（化工过程机械专业论文）流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究.pdf

流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 摘要 目前，流态化技术已在我国化工、石油、冶金、电力等工业中得到了广泛应 用。流化床的气泡对床内传质、传热及混合等物理过程起到关键的作用，特别是 气泡与密相的传质对流化床化学反应器的转化率有重要的影响。 本文就是对气固流化床中的单个上升气泡与密相的传质问题进行了实验研究 和理论分析。实验以三维模型和二维模型为基础，实验的目的是为了在流化床中 产生单个气泡，进而得到气泡与密相的传质系数。本文较详细地叙述了流化床的 建立和气泡产生的装置。本文用流函数方法求解气泡周围的速度分布，通过传质 方程建立了气泡与密相传质的理论模型，实验测量了a 组颗粒的气泡尺寸与速 度、气泡与密相的传质系数，及b 组颗粒气泡与密相传质系数的文献数据，通 过引进了流化床内气体的有效传质系数及与气泡尺寸的关联，得到了流化床气泡 与密相传质计算公式。 关键词：流态化；气泡：传质 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 a b s t r a c t t o d a y , t h ef l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di nc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，o i l i n d u s t r y ，m e t a l l u r g ya n d e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi nc h i n a ，w i t h r e g a r d t ot h ef l u i d i z e d t e c h n o l o g y ， o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si st h ep h e n o m e n o no fb u b b l e s t h er e s e a r c ho fb u b b l e sp l a y s a ni m p o r t a n te f f e c ti na n a l y z i n gt h eh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ri naf l u i d i z e db e d t h ei n s t a l l a t i o no fe x p e r i m e n ti sf o u n d e db a s e do nt w o d i m e n s i o n a lb e d sm o d e ia n d t h r e e d i m e n s i o n a lb e d sm o d e l i nt h et e s t t h ep u r p o s ej st op r o d u c eas i n g l eb u b b l ei naf l u i d i z e d b e da n dt og e tt h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tf r o mb u b b l e st ot h ed e n s ep h a s e t h ep a p e rt e l l st h e e s t a b l i s h m e n to faf l u i d i z e db e da n dt h ei n s t a l l a t i o no fb u b b l e si nd e t a i l t h em a s st r a n s f e r t o e 伍c i e n tb e t w e e nb u b b l ea n dd e r i s e p h a s e h a sb e e n i n v e s t i g a t e d b o t h e x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y t h eb u b b l es i z e i t sv e l o c i t ya n dt h em a s st r a n s f e rc o e 塌c i e n th a v eb e e nm e a s u r e d f o rf c c c a t a l y s ta n dg l a s sb e a d so fg r o u pap o w d e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb u b b l ev e l o c i t yi s i np r o p o r t i o nt ob u b b l es i z ei nt h ep o w e ro f a b o u t0 2 7 a n dt h em a s st r a n s f e rc o e 舒c i e n ti sa b o u t p r o p o r t i o n a l ob u b b l es i z e f r o ms t r e a m l i n ef u a c t i o na r o u n das p b , e r ea n dt h em a s st r a n s f e r e q u a t i o n at h e o r e t i c a le q u a t i o nf o rt h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nb u b b l ea n dd e n s ep h a s e h a sb e e nd e r i v e db yi n t r o d u c i n ge f f e c t i v em o l e c u l a rm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nf l u i d i z e db e d sa s k * = 0 1 0 5 4 。f ( t h r e e d i m e n s i o n ) k “= 0 1 12 e ( t w o d i m e n s i o n ) a n dt h ee f f e c t i v em o l e c u l a rm a s st r a n s f e rc o e f f i c l e a ti nf l u i d i z e db e d sh a sb e e no b t a i n e da s d 。= 1 6 1 d b ，2 7 k e y w o r d s ：f i u i d iz a t ；o n b u b b i e m a s st r a n s f e r 互靠 f，“y 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 第一章文献综述 1 1 流态化技术及发展现状 日常生活中粉体是常见的一种物质形式，如食盐、面粉、云母粉、催化 剂等等。在工业中粉体更占据着重要位置，如在食品、医药、电子、冶金、 矿山、能源等工业中，特别是在化学工业中，粉体所涉及的一个单元操作“流 态化”，随着国民经济的发展，其作为一种技术必将在国民经济中起到主导作 用。 流态化是一种使流体与固体颗粒接触并使整个系统具有流化性质的技 术。流化床是实现颗粒流态化的设备，其中可以发生化学反应，如流化床反 应器；也可以进行物理过程，如流化床干燥器等。按流化颗粒的分布状态， 流态化可分为散式流态化和聚式流态化；按流化介质的不同，流态化可分为 液一固流态化、气一固流态化和气一液一固流态化。其中气固流态化具有相对复 杂的流动行为，是流态化领域的重要研究课题。 流态化技术作为一门技术学科已经渗透到国民经济的许多部门，在化】：、 石油、冶金、能源、原子能、材料、轻工、机械和环保等各领域中部可以找 到它的卓越贡献，是基础技术学科在为工业生产服务中取得显著成效的学科 之 。由于流态化技术应用领域的不断扩展，再加上其内在规律的复杂性， 许多问题尚待研究，因而目前和将来都是化学工程学科最活跃的研究领域之 一眦】。 流化床作为工业中主要的化学反应器之一，吐三必将在尖端领域中发挥它 的作用。预测在2 l 世纪，流态化技术在： 1 加压流念化发电及联合循环热电并供。 2 城市垃圾处理及下水污泥燃烧。 3 超细与纳米催化剂的应用。 4 流化床c v d 新材料制各。 等领域的应用中将有所突破，并对国民经济有重要作用。 1 2 流态化技术的特点 流态化技术己在我国化工、食油、冶金、电力等1 业中得到了广泛的应 用，主要原因是因为它在以下几个方面具有一些突出的优点1 2 , 3 1 ： 、由于床层内流体和颗粒剧烈搅动混合，使床层温度均匀，避免了局 部过热( 或局部反应不完全) 现象。唰时，由于颗粒的热容远比同体积气体 的热容大，所以，i j 以利用循环颗粒作为传热介质，大大简化了反应器的结 构。刷寸，由于传热效能高，床内温度均匀其具有近似等温的特征，流化 床作为化学反应器可以对化学反应述率达到精密控制| 0 优点，特别适合) 二一- 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 些热效应比较高的热敏性材料。 二、固定床为了避免压力降太大，一般不能采用细小的颗粒或粉末状固 体，而在流化床中则常用3 0 1 0 0 微米的小颗粒，因此，流化床中的相间接 触面积很大，并且由于颗粒的剧烈运动，使两相表面不断更新，因此床内的 传热及传质速率很高。 三、由于固体颗粒的运动，使金属壁与床层之间的传热系数大为增加， 要比没有固体颗粒存在的情况下大数十倍，甚至上百倍，因此便于向床内输 入或取出能量，所需传热面积少。 四、流态化的颗粒，其运动犹如流体，易于在设备之间流动，通常可采 用气流输送，输送能力很大，因此对于固体处理量大或催化剂循环量大的过 程是很有利的，颗粒可以连续加入和排出，便于连续操作。 五、为小颗粒和粉末状物料的加工开辟了途径。 六、流态化技术具有低污染物排放性，广泛的燃料适用性和宽的负荷调 节特性等独特的优点，因此，城市垃圾的流态化燃烧，发电与供热技术在2 1 世纪将得到发展和应用。 流化床中，由于颗粒处于运动状态，使之具有固定床所不能比拟的优越 性，但另一方面，诈由于流体和颗粒的搅拌运动，也给流化床带来了一些缺 点。如： 一、颗粒在床内的运动基本上是全混式，因此停留时间分栉较宽，在以 颗粒为主要加工对象时，对产品的均匀性有影响。另外，由于颗粒的全混流 动造成气体的部分返混，影响反应速度并造成副产品的增加。 二、床内的气体分布不均匀，不少气体以气泡状态流经床层，影响气固 接触效率，当气相为加工对象，且要求转化率很高时，这种状况更为不利。 三、颗粒流化时，相互碰撞，造成磨损，生成很细的粉末被气流带出。 如不回收则造成损失，如回收，则要求高效率的除尘设备。另外，由于颗粒 碰撞，没各磨损也比较严重。 1 3g e l d a r t 颗粒分类 自从流化催化裂化技术商业化以来，对催化裂化催化剂( f c c 颗粒) 的 流态化性能进行了大量的实验与理论研究。同时，流态化技术也得到了越来 越广泛的应用，涉及了不同尺寸和不同密度颗粒的流态化问题。g e l d a r t 在2 0 世纪7 0 年代初首先提出了气固接触有四种流态化模式，并用颗粒的尺寸和密 度及流态化的四种模式对颗粒进行了分类”】，如图1 - l 所示。 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 黪 _ 。h ” ”：= 一翳 鞣1 j，i 靖剽蠢t i i黧熬 ， 酝“、魏 ，、l 蔓 峰 l 、 瓣 ；。_ i _ 一一。 镰；j 、 一8 娥_ 、| t ；= 1 _ _譬0 1 鬻 “，“ 训代 a # 舞1 2 蘩妻 _ th i 计 + r 1 ： ：z 0 5 ， 、 ， j 1 1 翱粒尺寸血m 图1 - 1g e l d a r t 颗粒分类 f i g 1 1t h es o r to f g e l d a r tg r o u pg r a i n c 组颗粒其尺寸小，通常 2 0 微米。由于颗粒间作用力远大于颗粒的重 力，颗粒表现为一定的团聚性而不易流态化，通常表现为柱塞流或沟流，如 图1 2 所示。 鬈镏乡圈 鬈溷圈豳 ll圈 驯翊 图1 2c 组颗粒柱塞流和沟流示意图 f i g 1 2t h es k e t c hm a p o f g r o u pcg r a i n a 组颗粒其尺寸较小，通常为几十微米，具有很好的流态化特性，气泡 尺寸小，气一固接触效率高。由于很好的流态化特征，a 组颗粒在反应器川的 循环易f 实现。a 组颗粒的最小流态化速度较小，通常 o o 令： 粤：。，则x ：爿p 一扩( a 为常数) d 1 7 f 4 7 1 m一二x 2 一 巳- - c b2j ：，加4 出刊玎 三维模型下气泡与密相总的传质为： m = 一见r 2 昭可膏( 雾) 。s i n 酗口 ( 4 - 8 ) 2 x g jd 。 s i 叫羚曰 2 e r e 。fd ：r ；a 厂目一js i n o e 一面d 臼 南 令：b = 等，则邶) = f r p 一；s i n & - ；d 目 通过计算机编程( 附录5 ) ，数值积分厂( b ) 得： f ( b 、= 1 3 4 1 8 e o 5 0 2 7 8 又根据传质的定义： n 。= 4 刃( 一c e ) 女。 3 7 流化床中气泡与密相传质的实验与理沦研究 删“。= 爰庠m ，4 一s e ”薏， 0 3 7 矿，厍匠“5 ”篙 。v 4 1 2 二维气泡圆柱坐标下的推导 ( 4 - 9 ) 把气泡速度“。和气泡尺寸分别代替式4 1 中的“。和r ，可得到下式 由相似解方法得到 d 。篓 o r “- c a 8 d ，三：生三 。r 2 矗0 舭式得：一j 警肌鲴；( 舯扛i d 。r b l 2 h ) v“6 令”2 南，则嘉= 骞舅一；护_ - 3 窝 丝：堡塑：一10 一；生 毋 a qo r b a ，7 嘉= 等 把式4 1 1 和4 1 2 带入式4 - 2 得： 鲁雾= 等( 一j l i r 秽_ 3 ，面c 3 c d z c1d c j d r 2 j 柙磊 其中边界条件是： ，= r h ，c = c h ，叩= ；厂斗。o ，c = o ，7 斗 ( 4 1o ) f 4 一1 1 、 ( 4 1 2 、 ( 4 一1 3 、 f 4 一j 4 1 ( 4 15 ) 堕些盎主墨塑兰堕塑笪堕堕壅堕! 型堡堕 令：。d c ：x ，则x ：爿p 一扩( a 为常数) “， c 。= 肛。矗z 爿石 二维模型下气泡与密相总的传质为： ”也f ”s 一州( 4 - 1 6 ) d 。n 钿忸面枷 d o a g 。，上 一；。一嚣d 秽 由 令：口5 4 u b n r b ，mr j f ( 曰) = f ”曰一e i d 日 通过计算机编程( 附录6 ) ，数值积分，( b ) 得 八b ) = 2 5 0 3 e “2 ” 又根据传质的定义： n ，= 2 z g l ( c 。一c 。) k 。 删： k = 篆辱口s 吼“”z 强 叵互。2 3 麓 v _ f 4 1 7 、 把实验数据5 。、。、靠、0 。、和k n 代入式4 9 、 1 7 得到近似方法 下的有效传质系数d 。，具体数据如下表4 - 1 所示。 表4 - 1 近似方法下的气泡有效传质系数数据 t a h i e4 1t h ed a t ao fe f f e c t i v em a s st r a n s f e rc o e f f l c i e n t 7 攀 颗粒种 d 。( c m ) k 。( m s )d 。( 【_ l i 】 d ，】 d 。r 类 ( m 2 s )( m 2 s )( m 2 s ) 玻璃球 30 0 0 4 30 0 0 0 3 40 0 0 0 2 90 ，0 0 0 2 4 卢忙f 哥j 40 0 0 7 6 0 0 0 0 7 8( ) ( ) 0 0 7 10 0 0 0 5 9 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 = h50 0 0 9 8 0 0 0 1 1 40 0 0 1 0 70 0 0 0 9 维 ( 7 4 5 m m ) 6 o 0 1 20 o o l 5 20 ，o o l 4 3 o 0 0 1 2 9 流7 0 0 1 40 0 0 2 0 3o o o l 9 90 o o l 8 6 化 8o 0 1 600 0 2 5 8 0 0 0 2 4 80 ( ) 0 2 0 床 玻璃球 3o 0 0 5 20 0 0 0 3 50 0 0 0 3 l0 0 0 0 2 8 床高4 0 0 0 7 70 0 0 0 70 0 0 0 60 0 0 0 5 h 60 0 1 3 30 。o o l 60 0 0 1 3o o o i o ( 5 6 3 m m ) 80 0 1 70 0 0 2 6 50 0 0 2 30 0 0 1 8 40 0 0 4 60 0 0 0 6 0 0 0 0 5 o 0 0 0 4 一 f c c l b00 0 6 4 70 0 0 0 80 0 0 0 70 0 0 0 6 = 床高6o 0 0 7 7 6o 0 0 1 3o 0 0 1 lo0 ( y 3 9 维h 70 0 0 8 5o o o l 5 0 0 0 1 3 0 o o l o 流 ( 8 5 0 m m )9o o l , 3 5 2o 0 0 2 90 0 0 2 60 0 0 1 9 化 1 00 0 1 6 7 40 ，0 0 4 1 0 0 0 3 8 0 0 0 2 9 床 f c c l4o 0 0 5 80 0 0 0 70o 0 0 600 0 0 5 脒向600 0 9 2o ，o o l 60 0 0 1 40 0 0 l l h 8o ，0 1 2 8 500 0 2 7o0 0 2 30 0 0 1 6 ( 7 8 3 m m ) 9o0 1 6 3 40 0 0 3 9 0 0 0 3 4 00 0 2 8 = 4 o0 0 7 000 0 0 70 ( ) 0 0 60 0 0 0 5i l 维 f c c 250 0 0 8 9o 0 0 1 20 o ( ) 【000 0 0 8 流麻局6 o ，0 1 0 8 o 0 0 1 5 o0 0 l30 ，0 ( ) 1 0 化 h 8 00 1 6 0 0 0 0 2 900 0 2 60 ，0 0 2 l 床 ( 6 0 8 r a m )9o 0 1 8 20 0 0 3 50 0 0 3 20 ( ) 0 2 6 1 0 o 0 1 9 8 00 0 4 30 0 0 3 9 ( ) 0 0 3 ： 一= f c c 34o 0 1 2 0o o o l l0 0 0 0 9o 0 0 0 7 维占代l 苟60 0 1 6 9 0 0 0 2 2 0o o l 90 0 0 1 4 流 h 70 0 2 0 50 0 0 3 20 ( ) 0 2 80 0 0 2 3 化 ( 5 7 8 m m )80 ，( ) 2 3 l0 0 0 4 l0 0 0 3 800 0 3 2 廉 l000 2 9 l00 0 6 5 ) ( ) 0 6 l0 0 0 5 1 = ： f c c 4：j0 0 0 5 300 0 0 40 0 0 0 300 0 ( 3 维 p 代尚 50 0 0 8 90 o o l l0o o l 00 0 0 0 8 流h6o ，0 l l lo ，0 0 1 6o 0 0 1 40 ，0 ( ) l l 化 ( 6 1 7 r a m ) 8o 0 1 5 50 0 0 2 6( ) 0 0 2 2o o ( ) l7 床 l oo ，0 1 9 7 4o ，0 0 4 30 ，i _ ) 0 3 9o ，o ( 1 3 2 ：。维f c c 4 50 0 0 8 6 o 0 0 l l0 ( ) 0 0 9 ( ) ( ) 0 0 7 流禾南h70 ，0 1 2 00 ，0 0 2 l0 ，( ) ( h 9( ) ( 0 1 5 化床 ( 6 17 r a m ) 近似模型f 各种懒粒的气泡尺寸与有效传质系数的关联如下图4 - 3 、4 - 4 及4 5 所示。 流化床中。c 泡与晰相传质的实验。j 理呛究 图4 - 3 近似模9 下气泡直径以了有效传质系数的父系 f i g - 4 _ 3t h er e l a t i o nb e t w e e nb u b b l ed i m e n s i o nd a n de f f e c t i v em a s st r a n s f e r c o e f f i c i e n ti nt h ec o n d i t i o no f a p p r o x i m a t em o d e 图4 - 4 近似模型f 气泡等体积当照直径d 。与：f r 效传质系数的父系 f i g - 4 - 4 ih cr e l a t i o nb e t w e e nb u b b l ed i m e n s i o n d a n de f f e c t i v em a s st r a n s l e r c o e f f i c i e n ti nt h ec o n d i t i o no f a p p r o x i m a t em o d e 4 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 图4 - 5 近似模型下气泡弦径d 。与有效传质系数的关系 f i g 4 - 5t h er e l a t i o nb e t w e e nb u b b l ed i m e n s i o nd m a n de f f e c t i v em a s st r a n s f e r c o e f f i c i e n ti nt h ec o n d i t i o no fa p p r o x i m a t em o d e l 4 2 流函数方法的气泡与密相传质模型 微元a b c d 传质方程为： 一u a 五0 c = d 。警 ( 4 1 8 ) ra 9 甜z 、 式中的负号表示的转动方向与气泡的上升方向相反。 4 2 1 三维圆球坐标下的传质模型 用流函数方法求解气泡周围的速度分布“。 对任意点，速度势函数为： y ：1 u j 2s i n 2 臼+ 旦s i n 2 目( 其中：之础。审) 4y = 2m 。伊+ 一z r 8 1 n 曰 ( 具中m = 之础 巧) 。：一j 一塑 9 rs i n 0o r 期p ： 警= u j s i n2 0 + 等s i n 铂 d rz ，。 将上式带入式4 一1 9 得： 铲一扣z + 加 ( 4 1 9 ) f 4 - 2 0 j 亟垡堕! 墨望皇童塑堡里! 旦堡垒童矍堕塑垄l 一 2 等争s 枷鱼0 0 = 。 ( 2 + 冬) 旷 作如下变换，令：嘉= 嘉舅( 其中舅2 丽1 ) 丝：一o c 丝 丝：生o 害2r 丝o r 3 r 2 ) 2 十妾等( 其中( 警) 2 ：三# ) 一卜p 琵矿恍1 1 i 卜一，4 由于上式中第二项包含的等的表达式分母所含r 的方次较大 h r 。 相比r 的影响很小，所以可忽略不计，即可化为： 耋：冀( 荨) 。 ( 其中( 壁) ：丝# ) d 0 r 2 a f2 、0 r 7 。 、r 。r 4 将式4 - 2 2 和4 - 2 3 带入式4 - 2 i 得到： 丝生一堡：n “。a 毒2a 7 7 。 其中：翥= 击 由相似解方法得到： 由上式得： 令d = ! f 则 b q q 2 口c f “ 毒2叩 掌= 辱础“脚= ( 4 - 2 1 ) ( 4 2 2 ) 与第项 r 4 - 2 3 1 ( 4 2 4 ) ( 4 2 5 ) f 4 2 6 ) 丝矿 眈 i | ：堡 鼢 枷 阿哆 如 口 式一打 入 代纯式将 、一 事 蝣一办 塑钯 p 非 孝一曲 一 = 一却 流化床中气泡与密相传质的实验与堙沦州究 鱼：! 一i 旦 0 eb 。8 a a = c1 ia 2 c 万。矿孬 将式4 2 6 和4 2 7 代入4 2 4 得： 化简得 一土玎瓦oc=i2d百1叮孬02c2b 1 , l b a 口 。 。 a 口2 令x ：当，积分上式得 盯口 其中边界条件是 d2 cdd c d c t 2 2d 口 z = a e 4 ( a 为常数) ，。确：墼：o = f - - ) 0 0 , c = c e , g ! 。 d 、，叩 f 4 2 7 、 ( 4 2 8 ) f 4 2 9 ) 对式4 2 9 积分得： d 2 c ，- - c f , = f 。a e - t d c z = 爿6 1 维模型下气泡到密相的传质速率为： ”。r 2 疗( 耠一i n o d o ( 4 - 3 0 ) 其中：堡：丝塑：爿。一荔1 门_ 。l 堂 a ， a do rb 。扣 r _ d 2 rs 十r i 一一 ， ( j r- 手= f 一芝# 咖 将l ：式代入式4 3 0 得： 虬= 厩毒4 r ( r 寺曰) 飞i 删毋 通过汁算机编捌( 附录7 ) ，数值积分：式得： nh = 0 1 7 2 l x 6 d ：u h s 。tr a 橄叭传质系数的定义： ( 4 3 l 、 ( 4 3 2 ) 流化床中气泡与密相传质的实验与理论研究 由式4 3 2 和4 3 3 得 k o 4 、v 匦r b z 。 4 2 2 二维圆柱坐标下的传质模型 用流函数方法求解气泡周围的速度分布。 对任意点，速度势函数为： 妒= ( 1 + 每) ，c o s o 圹嚣一州t + 知n 目 将式4 - 3 5 代入式4 - 1 8 可化为： 州+ 等，半嘉吨鲁o r ，。r d | 二式进一步转换成： 堡二。堑一。i n 口堡：o 1 + 堡o r 2 3 0 作如下变换， ( 4 3 3 ) r 4 3 4 ) ( 4 - 3 5 ) ( 4 - 3 6 ) ( 其中舅= 丽1 ) ( 4 - 3 7 ) ( 其中( 掌) z ：掣) d r ，。 由于上式中第二项包含的喜的分母所含，的方次较大，与第一项相比。 泖。 的影响很小，所以可忽略不计，即可化为： 嘉= 窘c 争2c 州参2 = 等， ，s ， 将式4 - 3 7 和4 - 3 8 带入式4 - 3 6 得到： 导窘一熹：o ( 4 - 3 9 ) “ a 手2a 印 4 5 均一删叫一岫 i i