不變，狹縫型分布板流化床所需最小流化速度為 0.69，m/s，小于多孔型分布板流化床的 0.79，m/s，說明狹縫型分布板流化床能夠利用更少的能源對物料進行更好的流化；在實驗中的最大風速下，狹縫型分布板流化床內的床層膨脹比均值為1.45，大于在相同條件下多孔型分布板流化床的床層膨脹比均值1.37，更有利于物料的流化和混合.

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責任編輯：常濤

Fluidization Characteristics of Geldart D Type Particles in a Fluidizing Bed with a Slotted Gas Distributor

LI Zhanyong，WANG Shaotie，LIU Pinda，GAO Xinyuan，XU Qing
（Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for the Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment，College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

The fluidization characteristics of the Geldart D type large particles（2-2.8，mm Walnut shell）have been researched on，using a self-designed fluidizing bed with a slotted gas distributor.Compared with the traditional porous distributor，the pressure drop of the new distributor is smaller.The corrugated structure of the slotted gas distributor is better for the fluidization characteristics of large size particles，and also the minimum fluidization velocity is reduced.Because of the fine fluidization in the fluidizing bed with a slotted gas distributor，the bed expansion ratio is bigger than that of the fluidizing bed with a traditional distributor.

slotted gas distributor；distributor pressure drop；fluidization characteristics；bed expansion ratio

TH49；TQ026.7

A

1672-6510（2016）04-0056-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150156

2015-10-13；

2015-12-16

天津市人才引進與科技合作計劃國際科技合作項目（14RCGFGX00850）；國家農業科技成果轉化項目（2014GB2A100526）

李占勇（1968—），男，山西人，教授，zyli@tust.edu.cn.

數字出版日期：2016-05-19；數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20160519.1036.010.html.