（化学工程专业论文）导向管喷动流化床流体力学特性研究(1).pdf

中文摘要 在内径为1 8 2 m m 的导向管喷动流化床中，分别采用了均一粒径与非均一粒径 两种尿素颗粒为物料，对喷动流化床流体力学特性进行研究。通过改变喷动气速 和流化气速，对导向管喷动流化床的床层压降与其方差进行了研究。并以此测定 了导向管喷动流化床最小喷动气速u 。以及床内达到循环量极值所需的表观喷动 气速u ，。实验中系统研究了导向管安装高度、喷动口直径、床层物料高度和流 化气量对最小喷动速度、最小喷动气量、固体颗粒循环量以及不同粒径粒子循环 时间比的影响。在对气固运动规律分析的基础上建立了双阀控制理论模型，模型 计算结果和实验值吻合较好。 关键词：导向管喷动流化床固体颗粒循环量循环时间比双阀控制理论模型 a b s t r a c t a18 2 r a md i a m e t e rc y l i n d r i c a ls p o u t f l u i db e dw i t had r a f tt u b eu s i n gu r e a p a r t i c l e so f t h es a m es i z eo rd i f f e r e n ts i z ea st h eb e dm a t e r i a lh a v eb e e nu s e dt os t u d y h y d r o d y n a m i c sb e h a v i o ro fs p o u t f l u i db e d a c c o r d i n gt oc h a n g es p o u t i n gg a s v e l o c i t ya n df l u i d i z i n gg a sv e l o c i t y , p r e s s u r ed r o pa n ds t a n d a r dd e v i a t i o no fp r e s s u r e f l u c t u a t i o ni nt h ef l u i db e dw e r es t u d i e d ，t h r o u g hw h i c ht h em i n i m u ms p o u t i n g v e l o c i t y ，a n dt h es p o u t i n gv e l o c i t yw h e nt h e s o l i d sc i r c u l a t i o n r e a c h i n go n e e x t r e m u mw e r em e a s u r e d t h ee f f e c t so ft h ed i a m e t e ro fs p o u tn o z z l e ，f l u i d i z i n gg a s v e l o c i t y , t h eh e i g h to fd r a f tt u b ea b o v ed i s t r i b u t o rp l a t e t h el e n g t ho fd r a f tt u b ea n d b e dh e i g h to nm i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t y , t h em i n i m u ms p o u t i n gg a sq u a n t i t y , t h e s o l i d sc i r c u l n i o na n dt h er a t eo fd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e sc i r c u l a t i o nt i m eh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h eg a s s o l i dm o v e m e n tt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h et w o v a l v ec o n t r o l l i n gm o d e lw a s p m p o s e dt os i m u l a t es o l i d sc i r c u l a t i o n i tg a v e s a t i s f a c t o r ya g r e e m e n tw i t ht h o s ed a t am e a s u r e di ne x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：s p o u t f l u i db e dw i t had r a rt u b et h es o l i d sc i r c u l a t i o n t h er a t eo fc i r c u l a t i o nt i m et h et w o - v a l v ec o n t r o l l i n gm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：狒、镪 签字日期：加修年 ，月2 ，1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 害r 柱 签字日期：枷多年f 月乙日 7 卅 导师签名： e 签字日期：d p 年月叫日 f 天津大学硕士学位论文 目舌 导向管喷动流化床是在喷动流化床中引入导向管，使喷动区与环行区之间的 交互流动被限制，同时使传热、传质主要在导向管内进行。这不仅提供了良好的 气固接触与混合效果，而且能够处理大颗粒、不规则物料，又可以减少易粘连物 料的团聚。这些结构与操作上的特点，为在粒子表面均匀涂层提供良好条件，使 其在涂敷、造粒等方面得到广泛应用。 但在颗粒涂敷、造粒的实际应用中，随着料浆的加入，颗粒物料的不断长大， 床层物料粒径分布会出现很大变化，从而会影响到整个床层的操作，以及最后产 品的质量。对流体力学特性的研究可以了解颗粒在导向管喷动流化床内的运动规 律，在颗粒涂敷、造粒等实际应用中，这些规律对于颗粒的均匀涂层和生长，床 层的稳定操作及造粒器的设计都具有重要意义。 前人的研究工作主要集中在均一粒径物料以及环形区未流化时喷动流化床 的流体力学特性。本文分别深入研究了非均一粒径物料中不同粒径颗粒循环时间 比以及均一粒径物料在环形区不同流化状态下的最小喷动速度、颗粒循环量情况 等流化特性。分析了床体结构参数、操作条件对循环时间比、最小喷动速度以及 颗粒循环量的影响。并建立了固体颗粒循环量双阀控制理论模型的数学模型。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 带导向管的喷动流化床的发展及应用 带导向管的喷动流化床是一种操作、结构独特的流化床装置，是在对喷动床 的不断研究发展中改进而来的。 喷动床最早是由加拿大的研究工作者m a t h u r 和g i s h l e r a 】于1 9 5 5 年对小麦的 流态化干燥研究时开发的一种使粗大颗粒与流体相接触的新型流化技术。与传统 流化床相比，传统流化床适用于处理粒径从几微米到2 毫米的细小颗粒，当粒径 分布较宽或颗粒密度不同时，流化床有分层的趋势，且当操作气速与最小流化气 速比值较大时，或是颗粒直径过大，床层高径比过大时，床层均会出现节涌现象。 而由图1 - 1 可以看出，喷动床内两相流动机制与传统流化床有很大不同，在喷动 床中颗粒有规律的运动是由一个稳定的轴向喷流产生的，固体颗粒在中央喷射区 ( s p o u t ) 随气流向上运动，突破床层形成一定高度的喷泉，然后散落到周围环 隙区( a n n u l u s ) 向下移动，在床层底部又重新卷吸入喷射区，在床内形成有规 律的循环流动。这种床内流动机制使得喷动床适合处理几百微米至6 8 毫米， 甚至更粗大的颗粒。特别对那些粒径大，形状不规则的颗粒，也能够利用喷动床 进行操作。由于其在大颗粒处理方面明显优于流化床，许多研究工作者对其进行 了多方面的研究，其应用也日益广泛。 绣一鳓惫 0 0 0 | 下r n 0 0 0 导流筒札 夹带区 剥麟 孵b 图1 - 1 喷动床流动示意图 图1 - 2 喷动流化床典型结构示意图 f i g1 - 1t r e e - r e g i o nf l o ws t r u c t u r e f i g1 - 2s t r u c t u r eo f s p o u t - f l u i db e d o f s p o u t e db e d w i t hd r a f t t u b e 但是喷动床的喷泉体积仅为床层体积的6 左右，喷泉中的颗粒一般只占床 层总物料量的0 1 5 ，绝大部分颗粒均处于环隙区。环隙区内颗粒以移动床的 形式向下移动，环隙区空隙率较小，流体与颗粒的混合与接触效率均不如有气泡 运动的流化床。而且由于气相从喷动区向环隙区扩散，当床层较高时，不易形成 稳定的喷泉，甚至由于床层压降过大而使床层上层部分流化，无法完成正常的操 2 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 作，且在环隙区底部易存在局部“死区”。这些因素限制了喷动床的应用。 喷动流化床将喷动技术与流化技术相结合。c h a r t t e r j e e l 2 l 通过在喷动床底部 引入一辅助气流，而使环隙区颗粒流化。张怀清| 3 j 、y - l h e 【4 l 也在为克服喷动床 环隙区底部“死区”的影响研究中，在环隙区引入流化气流。这种喷动流化床与 喷动床有本质区别，即环隙区内颗粒呈流化状态。既能克服流化床分层或节涌的 缺点，又能避免在喷动床的环隙区内气固两相接触差和高床层下喷动不稳定的缺 点，基本消除了环隙区底部“死区”的出现，及易粘结颗粒的团聚。而设置导向 管的喷动流化床，如图l 一2 所示。导向管能够有效阻止喷动气与流化气的交互流 动，减少固体颗粒的返混；可大大增加了喷泉高度，因而增加了床层高度；降低 了喷泉所需的最小气体流量；导向管的存在，使所有固体颗粒在进入喷泉区前， 全部进入导向管，环隙区内颗粒接近移动床，颗粒在两区的停留时间分布均匀， 颗粒循环速度易于控制。这些使得颗粒在喷动区与环隙区的运动更加有规律，而 且由于管内气固接触效率高，传热、传质主要在导向管内进行，便于充分利用能 量，有效提高了喷动流化床的处理床高，减少动力消耗，且操作弹性大、易于调 节。所以，这种带导向管的喷动流化床被广泛应用在农产品和谷物的干燥、结晶、 混合、涂敷、造粒和各种热裂化过程等方面。特别是在涂敷、造粒应用方面，在 导向管内固相处于一种稀相输送状态，这提供了良好的气液固三相的充分接触， 能进行良好的传热、传质过程，使料浆能很均匀的涂敷于晶种颗粒上，获得均匀 一致的涂层。但是由于导向管的存在，使得颗粒与管壁发生碰撞与摩擦，导致颗 粒磨损、破碎、细粉增加，这些都是应该在其应用中加以考虑的。 1 2 最小流化气速 在流化床底部不断通入流化气，直到床层压降等于单位床层截面积上的颗粒 重量。此时如果不是人为地限制颗粒流动，则由于流体流动带给颗粒的曳力平衡 颗粒的重力，导致颗粒被悬浮，此时颗粒开始进入流化状态，称之为起始流态化 或临界流态化碍1 。相应的流体速度即最小流化气速。它是估计环形区流化状态的 重要参数，也是设计和操作喷动床的重要参数之一。 1 2 1 最小流化气速的测量 最小流化速度可由降速法测量阁。流过固体床的流体，其压降随着流体速度 的增大而增大。流体压力与流速之间的关系近似于线性关系( 如图1 - 3 中虚线所 示，可用e 卿耕：等划。孚嚣扎，s 学等标醌随 天薛大学颤士学位论文 第一章文献综述 作，且在环隙区底部易存在局部“死区”。这些因素限制了喷动床的应用。 喷动流化床将喷动技术与流化技术相结合。c h m - t t e r j e e 2 j 通过在喷动床底部 引入一辅助气流，而使环隙区颗粒流化。张怀清1 3j 、y - l h e h 也在为克服喷动床 环隙区底部“死区”的影响研究中，在环隙区引入流化气流。这种喷动流化床与 喷动床有本质区别，即环隙区内颗粒呈流化状态。既能克服流化床分层或节涌的 缺点，又能避免在喷动床的环隙区内气固两相接触差和高床层下喷动不稳定的缺 点，基本消除了环隙区底部“死区”的出现，及易粘结颗粒的团聚。而设置导向 管的喷动流化床，如图1 2 所示。导向管能够有效阻止喷动气与流化气的交互流 动，减少固体颗粒的返混；可太大增加了喷泉高度，因而增加了床层高度；降低 了喷泉所需的最小气体流量；导向管的存在，使所有固体颗粒在进入喷泉区前， 全部进入导向管，环隙区内颗粒接近移动床，颗粒在两区的停留时间分布均匀， 颗粒循环速度易于控制。这些使得颗粒在喷动区与环隙区的运动更加有规律，而 且由于管内气同接触效率高，传热、传质主要在导向管内进行，便于充分利用能 量，有效提高了喷动流化床的处理床高，减少动力消耗，且操作弹性大、易于调 节。所咀，这种带导向管的喷动流化床被广泛应用在农产品和谷物的干燥、结晶、 混合、涂敷、造粒和各种热裂化过程等方面。特别是在涂敷、造粒应用方面，在 导向管内同相处于一种稀相输送状态，这提供了良好的气液固三相的充分接触， 能进行良好的传热、传质过程，使料浆能很均匀的涂敷于品种颗粒上，获得均匀 一致的涂层。但是由于导向管的存在，使得颗粒与管壁发生碰撞与摩擦，导致颗 粒磨损、破碎、细粉增加，这些都是应该在其应用中加以考虑的。 1 2 最小流化气速 在流化床底部不断通入流化气，直到床层压降等于单位床层截面积上的颗粒 重量。此时如果不是人为地限制颗粒流动，则由于流体流动带给颗粒的曳力平衡 颗粒的重力，导致颗粒被悬浮，此时颗粒开始进入流化状态，称之为起始流态化 或临界流态化i s l 。相应的流体速度即最小流化气速。它是估计环形区流化状态的 重要参数，也是设计和操作喷动床的重要参数之一。 1 2 1 最小流化气速的测量 最小流化速度可由降速法测量9 。流过固体床的流体，其压降随着流体速度 的增大面增大。流体压力与流速之间的关系近似于线性关系( 如图1 - 3 中虚线所 示) 可用e r g u n 公式i ” 示) 可用e r g u n 公式1 ” 随 随 是 是 但 但 一不 一不 表 表 扩一，扩一， 乃一d 墅d 0 4 二矿 二一 v 一 v 一 运以运以 厂厂 一 s s ，_j_ = = 廿一日廿一h 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 着流体速度u 的不断增大，当u 达到某一临界值后，压降卸与流速u 之间不再 遵从e r g u n 公式，而是在达到一最大值印。，之后，略有降低，然后趋于某一定 值，即床层静压( 卸= a 。) 。此时床层处于由固定床向流化床转变的临界状 态，相应的流体速度为最小流化速度。此后床层压降几乎保持不变。如果缓慢降 低流体速度使床层逐步回复到固定床，则压降p 将沿略为降低的路径返回，如 图1 3 中实线所示。 图1 - 3 气速对床层压降的影响 f i g1 - 3e f f e c to fg a sv e l o c i t yo up r e s s u r ed r o p 最小流化气速是用以上降速法所得的流化床区压降曲线与固定床压降曲线 的交点来确定的。在双对数坐标纸上将测得的数据点分别在流化床区和固定床区 进行线性关联( 不考虑过渡区内数据) ，两直线的交点即为最小流化气速u 。，。用 升速法所得的压降曲线由于体系的延迟效应而带任意性，因而不宜使用。 1 2 2 最小流化气速的计算 对临界流化现象最基本的理论解释是：当向上运动的流体对固体颗粒所产生 的曳力等于颗粒重力时，床层开始流化。如果不考虑流体和颗粒与床壁之间的摩 擦力，则根据静力分析，床层压降全部转化为流体对颗粒的曳力，即： 叫。= = h 可a 。【1 6 町归p g + s p ，g j ( 1 - 1 ) 经简化得临界流化条件为 a p = h m ，一s 卅，归，+ s - i p i g ( 1 - 2 ) 联立e r g u n 公式 6 1 可以得到“。r 嚣c 半n 等笋c 半，= 学 m 。， w e n 和y u l 7 1 提出对各种不同的系统均有如下近似关系式成立： 4 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 3 z 1 4 ( 1 4 ) ( 。f 鲁引 s ， 所以1 - 2 式可以简化为： 半= 卜盟产卜 m s ， 其中c 1 = 3 3 7 ，c 2 = o 0 4 0 8 对雷诺数较低的情况下，e r g u n 公式中粘度损失项( 第一项) 占主导，其动 能损失项( 第二项) 可以忽略；对雷诺数较高的情况，粘度损失项可以忽略，仅 需考虑动能损失项。按上述相同的方法，可以推导出在特别高和特别低雷诺数情 。d j bp p f 、g ”町2 2 焉茅 铲钱 1 3 最小喷动速度 r e 。 1 0 0 0 ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) 最小喷动速度是使床层保持喷动状态的最小气速，它的数值一方面取决于固 体颗粒和流体的性质，另一方面取决于喷动床的几何参数f 8 】。最小喷动速度关系 到整个喷动流化床的稳定操作，以及工艺过程中气体流量的确定和风机容量的选 择，是设计和操作喷动床的重要参数之一。 1 3 1 最小喷动速度的定义 目前对于带导向管的喷动流化床的最小喷动速度还没有一个公认的定义，对 于喷动床的最小喷动速度定义如下【5 】，对于正常操作的喷动床，如果降低操作表 观气速，其压降开始保持不变。但当气速降至低于某一临界速度，床层压降会突 然提高，喷动床也随之塌落而形成内部喷动射流区，颗粒开始在射流区内循环， 这个临界速度即为喷动床的最小喷动速度。导向管喷动流化床因为导向管的引入 使对其进行降速操作时压降变化与前者明显不同，所以不能引用喷动床的方法来 确定。王国胜 9 1 等把最小喷动速度定义为保持喷泉刚好稳定的最小喷动速度，在 实验中他们先固定一个充气量值，再调节喷动气量至喷泉刚好稳定，从而确定在 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 特定充气状态下的最小喷动速度。这种方法的缺点是需要由肉眼目测来确定喷泉 刚好达到稳定那一点，所以测量的主观因素影响较大，具有一定的随意性。 1 3 2 最小喷动速度的影响因素 m a t h u r 和g i s h l e r l i i 提出最小喷动速度随着床层物料高度的增加而增加，随 着床层直径的增加而减小。 毛元夫等i 邶1 在测量喷动流化床的最小喷动速度时把实验分成两组，一组流化 气固定减小喷动气，一组喷动气固定减少流化气，在研究中发现在最小喷动状态 下，不同的流化气速和喷动气速相加值处于一个窄小的范围。 王国胜等1 9 】在对导向管喷动流化床最小喷动速度的研究中分别改变床层高 度、导向管直径、导向管安装高度和颗粒直径来考察最小喷动速度变化规律。 张怀清等1 在对充气喷动床最小喷动速度的实验中采用不同的静止床高、物 料和流化气速，研究在不同的操作参数下最小喷动速度的变化，发现最小喷动速 度对于同一物料随着床层高度的增加而减少，对于同一床层高度随着流化气的增 加而减少，对于不同物料随着颗粒直径的增加而增加。 1 3 3 有关最小喷动速度的关联式 m a t h u r 和g i s h l e r l l l 于1 9 9 5 年提出的经验关联式： ：( 瓦d p 删d i ( 氆掣 ，d c 一 o 5 m 时，该式估算值偏小，且研究表明，在床层温度变化时，u 。也会改变。但作为 初步估算，该式仍有一定的指导意义。 顾毓珍1 1 2 1 提出了带导向管喷动流化床的最小喷动气速的关联式： 以：s ( 考 ( 篝 5 ( 三堡竺 丛 0 5 ( 渤“”( 岳r 。c _ o t 。缸m 。， 王国胜f 9 】等利用实验数据回归的经验式： u 。= 1 9 7 5 ( 妾 ( 爰h 三兰竺 丛 0 5 陪厂 岳) 。2 m 可见式( 1 1 0 ) 、( 1 - 1 1 ) 在形式上与( 1 - 9 ) 式相当，仅由于考虑了导向管的设置而 引入了床层结构的相关参数，使关联式在项数上有所增加，而两式也仅系数 不同。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 在引入流化气的导向管喷动流化床中，流化气的引入也将必然引起u 。f 的改 变。张怀清“1 等人研究得到的带导向管喷动流化床最小喷动气速关联式为： 舶4 。( 卧d 。( 剖d , ； 掣p ”4 些击一ozs”ld：jt,堡do)ix 1 t dd c ； 一 c ) 平板分布板1 3 1 f 1 1 2 ) 锥形分布板 ( 1 1 3 ) 对于带导向管的喷动流化床的最小喷动气速，也有人将喷动气与流化气加和 的总量作为研究对象。 v u k o v i c 和l i t t m a n l l s l 等发现，对应一定床层高度的喷动流化床的最小喷动气 速一般大于该床层高度的最小喷动气速u m 。，而小于最小流化气速u i t i f 。他们还 提出了相应的计算模型： 肾一托等鑫嘲m k ( 1 - 1 4 ) h a d z i s d m a j l o r i c t “1 等对该式进行了改进得到： 岭一心一堋”j 列 + 一。矿肌山 m 其与实验数据能够较好的符合，且能够较好的应用于低床层高度。 a n a b a t a w i l l 5 1 等在矩形截面的喷动流化床中得到以下关联式： u 呵一。嗍( 九。厂( 。) 。5 z 叫叱旷8 + u 。0 一)( 1 1 6 ) 式中庐= 3 6 6 x 1 0 。5 q d ，“”h t ，- 。6 5 6 妙。( o ) 。，1 3 ( 1 1 7 ) 该式在应用于计算圆柱形截面的喷动流化床的最小喷动气速的偏差不大，具 有一定的通用性。 王国胜9 1 等通过实验回归也得到： u 。盯十u 。= u 。，o + o 6 5 u 。( 1 - 1 8 ) 从式( 1 - 1 8 ) 可以看出引入流化气的喷动流化床的最小喷动气速u m 。f ，必小 于没有流化气的喷动气速u m 蚰。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 固体颗粒循环量的研究 固体颗粒循环量就是在单位时间内通过喷动流化床导向管出口的颗粒质量。 对其研究包括固体颗粒循环量的测量手段，其大小的影响因素以及关联式，还有 固体颗粒循环量模型。 1 4 1 固体颗粒循环量的测量 固体颗粒循环量的测定方法有很多种，主要是有网兜法、示踪法。示踪法包 括有色粒子示踪法、磁性粒子示踪法和放射性粒子示踪法等。另外还可以采用照 相法、光导纤维和激光多普勒测定粒子速率来求取。 1 4 1 1 示踪颗粒测量固体颗粒循环量 李宝霞1 1 6 1 等在实验中用秒表记录透明床壁附近彩色示踪颗粒通过环形区的 时间得到颗粒的下移的速率，用p c 一4 光导纤维仪测定沉降室中的颗粒浓度， 并由下式计算固体颗粒循环量。 = p ，( 1 一s ) 圪a ( 1 1 9 ) b y u n gh os o n 9 1 1 7 1 等在实验中假定移动床中心颗粒的下移速度等于移动床颗 粒平均移动速度，采用热探头测量在移动床中心加热沙粒通过固定距离的时间， 从而得到沙粒下移的平均速度，并由式( 1 1 9 ) 计算得到固体颗粒循环量。 r o v e r 0 1 1 8 1 等发现由壁面产生的摩擦力明显地影响了粒子沿环形区向下移动， 尤其是靠近壁面的粒子，因此壁面处粒子的速度以及环形区中间的粒子速度都不 能代表环形区粒子的平均速度，以上两种方法测量的粒子循环量都是不准确的。 此外当环形区鼓泡或流化时，以及粒子运动速度较快时根本不能用肉眼观察粒子 的运动。 天津大学的肖斌1 1 9 1 采用磁性粒子示踪法来求得粒子的平均循环时间从而换 算为循环量。他在导向管上端固定一与导向管内径相同，外径稍大的磁感应线圈。 当循环运动的磁性示踪粒子穿过线圈时，由于线圈内磁通量发生变化而在线圈内 产生一感生电动势信号，信号经放大器放大后传送到x y 函数纪录仪上，两次 信号的间隔就是该粒子在床内循环一次所需的时间。这种方法要求磁性粒子通过 线圈所产生的电场力足够大，来屏蔽其他的电磁干扰。影响电场力有四个因素： 粒子速度、线圈直径、线圈匝数以及粒子的磁场强度。因为粒子速度与导向管直 径由操作参数与结构参数确定，因此线圈匝数与粒子磁场强度要受一定的限制， 要仔细选择，而且磁性粒子的物理尺寸与密度都要与床料相似。缺点是当粒子速 度较小或粒子本身太小所带磁性强度较小时，通过线圈的信号可能检测不到，而 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 造成无法测量。 v a n v e l z e n 2 0 1 等采用放射性粒子示踪法测得粒子在床中的循环量。他们的思 想是应用闪烁计数器测量放射性粒子连续两次通过床中的上部所消耗的时间来 确定粒子的循环时间，通过测量粒子多次通过床顶部的时间来求得粒子的平均循 环时间，从而来确定粒子的循环量。这种方法的优点是，不会影响到床内的流型， 并且非常准确，不受磁性粒子示踪法所面对的限制。但是其缺点是放射性粒子有 一定的不安全性，处理它会给实验室带来不便，且设备昂贵。 1 4 1 2 网兜法测量固体颗粒循环量 f r a n c ob e r r u t i 2 1 1 等通过一个可移动的网兜来收集从导向管喷出的粒子，这个 网兜通过软橡胶与导向管外壁以环形区内壁密封，以防止粒子的漏失。网兜开孔 比粒子直径稍小，这样既可以防止粒子的漏失，又能减小网兜产生的阻力对床内 流体力学特性上的影响。每次试验中，当喷泉稳定时，床顶部的网兜被迅速拉到 导向管稍下的位置，在一定时间内收集循环粒子，从而计算出固体颗粒循环量。 m u i r 2 2 1 等在对导向管喷动流化床的颗粒循环量研究时，提出在导向管和床体 之间安装向下倾斜的类似于网兜的装置，用该装置在一定时间内收集循环粒子， 记录时间并称取循环粒子质量，再与环形区截面积和该装置截面积的比值进行换 算，从而得到总的固体颗粒循环量。 1 4 2 固体颗粒循环量的影响因素及关联式 w e n c h i n gy a n g 2 3 1 等在床筒体内径2 8 6 m m 、中心进气直径2 5 r a m 、导向管供 气口直径4 2 m m ，导向管直径9 5 5 m m 、导向管长1 2 2 0 m m 、导向管安装高度可 调( 1 4 1 m m 、2 1 7 r a m 、2 9 3 m m ) 的v 型分布板喷动流化床中对固体颗粒循环量 的影响因素进行了研究。他们发现在环形区充气较小时，固体颗粒循环量与环形 区不充气时相似，而环形区充气量存在一临界值，超过此值后，在相同的喷动气 量下，其固体颗粒循环量显著增大，且其增长速率也较大。导向管安装高度越小， 循环量也越小。作者认为造成这种现象的原因不仅仅是由于导向管太靠近分布板 所引起的物理因素上的限制，也可能是由于气体旁路特性的改变引起的。他们还 发现，v 型分布板的夹角对循环量的影响不大，但是进气管与导向管的位置的适 当调整，可以迅速增加循环量，这主要是因为结构参数的调整改变了气体的旁路 特性。 f r a n c ob e r r u t ii z l l 等在床体内径2 0 0 m m 、喷动气进口直径2 7 r a m 、导向管 直径2 3 m m 、导向管长度6 0 0 r a m 、导向管安装高度可调( 6 0 m m 、8 0 m m 、1 0 5 m m 、 1 3 7 m m ) 、v 型分布板内角6 0 。的半床中对固体颗粒循环量的影响因素进行了研 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 究。他们发现在未通入流化气时，循环量随着喷动气速的增加先是线性增加，在 达到一个极值后略有下降。作者认为这可由不同的旁路特性来解释，而旁路特性 是操作参数与结构参数的函数。当喷动气速较小时，气体旁路可以忽略，随着喷 动气速的增加气体的输送能力与夹带能力都在增加，所以循环量不断增大。而当 喷动气速较大时，气体旁路变得相当明显。旁路的气体阻碍了环形区粒子向夹带 区的流动，所以循环量有所降低。他们还发现，环形区引入流化气后，循环量显 著增加，这种现象在流化气速较小时非常明显。但随着流化气的增加，循环量的 增加幅度逐渐变小。他们认为流化气的引入使夹带区的流体力学特性以及气体旁 路特性发生了显著的变化。在流化气速较低时，由于喷动区的压降较低，部分流 化气进入导向管，同时推动更多的粒子从环形区运动到喷动区，此时喷动气的旁 路很有限，所以循环量显著增加。在流化气速较大时，大量的流化气向上流过环 形区，使环形区的压降变小，喷动气的旁路明显的增加，流化气对粒子的推动作 用不再明显，所以尽管随着流化气的增大，固体循环量也在增加，但是增加幅度 不再明显了。并提出流化气对粒子循环速率的影响关系式： ( 。 = 1 0 + m ( q q r ) ( 1 2 0 ) 式中m 为与导向管安装高度有关的参数。 h o n g s h e nj i 】等在床体内径2 0 5 m m 、喷动气进口直径3 1 5 m m 、导向管直 径5 0 m m 、导向管长度8 0 0 r a m 、导向管安装高度可调( 7 5 m m 、1 0 5 m m ) 、v 型 分布板内角6 0 。的喷动流化床内对固体颗粒循环量的影响因素进行了研究。作 者认为固体粒子从环形区运动到夹带区形成粒子团，被夹带出导向管形成循环， 并把影响循环量的因素归结为：粒子团的频率与大小、粒子从环形区进入夹带区 的能力、气体在导向管中的夹带能力。他们认为在喷动气速较低的时候，随着喷 动气速的增加，粒子团的频率与大小都在增加所以循环量也在增加，在高喷动气 速下，粒子团消失，粒子以稀相、均相在导向管内向上运动，粒子循环量与粒子 从环形区运动到夹带区的能力相等。大粒径粒子，在喷动气速较小时，由于喷动 气旁路严重，从而粒子团频率小，循环量也较小。但其从环形区运动到夹带区的 能力较大，所以在高喷动气速时，循环量也较大。静床层的增加，抑制了喷动气 体的旁路，从而使粒子团的频率增加，导致了循环量的增大。导向管安装高度对 循环量的影响是两方面的：一方面安装高度增加，加大了喷动气的旁路，减小了 粒子团的频率；另一方面，也加大了粒子团的大小。综合的结果使循环量增大了。 但是安装高度不能过大，否则导致旁路过大，得不到稳定的操作。 b y u n gh os o n g i ”1 等在床体内径3 0 0 m m 、导向管直径10 0 m m 、导向管长度 3 0 0 或6 0 0 m m 、导向管安装高度可调( 6 5 r n m 、8 0 m m 、1 4 0 m m ) 、v 型分布板的 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 喷动床内对固体颗粒循环量的影响因素进行了研究。他们发现循环量随喷动气速 增大而增大，并解释为输送粒子的能力加强了。然而高喷动气速时，循环量的增 加速率减小了，这是因为导向管入口处粒子的返混增加了，而且当喷动气射流直 径达到导向管直径时，粒子团的形成将减小。他们发现循环量随流化气速增大而 增大，并解释为在高流化气速下，尽管喷动气的旁路影响了粒子在环形区向下的 流动，但流化气的旁路却增大了循环量。他们还发现在“，u 。，= 1 2 时，循环量 的增加速率变小了，因为此时床内颗粒浓度上差别变小了，而且环形区形成了气 泡。他们还发现导向管安装高度的增大，减小了粒子进入导向管的阻力，增大了 循环量，但是安装高度不能太大，否则流化床的起动将成为问题。 张济宇2 5 i 等认为带导向管的喷动流化床内的粒子循环速率主要决定于两个 因素：首先是导向管底部入口气速；其次是导向管底部入口与分布板的间隙，即 夹带区高度。这两个因素相互牵制决定粒子循环速率。张济宇对实验数据回归得 到以下粒子循环速率的关联式： w 。= 0 1 8 引n ( 1 叫吖x g s i n f l 芦a d b 5 ( 1 - 2 1 ) 该式的平均误差小于1 5 。 钱贤苗1 2 6 i 等提出在环隙区引入流化气的喷动流化床具有比普通喷动床更加 良好的粒子循环特性，通过回归试验数据得出在喷动流化状态下的固体循环速率 的计算式： 罴= ( 而4 m 州a r e t m - b r e 。 9 降 3 m z z ， a 、b 为与粒子有关系数 横明) 1 t 1 2 7 1 提出采用三段式来求算粒子循环停留时间，即： t = + i + 弓 ( 1 _ 2 3 ) t 。为环隙区粒子停留时间，t 。为喷动区粒子停留时间，t f 为喷泉区粒子停留 时间。通过粒子的运动路径和在各区的运动速率来计算总的停留时间。 毛元夫1 2 8 i 等对带导向管的喷动流化床内颗粒的停留特性也进行了研究。在 喷动流化床实验台上，研究了加料速率、流化气、喷动气以及压力等不同因素对 颗粒在床层内停留时间的影响，发现改变喷动流化床中流化气或喷动气流量对停 留时间有明显影响，尤其是喷动气流量；而增加床体操作压力，会使停留时间延 长。 陈明强2 9 1 等在加压与固相连续进出条件下，对带导向管的喷动流化床内粒子 循环流动的研究时，采用s t o c k e r 处理方法进行简化，通过对喷动区和环隙区内 的质量平衡与动量平衡，得出描述连续流动条件下的床层粒子循环停留时间的数 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 学建模方法 1 4 3 固体颗粒循环量的双阀控制理论模型 李宝霞【16 】等通过研究几何参数、操作参数对固体循环量的影响，进而提出双 阀控制理论模型。该模型认为，循环喷动流化床中固体循环速率主要取决于两个 因素：一是循环管底部入口处的气速，如图1 - 4 中所示的阀1 ，它决定着循环管 中的气体输送量i 二是循环管底部入口距锥形分布板的间隙r ，如图中所示的阀 2 ，它决定着流过间隙r 的颗粒流量。循环管底部入口气速及间隙r 的大小相当 于阀1 和阀2 的开度，二者的相互开度的对比决定了固体循环率的大小。在稳定 流动状态下，流过间隙的固体量应该等于循环管底部入口气体输送的固体量，因 此，固体循环速率可通过改变间隙与操作条件以调整流过间隙r 的固体量和循 环管中气体输送的固体量来控制。但是李宝霞等只提出了双阀控制理论模型的物 理模型，并没有提出其数学模型。 通过以上分析，前人的研究工作主要集中在均一粒径物料以及环形区未流 化时喷动流化床的流体力学特性。本文分别深入研究了非均一粒径物料中不同粒 径颗粒循环时间比以及均一粒径物料在环形区不同流化状态下的最小喷动速度、 颗粒循环量情况等流化特性。分析了床体结构参数、操作条件对循环时间比、最 小喷动速度以及颗粒循环量的影响。并建立了固体颗粒循环量双阀控制理论模型 的数学模型。 天津大学硕士学位论文第二章实验流程、装置及测试方法 2 1 实验流程 第二章实验流程、装置及测试方法 导向管喷动流化床流体力学特性实验流程如图2 1 所示。空气由鼓风机提供 ( 1 ) ，经总进气阀( 2 ) ，进入缓冲罐( 3 ) 后分为两股：喷动气和流化气。喷动 气由喷动气入口流量控制蝶阀( 5 ) 控制流量，进入喷动气室( 1 8 ) ，经分布板( 2 0 ) 上的喷口进入床中；流化气由流化气入口流量控制蝶阀( 6 ) 控制流量，进入流 化气室( 1 9 ) ，经分布板( 2 0 ) 上的喷孔进入床中。喷动区喷动气及环形区流化 气穿透经过床层中粒子，带动粒子作循环流动后，经由床体( 2 3 ) 上部的扩大段 ( 1 6 ) 直接放空。实验中通过在扩大段安装丝网( 1 7 ) ，防止在气速过大时，颗 粒大量损失。 天津大学硕士学位论文 第二章实验流程、装置及测试方法 1 鼓风机2 总进气阀3 缓冲罐4 压力表5 喷动气流量控制蝶阀6 流化气流量控制蝶阀 7 喷动气流速测量口8 流化气流速测量口9 喷动区测压点a 1 0 环形区测压点b 1 1 环形区测压点c1 2 电容式压力传感器 1 3 显示仪表1 4 微机1 5 取样器a 1 6 扩大段1 7 丝网1 8 喷动气室1 9 流化气室2 0 分布板2 1 取样器b2 2 导向管 2 3 流化床床体 2 2 实验装置 2 2 1 导向管喷动流化床 本实验选用导向管喷动流化床。整个床体由简体、扩大段、分布板、导向管、 气体分布室等组成，各部分相对位置如图2 - 2 所示。各部分材质均为有机玻璃， 以便于在实验中观察床内粒子的运动状态。床体由内径为1 8 2 m m 的有机玻璃管 制成，扩大段内径3 0 0 m m ，其作用是降低气速，使被气体携带起的粒子落回床 层。导向管安装高度h t 根据实验设计，距分布板垂直距离分别为3 1 m m ，5 2 m m ， 7 2 m m 。 天津大学硕士学位论文第二章实验流程、装置及测试方法 2 2 2 分布板 分布板由l o m m 厚的有机玻璃板制成，分布板的直径为1 8 2 m m ，分成不同的 两个区域，中间是喷动口，如图2 2 所示。根据实验要求，设计喷动口直径d ， 分别等于2 8 m m 、5 0 m m 、6 7 m m 和8 0 m m ；周围环形区域为环形开孔区，开孔率 为4 3 9 。，共有2 7 0 个小孔呈等边三角形状分布在环形开孔区，小孔的直径为r = 2 2 m m ，孔间距为l d = l o m m 。 2 2 3 导向管 在床体中央，分布板上方安装有一个外径为9 0 m m ，厚5 m m 的导向管，将 筒体内床层区域分隔为喷动区与环形区，通过在导向管上套丝将导向管固定在床 体上，如图2 - 1 所示。 2 2 4 气体分布室 为了使喷动气量和流化气量均单独可调，在气体分布室中央装有一个有机玻 璃管，与分布板上相应开孔区对应，而将气室分为喷动气室和流化气室。两气室 的进气管内径均为6 7 r a m ，分别采用蝶阀控制进气流量。在实验中可以在此气室 中改变喷动口直径来测量不同喷动口直径下的流体力学性质。 天津大学硕士学位论文第二章实验流程、装置及测试方法 2 3 物料 本实验为研究带导向管的喷动流化床尿素颗粒运动的冷模试验。实验物料的 主要物性为： 表2 1 实验物料表 t a b l e2 - 1e x p e r i m e n t a lb e dm a t e r i a l 物料粒度范围 平均粒径 颗粒密度 质量百分比终端速度 d p ( m m )d 口( m m )p 。( # c m 3 ) u ，( m s ) 均一粒径物料2 0 0 _ 一2 5 2 2 1 2 7 81 0 08 4 非均一粒径物 1 5 21 81 2 7 88 07 6 料2 8 叫 3 41 2 7 82 01 0 4 2 4 实验仪器 实验中所使用仪器及型号如表2 - 2 所示 表2 - 2 实验用主要仪器一览表 t a b l e2 - 2m a i ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e m s 仪器名称型号量程制造厂家 热球风速仪墨垃f 0 3 0 m s 北京市检测仪器厂 压力传感器 y k - 1 1 5 1 d p o 7 0 0 0 p a天津永康技术开发有限公司 数字显示调节议 x m j 0 1 3 0 0 天津市工字仪表发展有限公司 2 5 实验测试方法及原理 测试系统分为四个部分：( 1 ) 床层压降( 2 ) 气体速度( 3 ) 固体颗粒循环 量( 4 ) 大小粒子循环时间比。这些参数是喷动流化床气固流动的基本特性参数。 2 5 1 床层压降的测量 实验设三个取压点，如图2 2 所示，1 引压管a 测定喷动区中心床层压降， 测压点距分布板高度为3 m m ，得到床层压降和压降标准方差的变化随着气速变化 的规律。2 测量引压管b 和c 之间的压降差，b 、c 测压点距中心的径向距离6 9 m m 。 把压差带入到用e r g u n 方程1 6 1 中，获得环形区真实气体流量。在压降测量中，采 用y k l1 5 2 差压变送器将压力信号转换成4 - 2 0 m a 电信号，利用计算机自动采样， 并计算压降时均值和标准方差。 天津大学硕士学位论文第二章实验流程、装置及测试方法 2 5 2 气体速度测量 实验中使用热球风速仪对管道内喷动气和流化气气速进行测量。由于气体流 量变化很大，所以测量气速应注意以下几点： 1 热球风速仪探头应正对风速气流。 2 测速点应选择在直管道上，并距弯头有l o 倍管径以上的距离。 3 保证直管道内的风速呈轴对称分布。 4 用等环面积法确定进气管内能代表平均气速的位置： 因为采用热球风速仪测定进气管气速，流速测量时，皮托管在管道中测量得 到的只是管道截面上某一定点的流速。由于流体粘性及其它一些因素作用，径向 各点的流速分布是不均匀的。在管截面的中心流速较高，沿着管壁方向速度逐渐 下降，管壁处为零。为了准确地计算流量，q = a v 式中的流速v 必须是有代表 意义的平均流速。 一种近似的方法是将管道截面分为面积相等的若干部分，并认为每一部分流 速都是均匀分布的，在其中选择适当的点进行测量，找到能代表平均速度的测量 点。 对于圆形管道，通常采用等环面积法。这就是将圆形断面分成1 1 个面积相 等的同心圆环，再将每个圆环分为两个面积相等的部分，测点就放在这两部分的 分界线上如图2 4 所示。设管道内径为r ，测点所在圆中的半径分别为r 。，r 。r 。， 则根据等面积划分的原则可求得： 型：2 砣：r 三 n vz n 巧r 2 巧r j。f 丁 百2 亍k2 矗、万( 2 1 ) 等=鲁旷月百2n-12212以刀一 。4 vn 式中： n 等面积圆环数； 天津大学硕士学位论文第二章实验流程、装置及测