內(nèi)循環(huán)微型流化床流動(dòng)特性

姚梅琴，岳君容，戰(zhàn)金輝，許光文，劉曉星

（中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

內(nèi)循環(huán)微型流化床流動(dòng)特性

姚梅琴，岳君容，戰(zhàn)金輝，許光文，劉曉星

（中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

針對(duì)開發(fā)適用于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的微型流化床反應(yīng)分析儀的應(yīng)用需求，研究了外徑為30 mm的內(nèi)循環(huán)微型流化床中氣固流動(dòng)特性，具體考察了中心射流管伸入高度、內(nèi)導(dǎo)流管直徑和顆粒裝載量對(duì)實(shí)現(xiàn)固體物料內(nèi)循環(huán)的最小操作氣速和導(dǎo)流管與環(huán)隙區(qū)間竄氣的影響。結(jié)果表明，隨著射流管伸入高度的增大，實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的最小操作氣速變大；存在最優(yōu)的導(dǎo)流管直徑（20 mm），使得實(shí)現(xiàn)顆粒環(huán)流的最小操作氣速較小；增大顆粒裝載量有利于降低顆粒內(nèi)循環(huán)的最小操作氣速。通過檢測示蹤氣體在環(huán)隙區(qū)內(nèi)的質(zhì)譜信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在所考察的參數(shù)范圍內(nèi)，反應(yīng)器底部不存在導(dǎo)流管區(qū)向環(huán)隙區(qū)的竄氣；在反應(yīng)器上部，由于顆粒對(duì)氣體的夾帶，環(huán)隙區(qū)上部總能檢測到示蹤氣體，且竄氣特性隨操作氣速的增大而增強(qiáng)。研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)適用于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的內(nèi)循環(huán)微型流化床反應(yīng)器提供參考。

微型流化床；內(nèi)循環(huán)；流體力學(xué)；化學(xué)氣相沉積

Abstract:Considering the pressing needs of developing micro fluidized bed reaction analyzer (MFBRA) suitable for analyzing chemical vapor deposition reaction,this study conducted a preliminary research on the hydrodynamics of internally circulating micro fluidized bed.It investigated the influences of central jetting tube height,in-bed draft tube diameter and initial particle bed height on the start-up gas velocity of internal particle circulation and the gas bypass into the annulus.The results showed that raising the height of jetting tube increases the start-up gas velocity for particle internal circulation.There is an existed optimal draft tube diameter (20 mm)that minimizes such a start-up gas velocity.The start-up gas velocity becomes lower with the increase of initial particle bed height.The gas bypass into the annulus was evaluated according to the mass-spectrum intensities of the tracer gas.For the tested experimental conditions,the bypass of gas from draft tube to annulus was ignorable in the bottom section but discernable at the top of the annulus.

Key words:micro fluidized bed; internal circulation; hydrodynamics; chemical vapor deposition

引 言

氣固相化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位，合適的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測量儀器是獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的必要條件。鑒于目前常用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析儀器在等溫快速反應(yīng)分析方面的不足，中國科學(xué)院過程工程研究所創(chuàng)新研制了應(yīng)用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的微型流化床反應(yīng)分析儀（micro fluidized bed reaction analyzer,MFBRA）[1-4]。該分析儀器利用流化床強(qiáng)化床料、反應(yīng)樣品和氣體之間的傳質(zhì)和傳熱，最大程度地降低反應(yīng)溫度的不均勻性及外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)的影響，通過微量固體樣品瞬間脈沖進(jìn)樣實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的微分化和等溫下樣品與床料的均勻混合。目前該儀器已成功應(yīng)用于能源物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)[5-10]、不穩(wěn)定物質(zhì)快速復(fù)雜反應(yīng)[11]、催化劑再生反應(yīng)[12]、鐵礦粉還原反應(yīng)[13-14]及其他特殊氣氛下的氣固反應(yīng)[2,15-17]等多種氣固相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及機(jī)理的分析和測試。

目前研制的MFBRA所適用的氣固相化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中，固相主要是反應(yīng)物或者是固相反應(yīng)物的產(chǎn)物。為了拓展微型流化床反應(yīng)分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域，有必要研制適用于反應(yīng)物為氣相而產(chǎn)物為固相，即化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的新型 MFBRA。對(duì)于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)系統(tǒng)，固相產(chǎn)物不僅會(huì)沉積在反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒表面，也會(huì)沉積在反應(yīng)器壁面。從儀器開發(fā)角度，為了延長儀器的使用壽命，后者顯然需要盡可能避免。一個(gè)可能的解決方案是在微型流化床中設(shè)置一簡易可替換的導(dǎo)流管，并確保氣相沉積反應(yīng)僅發(fā)生在導(dǎo)流管區(qū)域。而實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的基礎(chǔ)是確保中心管區(qū)和環(huán)隙區(qū)之間固體物料能穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)而反應(yīng)氣體不會(huì)發(fā)生竄氣行為。

目前關(guān)于微型流化床流體力學(xué)特性的研究主要集中在探討壁面效應(yīng)對(duì)起始流化速度、床層壓降、床層膨脹特性及氣體返混特性的影響[18-24]，對(duì)于顆粒內(nèi)部環(huán)流反應(yīng)器的冷態(tài)研究主要集中在大型環(huán)流反應(yīng)器的尺寸、結(jié)構(gòu)和操作條件的優(yōu)化，以更好指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)[25-29]。而對(duì)于帶有中心導(dǎo)流管的內(nèi)循環(huán)微型流化床的流體力學(xué)特性研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。針對(duì)開發(fā)適用于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測量的新型MFBRA的具體需求，本研究工作通過開展冷模實(shí)驗(yàn)，研究了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)對(duì)氣固兩相在環(huán)隙區(qū)和中心管區(qū)之間的流動(dòng)及分配影響，以期為新型MFBRA的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

圖1 內(nèi)循環(huán)微型流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.1 Schematic diagram of internally circulating micro fluidized bed test system 1—Ar；2—N2；3—pressure reducing valve；4—mass flowmeter；5—fluidized bed；6—monitoring position；7—pressure sensor；8—data acquisition system；9—computer；10—mass spectrum

圖2 內(nèi)循環(huán)微型流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of internally circulating micro fluidized bed

本工作所采用的內(nèi)循環(huán)微型流化床實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，主要由內(nèi)循環(huán)微型流化床反應(yīng)器、流量計(jì)控制系統(tǒng)、壓力測試采集系統(tǒng)及氣體檢測系統(tǒng)構(gòu)成。內(nèi)循環(huán)微型流化床反應(yīng)器由石英玻璃制成，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。主體部分的直徑為30 mm、高度為100 mm，頂部放大段的直徑為50 mm、高度為100 mm。床內(nèi)導(dǎo)流管高為85 mm，底部距離分布板15 mm，實(shí)驗(yàn)中將通過改變內(nèi)導(dǎo)流管的直徑Dd（10、15、20 mm）來考察內(nèi)導(dǎo)流管直徑對(duì)反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)特性的影響。在內(nèi)導(dǎo)流管底部區(qū)域布置一內(nèi)徑為6 mm、壁厚為1 mm的中心射流管，以控制內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)域反應(yīng)氣體的流量。實(shí)驗(yàn)中兩種中心射流管伸入高度Hi分別為30、45 mm（以分布板位置為基準(zhǔn)）。表1列出了不同實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)信息。實(shí)驗(yàn)中為保證氣體在反應(yīng)器底部入口處的均勻分布，氣體分布板采用激光打孔方式制得，孔徑為0.6 mm，并按正三角形均勻排布，分布板上方粘有一層300目（48 μm）的篩網(wǎng)以防止漏料。

表1 內(nèi)循環(huán)微型流化床幾何結(jié)構(gòu)Table 1 Geometrical information of investigated internally circulating micro fluidized beds

為測量不同位置之間的床層壓降以及氣體組分信息，在分布板上方5 mm（P1）、20 mm (P2、P12)、40 mm (P3、P11)、60 mm（P4、P10）、80 mm（P5、P9）、100 mm（P6、P8）處設(shè)置測量點(diǎn)，其中 P2～P6測量點(diǎn)位于導(dǎo)流管內(nèi)。壓力傳感器采用DMP335經(jīng)濟(jì)型差壓變送器，其量程可在 0～500 Pa、0～1000 Pa、0～2000 Pa間切換，實(shí)驗(yàn)過程中壓差采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)間為100 s。數(shù)據(jù)采集器為美國MCCPMD-1608FS USB數(shù)據(jù)采集器。氣體組分信息通過過程質(zhì)譜LCD-200檢測。

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，采用的氣體為工業(yè)氮?dú)夂透呒儦鍤?99.999%)。所用顆粒為石英砂顆粒，通過馬爾文激光粒度分析儀分析測得石英砂顆粒的平均粒徑為191 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中顆粒循環(huán)通量由 CCD高速攝像的方式測得。具體操作如下[30]：在通入氣體之前，于環(huán)隙區(qū)床層頂部加入高約為5 mm的示蹤顆粒(所用的石英砂顆粒經(jīng)亞甲基藍(lán)染色后篩分，得同粒徑的示蹤顆粒)，本實(shí)驗(yàn)讀取示蹤顆粒在剛開始下降 20 mm的時(shí)間來計(jì)算顆粒的循環(huán)量，計(jì)算式為

式中，ρp為顆粒的密度，kg·m?3；Aa為環(huán)隙的截面積，m2；Δh為示蹤顆粒下降高度(本實(shí)驗(yàn)為0.02 m)，m；Δt為示蹤顆粒降落20 mm所用的時(shí)間，s；Ad為內(nèi)導(dǎo)流管截面積，m2。對(duì)于每種工況，實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，顆粒循環(huán)通量取5次測量結(jié)果的平均值。

需要指出的是，由式(1)計(jì)算顆粒循環(huán)通量是基于以下假設(shè)：系統(tǒng)通入氣體后迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即環(huán)隙區(qū)顆粒流動(dòng)狀態(tài)與時(shí)間無關(guān)；環(huán)隙區(qū)物料層以活塞流方式流動(dòng)；環(huán)隙區(qū)物料層空隙率與操作條件無關(guān)。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，以上假設(shè)的合理性及其帶來的誤差目前還無法定量評(píng)估，因此本實(shí)驗(yàn)中測得的顆粒循環(huán)通量只能作為定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中通過檢測導(dǎo)流管區(qū)測量點(diǎn) P2、P4、P6和環(huán)隙區(qū)測量點(diǎn) P8、P10、P12處的氣體質(zhì)譜響應(yīng)信號(hào)，考察氣體在環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流管區(qū)之間的竄氣特性。具體操作如下：在導(dǎo)流管內(nèi)通入高純氬氣作為示蹤氣體，在環(huán)隙區(qū)通入工業(yè)氮?dú)狻Ｔ谙鄳?yīng)的檢測點(diǎn)伸入毛細(xì)管，通過過程質(zhì)譜檢測監(jiān)測點(diǎn)氬氣和氮?dú)獾捻憫?yīng)信號(hào)。質(zhì)譜在每個(gè)氣速下的采樣時(shí)間為40 s，采集頻率為10 Hz。

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文工作中無法直接測量環(huán)隙區(qū)和內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)的氣體流速。當(dāng)中心射流管和反應(yīng)器底部分布板均通入氣體時(shí)，假設(shè)底部分布板處氣體分布均勻，進(jìn)而采用式（2）、式（3）進(jìn)行環(huán)隙區(qū)和內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)氣速的計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 中心射流管/內(nèi)導(dǎo)流管對(duì)最小流化速度的影響

已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[18-23]，相比于常規(guī)流化床，微型流化床中強(qiáng)烈的壁面效應(yīng)會(huì)使得物料最小流化速度(Umf)顯著增大，床料流化滯后。為定量評(píng)估添加中心射流管和內(nèi)導(dǎo)流管對(duì)床料流化特性的影響，采用降速法，通過測量床層壓降測定了不同靜床高度（Hs）下的最小流化速度。

采用No.1反應(yīng)器和No.2反應(yīng)器，圖3（a）比較了中心射流管對(duì)床料最小流化速度的影響，實(shí)驗(yàn)中流化床內(nèi)中心射流管伸入高度為30 mm。反應(yīng)器中設(shè)置中心射流管稍稍提高了床料的最小流化速度。這可能是因?yàn)橹行纳淞鞴艿募尤朐龃罅藛挝惑w積床料所受到的壁面摩擦作用，從而延遲了床料的流化。圖3（b）比較了內(nèi)導(dǎo)流管對(duì)床料最小流化速度的影響。實(shí)驗(yàn)中在空白管中垂直內(nèi)置直徑為 15 mm的內(nèi)導(dǎo)流管（No.3反應(yīng)器），將反應(yīng)器分為導(dǎo)流管區(qū)和環(huán)隙區(qū)。內(nèi)導(dǎo)流管底部距離分布板15 mm。流化氣體經(jīng)分布板后進(jìn)入整個(gè)床層。由圖3（b）可以看出，添加內(nèi)導(dǎo)流管后，導(dǎo)流管內(nèi)床料的最小流化速度與空白管床料最小流化速度基本相當(dāng)，而環(huán)隙區(qū)床料的最小流化速度略有提高。需要指出的是，本研究中沒有直接測量環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流管區(qū)的氣體流量，圖3中所有的操作氣速都是基于整個(gè)反應(yīng)器直徑計(jì)算得到的整體表觀氣速。圖3也同時(shí)表明，提高床層的初始堆積高度也會(huì)導(dǎo)致最小流化速度稍稍增大，Liu等[19]及Guo等[20]也得到了相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同顆粒靜床高度下射流管和導(dǎo)流管對(duì)最小流化速度的影響Fig.3 Influence of jetting tube and draft tube on minimum fluidization velocity at various initial particle bed heights

綜合圖3的結(jié)果可以看出，在本文考察的內(nèi)循環(huán)微型流化床系統(tǒng)中，床料的起始流化速度與床結(jié)構(gòu)、床料高度有關(guān)，但起始流化速度的變化幅度不大（＜10%）。為進(jìn)一步比較床層結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)床料起始流化速度的影響，對(duì)于所考察的氣體、固體物料屬性，采用流態(tài)化手冊(cè)中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了床料的起始流化速度[31]。

基于式（4）計(jì)算得到的最小流化速度Umf為0.033 m·s?1，小于實(shí)驗(yàn)測量值，這說明本文所考察的流化床系統(tǒng)存在一定的壁面效應(yīng)。在后文實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論中，為便于比較不同操作條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，操作氣速統(tǒng)一用量綱1化表觀氣速（U/Umf）表示。考慮到式（4）計(jì)算得到的最小流化速度與實(shí)驗(yàn)測量值偏差不大(＜30%)，因此為統(tǒng)一起見，后文中所提到的最小流化速度Umf均取為式（4）的計(jì)算結(jié)果，即 0.033 m·s?1。

2.2 中心射流管伸入高度的影響

為了考察中心射流管伸入高度對(duì)內(nèi)循環(huán)微型流化床流化特性的影響，對(duì)于導(dǎo)流管直徑Dd=15 mm的條件，實(shí)驗(yàn)考察了兩種不同的中心射流管伸入高度Hi為30 mm (No.4反應(yīng)器)、45 mm(No.5反應(yīng)器)。由文獻(xiàn)[29]可知，內(nèi)循環(huán)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)顆粒實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的推動(dòng)力來自導(dǎo)流管區(qū)和環(huán)隙區(qū)底部的壓力差，當(dāng)這一壓力差大于顆粒環(huán)流流動(dòng)產(chǎn)生的阻力時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)顆粒的環(huán)流流動(dòng)，將此時(shí)的操作氣速稱為內(nèi)循環(huán)流化床的顆粒內(nèi)循環(huán)啟動(dòng)氣速。固定環(huán)隙區(qū)的操作氣速，調(diào)節(jié)內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)的操作氣速，在實(shí)驗(yàn)中可觀察到顆粒在導(dǎo)流管區(qū)向上流動(dòng)，而在環(huán)隙區(qū)向下流動(dòng)，這種內(nèi)循環(huán)流動(dòng)行為稱為中心氣升式環(huán)流。表2列出了初始床層高度Hs=65 mm時(shí)，不同環(huán)隙區(qū)操作氣速所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流管區(qū)的內(nèi)循環(huán)環(huán)流啟動(dòng)氣速。其中，Ua為環(huán)隙區(qū)的操作氣速，Ud為導(dǎo)流管區(qū)的啟動(dòng)操作氣速。由表2可發(fā)現(xiàn)，環(huán)隙區(qū)操作氣速Ua≥1.77Umf時(shí)，相比于中心射流管伸入高度為45 mm條件，中心射流管伸入高度為30 mm條件下實(shí)現(xiàn)顆粒的循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管區(qū)內(nèi)循環(huán)環(huán)流啟動(dòng)氣速明顯變小。這說明降低射流管升入高度有利于降低內(nèi)循環(huán)微型流化床的顆粒內(nèi)循環(huán)啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)流管區(qū)的操作氣速。

表2 導(dǎo)流管區(qū)和環(huán)隙區(qū)啟動(dòng)氣速隨射流管伸入高度的變化Table 2 Start-up gas velocities of draft tube and annulus for different heights of jetting tube

圖4給出了Ua=2.22Umf時(shí)中心射流管伸入高度對(duì)固體物料循環(huán)量的影響。從圖中可以看出，對(duì)于給定的中心射流管伸入高度，固體顆粒物料循環(huán)量隨著導(dǎo)流管區(qū)操作氣速的增加而增大，而增加到一定值后，固體顆粒物料的循環(huán)量受導(dǎo)流管區(qū)操作氣速的影響變小。對(duì)于給定的導(dǎo)流管區(qū)表觀氣速，固體顆粒物料的循環(huán)量隨著射流管伸入高度的增加而減小。這主要是因?yàn)橹行纳淞鞴苌烊敫叨鹊脑龃螅鰪?qiáng)了內(nèi)導(dǎo)流管和中心射流管間固體顆粒所受到的壁面摩擦作用，降低了固體顆粒的流動(dòng)性，進(jìn)而減小了顆粒循環(huán)通量。

圖4 射流管伸入高度對(duì)顆粒循環(huán)量的影響Fig.4 Influence of jetting tube height on solids circulation rate(Dd=15 mm,Hs=65 mm)

由于中心射流管伸入高度為 30 mm條件下操作氣速范圍、顆粒循環(huán)量都優(yōu)于伸入高度為45 mm的條件，因此在后續(xù)的研究中將固定中心射流管伸入高度為30 mm。

2.3 內(nèi)導(dǎo)流管直徑的影響

表3 導(dǎo)流管和環(huán)隙操作氣速隨導(dǎo)流管直徑的變化Table 3 Minimum superficial gas velocities of draft tube and annulus for different draft tube diamters

為考察內(nèi)導(dǎo)流管對(duì)顆粒內(nèi)循環(huán)環(huán)流啟動(dòng)氣速和顆粒循環(huán)量影響，實(shí)驗(yàn)中固定中心射流管伸入高度(30 mm)和床層初始高度(65 mm)，針對(duì)內(nèi)導(dǎo)流管直徑Dd=10，15，20 mm（分別為反應(yīng)器No.6、No.4和No.7）3種情況開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。表3列出了不同內(nèi)導(dǎo)流管直徑下實(shí)現(xiàn)固體物料內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管區(qū)啟動(dòng)操作氣速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在環(huán)隙區(qū)操作氣速Ua≥2.22Umf條件下，隨著內(nèi)導(dǎo)流管直徑的增大，實(shí)現(xiàn)床料內(nèi)循環(huán)的導(dǎo)流管區(qū)啟動(dòng)氣速逐步減小。需要指出的是，本研究工作中并沒有直接測量內(nèi)導(dǎo)流管氣體流量，內(nèi)導(dǎo)流管操作氣速和環(huán)隙區(qū)的操作氣速是通過式（2）和式（3）計(jì)算得到。由于反應(yīng)器分布板上開孔是均勻分布的，隨著內(nèi)導(dǎo)流管直徑的增大，由氣體分布板進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)流管的松動(dòng)風(fēng)流量逐漸增大，使得導(dǎo)流管內(nèi)總氣體流量增大，因此基于中心射流管氣體流量計(jì)算得到的導(dǎo)流管“最小表觀氣速”逐步減小。由表3可以看到，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)流管直徑為20 mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)環(huán)流流動(dòng)時(shí)導(dǎo)流管區(qū)的啟動(dòng)操作氣速最小。

圖5比較了內(nèi)導(dǎo)流管直徑對(duì)顆粒循環(huán)量的影響（導(dǎo)流管直徑為10 mm的顆粒循環(huán)量非常少，在圖中不進(jìn)行對(duì)比）。內(nèi)導(dǎo)流管直徑的增大會(huì)使得在相同操作氣速下顆粒的循環(huán)量增加。這主要是因?yàn)樵龃髢?nèi)導(dǎo)流管直徑會(huì)提高松動(dòng)風(fēng)進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)流管的比率，進(jìn)而提高內(nèi)導(dǎo)流管底部顆粒物料的流動(dòng)性。在給定內(nèi)導(dǎo)流管直徑的條件下，提高環(huán)隙區(qū)表觀氣速Ua有利于增大床料的循環(huán)通量。這主要是因?yàn)榄h(huán)隙區(qū)表觀氣速的增大，增強(qiáng)了環(huán)隙區(qū)、內(nèi)導(dǎo)流管與中心射流管間固體密相區(qū)物料的流動(dòng)性。

圖5 導(dǎo)流管直徑對(duì)顆粒循環(huán)量的影響Fig.5 Influence of draft tube diameter on solids circulation rate (Hi=30 mm,Hs=65 mm)

綜合顆粒內(nèi)循環(huán)環(huán)流流動(dòng)的內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)啟動(dòng)氣速和顆粒循環(huán)量，優(yōu)選的內(nèi)導(dǎo)流管直徑為20 mm。

2.4 顆粒裝載量的影響

基于對(duì)中心射流管伸入高度和內(nèi)導(dǎo)流管直徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本部分實(shí)驗(yàn)中固定中心射流管高度為30 mm、內(nèi)導(dǎo)流管直徑為15 mm（No.4反應(yīng)器），考察物料裝載量對(duì)啟動(dòng)氣速和竄氣特性的影響。

表4給出了不同顆粒裝載量和環(huán)隙區(qū)操作氣速情況下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管啟動(dòng)氣速。由于實(shí)驗(yàn)中很難直接測量環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流管區(qū)的氣體流量，因此表4中環(huán)隙區(qū)和內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)表觀氣速（Ua、Ud）分別是通過式（2）和式（3）計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在給定顆粒裝載量條件下，形成穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管啟動(dòng)氣速與環(huán)隙區(qū)表觀氣速密切相關(guān)。當(dāng)Ua=1.33Umf時(shí)，在顆粒裝載量Hs＜75 mm條件下，反應(yīng)器中無法形成顆粒循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)增大環(huán)隙區(qū)表觀氣速至 1.77Umf時(shí)，除去顆粒裝載量Hs=40 mm，其他條件下系統(tǒng)內(nèi)都形成了穩(wěn)定的顆粒循環(huán)流動(dòng)。進(jìn)一步提高環(huán)隙區(qū)表觀氣速會(huì)使得內(nèi)導(dǎo)流管啟動(dòng)氣速降低。對(duì)于給定的環(huán)隙區(qū)操作氣速，隨著顆粒裝載量的增大，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顆粒循環(huán)流動(dòng)的內(nèi)導(dǎo)流管啟動(dòng)氣速逐步減小。這主要是因?yàn)轭w粒裝載量的增大減小了床料和內(nèi)導(dǎo)流管上端間的距離，在同樣床層膨脹率條件下，高顆粒裝載量使得床料更易于溢出導(dǎo)流管，進(jìn)而在環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流管區(qū)形成循環(huán)流動(dòng)。由于顆粒裝載量Hs=40 mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)導(dǎo)流管區(qū)的啟動(dòng)氣速太大，不利于實(shí)驗(yàn)操作；而顆粒裝載量Hs＞ 70 mm時(shí)，環(huán)隙區(qū)的顆粒物料容易堆積至放大段，不利于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，因此優(yōu)選的床料初始堆積高度為45～70 mm。

表4 實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的最小導(dǎo)流管表觀氣速Table 4 Minimum superficial gas velocity of draft tube for realizing internal circulating flow of solids(No.4 bed)

2.5 氣體竄氣特性

為研究導(dǎo)流管區(qū)和環(huán)隙區(qū)之間的竄氣行為，實(shí)驗(yàn)中在內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)通入高純氬氣作為反應(yīng)示蹤氣體，在環(huán)隙區(qū)通入氮?dú)庾鳛槎栊粤骰瘹怏w。通過考察每個(gè)內(nèi)導(dǎo)流管區(qū)操作氣速下選定測量點(diǎn)處氬氣及氮?dú)獾馁|(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度，定性檢測系統(tǒng)內(nèi)的竄氣特性。基于顆粒物料循環(huán)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，本部分實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)流管直徑為15 mm，射流管伸入高度為30 mm。

圖6 P8(a、b)、P10(c)和P12(d)測得的氬氣和氮?dú)庑盘?hào)強(qiáng)度Fig.6 MS intensities of N2and Ar at P8(a,b),P10 (c) and P12 (d)(Hs=65mm,Ua=2.22Umf,Dd=15 mm,Hi=30 mm)

圖6給出了典型的測量結(jié)果（Hs=65 mm），其他初始床高下床層環(huán)隙區(qū)床料表面和床料內(nèi)部的測量結(jié)果與圖6基本類似。圖中縱坐標(biāo)均為質(zhì)譜檢測得到的氣體信號(hào)強(qiáng)度值，橫坐標(biāo)為整個(gè)操作過程的時(shí)間。需要指出的是，在整個(gè)操作過程中，導(dǎo)流管區(qū)的操作氣速隨時(shí)間以階躍的方式逐步增大[圖6(a)]。圖6(b)表明，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)固體物料實(shí)現(xiàn)持續(xù)內(nèi)循環(huán)環(huán)流后，環(huán)隙區(qū)上部(P8測量點(diǎn))總能監(jiān)測到氬氣；而從圖6(c)和圖6(d)中可以看出，環(huán)隙區(qū)物料層內(nèi)部(P10測量點(diǎn))和環(huán)隙區(qū)物料層底部(P12測量點(diǎn))氬氣的含量基本可忽略，這說明P8測量點(diǎn)處監(jiān)測到的氬氣是由導(dǎo)流管上部進(jìn)入到環(huán)隙區(qū)。由于導(dǎo)流管內(nèi)的顆粒由環(huán)隙區(qū)上部進(jìn)入環(huán)隙區(qū)時(shí)，會(huì)夾帶部分氬氣，因此圖6的結(jié)果表明，氣體由導(dǎo)流管到環(huán)隙區(qū)的竄氣行為主要是由于固體夾帶所導(dǎo)致。由圖6可以看出，在一定氣速范圍內(nèi)，增大導(dǎo)流管氣速會(huì)加劇導(dǎo)流管區(qū)向環(huán)隙區(qū)的竄氣。這主要是因?yàn)樵龃髢?nèi)導(dǎo)流管氣速會(huì)提高物料循環(huán)量，從而增強(qiáng)了氣體夾帶效果。

3 結(jié) 論

（1）在微型流化床反應(yīng)器內(nèi)添設(shè)中心射流管和內(nèi)導(dǎo)流管使得床料的最小流化速度稍稍增大，流化滯后。

（2）在給定的環(huán)隙區(qū)操作氣速條件下，增大中心射流管伸入高度使得實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管區(qū)最小操作氣速增大；對(duì)于所考察的反應(yīng)器直徑和導(dǎo)流管直徑，存在一最優(yōu)的導(dǎo)流管直徑（20 mm），此時(shí)導(dǎo)流管區(qū)的實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)循環(huán)環(huán)流的最小操作氣速較低，并且產(chǎn)生較大的顆粒循環(huán)量。

（3）物料裝載量的增大有利于降低實(shí)現(xiàn)床內(nèi)顆粒內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)流管區(qū)的最小操作氣速，但裝載量過大會(huì)導(dǎo)致環(huán)隙區(qū)內(nèi)床料上端面達(dá)到內(nèi)部導(dǎo)流管的上端。

（4）質(zhì)譜檢測信號(hào)顯示，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中考察的所有條件，在反應(yīng)器底部不存在導(dǎo)流管區(qū)向環(huán)隙區(qū)的竄氣；但由于固體對(duì)氣體的夾帶，環(huán)隙區(qū)的上端面存在少量的竄氣。

符 號(hào) 說 明

Adis——分布板的截面積，m2

Ai——中心射流管的截面積，m2

Dd——內(nèi)導(dǎo)流管的直徑，mm

dp——顆粒平均粒徑，μm

Gs——顆粒循環(huán)通量，kg·(m2?s)?1

g——重力加速度，m?s?2

Hi——中心射流管伸入高度，mm

Hs——靜床高度，mm

Qd——進(jìn)入導(dǎo)流管區(qū)的氣體流量，m3?s?1

Qdis——進(jìn)入底部分布板的氣體流量，m3?s?1

Qi——進(jìn)入中心射流管的氣體流量，m3?s?1

Ua——環(huán)隙區(qū)氣速，m?s?1

Ud——導(dǎo)流管區(qū)操作氣速，m?s?1

Umf——顆粒最小流化速度，m?s?1

μ——?dú)怏w黏度，μPa?s

ρg——?dú)怏w密度，kg·m?3

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Hydrodynamics of internally circulating micro fluidized bed

YAO Meiqin,YUE Junrong,ZHAN Jinhui,XU Guangwen,LIU Xiaoxing
(State Key Laboratory of Multi-phase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

TQ 052.5

A

0438—1157（2017）10—3717—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170495

2017-04-27收到初稿，2017-05-08收到修改稿。

聯(lián)系人：劉曉星。

姚梅琴(1988—)，女，碩士。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (2016YFF0102600)；中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目(Y224051398)。

Received date:2017-04-27.

Corresponding author:Prof.LIU Xiaoxing,xxliu@ipe.ac.cn

Foundation item:supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFF0102600) and the Hundred Talents Program of Chinese Academy of Sciences(Y224051398).