微型流化床的研究現狀

李凡，賈松巖(沈陽化工大學 化學工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

傳統工業中的流化床通常規模較大，床直徑從1 到10 m 不等，而實驗室規模的用于基礎研究的流化床通常直徑在10～50 cm 之間的范圍[1]。微型流化床(micro-fluidized bed， MFB)于2005 年首次提出并進行研究[2]，通常指內部直徑幾毫米(通常小于20 mm)，在壁面與流化系統之間有大的接觸表面積的流化床。因此，相比傳統流化床，MFB 在實際應用中有獨特的優勢，如放熱反應中超高速的散熱，易獲得等溫條件；在低流速時有較高的表面氣速；反應器的操作穩定性提高[3]；易于安裝和運輸，節約空間。這些優勢使得微型流化床在復雜反應分析和實際應用中扮演著重要的角色。

1 流態化

流態化指固體顆粒被上升的氣體或液體作用而處于懸浮狀態，從而獲得流體特性的一種物理現象。近代流態化理論以Kwauk M等[4]提出的廣義流態化理論和Davidson等[5]提出的氣泡理論為代表，而近代流態化技術的工業應用則以煤的氣化和石油的催化裂化為代表[6]。

流化床中的大量顆粒隨著床層的膨脹調整空隙率，使顆粒之間脫離接觸，從而消除顆粒間的內摩擦，使顆粒能夠在一個相當寬的表觀氣速范圍內懸浮于氣流之中[7-8]。在流化過程中，表達床層膨脹過程固體顆粒分布的體系重心是考查床層膨脹程度的重要參考；而流化過程中流化因子(固體顆粒曳力與重力的比值)則反映了流化過程的穩定程度。

液固流態化一般有固定床、散式流態化和液相輸送三種流型，而氣固流態化通常具有更復雜的流型，隨著氣速的增大，顆粒床層歷經固定床、散式床、鼓泡床、節涌床、湍動床、快速流化床、氣力輸送等一系列的流型轉變。通常，顆粒夾帶量有限的流化狀態，包括散式、鼓泡、湍動，稱為低氣速流態化；反之，快速流態化、氣力輸送則稱為高氣速流態化。對于低氣速流態化，沿床層軸向顆粒濃度呈上稀下濃的連續分布，沿徑向為中心稀、邊壁濃。在高氣速流態化階段，床層顆粒濃度不斷變稀，軸向分布更均勻，床層壓降亦隨之降低。在傳統的流化床中，返混受氣泡運動的影響很大，而氣泡的運動與床的尺寸(直徑)，固體顆粒的性質和氣體的速度密切相關[9]。Geldart等[10]提出了Geldart 顆粒分類法，將固體顆粒按照粒徑和密度分為A、B、C、D 四類，這為流態化的深入研究提供了重要的基礎和參考。

2 微型流化床

目前針對微型流化床流體動力學特性的研究主要集中在通過改變反應器內徑尺寸、顆粒粒徑和靜態床高，從而探討探討最小流化/鼓泡速度、床層壓降、床層膨脹過程等如何影響微型流化床的流體力學特性以及床層內部氣固流動結構的變化。

2.1 研究方法

2.1.1 實驗方法

在MFB 的研究中，已經報道了兩種類型的實驗方法，即視覺觀察法和基于壓力信號測量的技術(FPS 分析)。視覺觀察法通過直接觀看或使用高速攝像機來記錄變化的床層，再通過一幀一幀分析，這可以清楚地觀測到內部流化狀態。比如Zivkovic等[11]通過將染料稀釋技術與標準俯視圖分析相結合，發現微流化床提供的混合效率和混合能量效率是相同尺寸的無顆粒通道的三倍之多，混合性能受比功率輸入和床空隙的強烈影響。另外攝像的成像分辨率也會對研究產生一定的影響。Moein等[12]報告了一種新方法，當微流化床由單分散球近似的顆粒組成時，可以避免此問題。他們通過在床的連續橫截面圖像中識別顆粒橫截面的近似中心和直徑，將其替換為圓形，然后通過識別連續圖像之間的相關性，將它們組裝以形成顆粒，可以實現此目的。

在第二種壓力測量技術中，使用了差壓傳感器，這個方法相較于視覺觀察對流化狀態的把握更加精準。其主要包括兩個探頭，一個保持對大氣開放一個通道或連接到自由板上的探頭，另一個連接到氣體分布器下方或表面的探頭。但氣體分配器上壓力探頭的固定可能會導致壓力波動信號(PFS)精度的損失。McDonough等[13]使用3d 打印技術將壓力探頭定位在氣體分配器的正上方，當壓力探頭直接指向固體系統時，PFS 被有效而準確地捕獲。而Quan等[14]在每個MFB 中，開發了一種微機械工藝，通過柱壁橫向引入一個壓力探頭，并將其置于氣體分配器上方一點。然后使用統計方法(平均值和標準偏差)結合FFT(快速傅里葉變換)頻譜分析(PSDF 和T-F 分析)進行分析。

2.1.2 模擬方法

目前對氣固兩相流的模擬方法主要包括兩種：一種是離散方法，認為系統是由大量粒子組成，離子間作用決定系統的行為；這種方法可以給出離散顆粒運動的詳細信息，更適合研究顆粒-流體系統中的復雜時空細節。另一種是連續型方法，基于連續性假設，將離散的固體顆粒處理為擬流體，將流體相處理為連續介質，空間的每一點流體相與顆粒相均共同存在，顆粒相與流體相相互滲透并各自遵守質量守恒、動量守恒以及能量守恒方程。連續型的雙流體模型是當前流化床模擬采用的主要方法之一，這種方法適合研究較為宏觀的流態化現象，但無法精確處理流體相與顆粒相界面的問題。

Mark J.Biggs等[15]通過將離散方法的顆粒軌道模型產生的結果與實驗獲得的結果進行比較，發現反應發生在流化床乳相中駐留的固定碳的邊界層內，反應程度隨著表觀氣體速度的增大而減小。Xu等[16]將傳統的分子動力學模擬MD 被推廣到適應不同尺度的離散元素。通過實現系統、模型、軟件和硬件之間的一致性(即EMMS 范式)，以實現高效率，并討論了將分子動力學工程化為虛擬實驗平臺的可能性。Fang[17]等使用計算流體動力學離散元方法(CFD-DEM) 進行了試驗，以數值結果揭示了微循環流化床床層各部分的典型氣固流型，并分析了床的時間平均速度和空隙率分布，發現在床的入口和出口附近有明顯的變化，沿提升管軸的時間平均固體速度的反“C”分布，由此證明了設施結構對氣固流動特征具有至關重要的影響。

2.2 特性總結

微型流化床與傳統流化床的不同主要源于其突出的壁效應。壁效應在不同情況下會產生較大的差異，其與傳統流化床的不同具體表現在以下幾個方面。

2.2.1 流化滯后現象

流化滯后現象指實際測量的最小流化速度大于理論預測值，主要原因是相比于傳統流化床，內徑很小的MFB 增加了向下的壁面摩擦，使得流化過程出現滯后。

Quan等[14]使用球形Geldart B 組粒子(玻璃珠)在內徑4～100 mm 之間的流化床中被分為6 組實驗，確定了MFB 中五個流態：固定床，擬均相流態化，鼓泡，節涌和湍流化。與CFB 相比，MFB 的最小流化，鼓泡和節涌均出現滯后，而湍流的發生則提前了。當Dt 從20 mm 減小到4 mm(MFB 標度)時，最小流化速度僅略有增加，而最小鼓泡速度和最小節涌速度明顯增加，Wang F等[1]研究了截面尺寸為(700 μm～ 5 mm)×(700 μm～3 mm)的矩形微管中FCC 顆粒的流化特性，也出現了流化滯后現象，且最小流化速度和最小鼓泡速度均隨著床尺寸的減小呈指數遞增。

2.2.2 湍動的提前

Wang等[18]在截面積為2×0.93 mm2～6×2.8 mm2的方形流化床中，研究了粒徑為50～150 μm，密度為1 500 kg/m3的顆粒的流化特性，發現MFB 中的湍動轉變速度明顯減小。Quan等[14]也得出湍動提前的結論，發現到湍流化后期涵蓋了相對較寬的氣體速度范圍，并且具有相對均質的流化結構，這一結論可能為MFB 未來的實際應用開發鋪平道路。

2.2.3 床層壓降的變化

在傳統流化床中，床層壓降為單位界面內固體顆粒的表觀重量(即重力-浮力)，當流化穩定后，床層壓降將保持定值而與氣速無關。而在MFB 中，有一個研究趨勢是接近最小流化速度的床層壓降比單位界面床內粒子的表觀重量更高，從而被定義為超壓降，這歸因于壁摩擦產生的阻力，并且被一些作者作為一個MFB壁效應的量化參數[19]。另一個趨勢是，床層壓降被發現低于用于傳統流化床古典能動方程預測的值[20]，這被歸因于MFB 床層空隙率的增加。

2.2.4 邊壁效應的影響

微型流化床由于床層直徑的減小使得邊壁效應加劇。Liu等[19]研究了床層直徑為12 mm、20 mm、32 mm的氣固微型流化床，發現當床直徑從20 mm 減小到12 mm 時，最小流化速度和最小鼓泡速度均顯著增大；當床層直徑大于20 mm 時僅略微影響這兩種速度。當床層直徑為12 mm 時，最小流化速度隨固體物料起始堆積高度的增加而增大。Liu等[21]采用雙流體模型和修正的Gibilaro 曳力模型模擬研究了Geldart A 顆粒在氣固微型流化床中的流化行為，發現壁面光滑系數對固體顆粒最小流化速度和床層空隙率的影響很小，而對氣固流動形態的影響很大。

2.2.5 高徑比與粒徑比的影響

Guo 等[20]發現高徑比從1∶1 增加到1∶3 時，最小流化速度隨床層高度的增大近似線性增大。另外，粒徑比(床徑與粒徑之比)對流化特性也會產生一定的影響。Doroodchi等[22]通過研究內徑為0.8 mm、1.2 mm、17.1 mm 的液固微型流化床中不同粒徑玻璃珠的流化過程，發現粒徑比大于3.5 時，床層內形成散式流態化，并且床層壓降和最小流化速度隨著床徑的減小逐漸增大。

3 結語

文章主要介紹了微型流化床的研究方法和特性。通過近年來的研究成果歸納發現，床層直徑的減小使得微型流化床表現出與眾不同的流體動力學特性，如：流化滯后、湍動提前、邊壁效應加劇等。因此，在進一步研究微型流化床的流體動力學特性以及實際應用時，應關注床層直徑的減小對流化行為的影響，從而發揮微型流化床的優勢和價值。