（化学工程专业论文）加压气固磁稳定床性能研究.pdf

中文摘要 磁稳定床( m s f b ) 反应器具有重要的工业应用价值。目前关于加压下的磁稳 定床反应器的设计与放大缺乏必要的基础数据，因此需要对加压下的磁稳定床的 流体力学、传质、传热等性能进行系统研究。本实验以1 3 0 1 9 7 | im 的s r n a 4 工业催化剂为固相、空气为气相，在表压p = o 1 6m p a 、8 0 m m 并流向上的 磁场流化床中对气固体系加压流化床的流体力学、传质、传热性能进行了研究。 通过测定床层的压降曲线及压力波动测量了磁场强度、操作压力对于最小流 化速度、最小鼓泡速度的影响，研究结果表明最小流化速度与场强( h = 0 3 0 k a m ) 、压力( p = 0 1 6m p a ) 无关；最小鼓泡速度随着场强、压力的升高而升高。 考察了场强、压力、操作气速对于床层压降的影响，结果表明压降随场强、压力 的升高而下降，随操作气速升高而升高，然后达到一个平稳值。 采用电加热金属薄膜式表面测温法实验研究了磁稳定床的气固传热特性，结 果表明：气固传热系数随场强升高而下降，随压力升高而升高，随气速升高而升 高进而达到一个平稳值。与普通流化床相比，同样操作条件下的磁稳定床的气固 传热系数要小，随着压力的提高不同场强下磁稳定床的气固传热系数都是升高 的，场强为零、表压为0 9m p a 时的气固传热系数比场强为零、表压为om p a 下的气固传热系数高大约11 5 。 测量了气固流化床中浸入固体与床层之间的传质系数，研究了场强、表观气 速、压力、床层位置对于传质系数的影响。研究结果表明场强、压力的升高使得 传质系数降低，但是传质系数并没有像扩散系数随压力升高急剧降低一样的趋 势；表观气速的提高使得气固传质系数升高，进而达到稳定值之后降低；在充分 流化的条件下，气固传质系数与床层的轴向、径向位置无关。 关键词：磁稳定床加压流体力学气固传质气固传热 a b s t r a c t t h em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e dn u i d i z e db e d ( m s f b ) r e a c t o r sa r ew i d e l yu s e di n i n d u s t r i e s u pt on o w ，i tl a c k so fm n d a m e n t a ld a t af o rt h ed e s i g na n ds c a l e - u po f t h e s e k i n d so fr e a c t o r su n d e re l e v a t e dp r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a s - s o l i d m a s st r a n s f e r ，h e a tt r a n s f e ra n dh y ( 1 r o d y n a m i c so fm s f bu n d e re l e v a t e dp r e s s u r e h a v eb e e ns t u d i e di nt h i sd i s s e n a t i o n i nt h i sw o r k ，t h es r n a - 4c a t a l y s tp a r t i c l e sw i t h d i 行e r e n td i a m e t e r ( 13 0 19 7pm ) w e r eu s e da ss o l i da n dt h ec o m p r e s s e da i ra sg a s t h eh y d r o d y n a m i c s ，g a s - s o l i dm a s st r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e rh a v eb e e ns t u d i e d u n d e re l e v a t e dp r e s s u r ei nau p n o wm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e dw i t hd i a m e t e ro f8 0 m m t h ee 艉c t so fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ，p r e s s u r eo nm i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t y u m fa n dm i n i m u mb u b b l ev e l o c i t yu m ba r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu m fi s i n d e p e n d e n to np r e s s u r ea n df i e l di n t e n s i 砂i no u re x p e r i m e n t u m bi n c r e a s e sa sn e i d i n t e n s i t ya n dp r e s s u r ei n c r e a s e t h ee n e c t so ff i e l di n t e n s i 吼p r e s s u r e ，s u p e r v e l o c i t y o np r e s s u r ed r o pw e r ea l s os t u d i e dh e r e m e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a lm e t a l t h e n n o - f o ilh e a t e rs u r f a c et e m p e r a t u r ei su s e dt o s t u d yt h eg - sh e a t 仃a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci ng - sc o - c u l l r e n tm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d 1 tc o n c l u d e st h a tg - sh e a tt r a n s f 色rc o e 币c i e n ti nm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e di ss m a l l e r t h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d a sp r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h eh e a tt r a n s f e r c o e 塌c i e n ti n c r e a s e sw h e r e a si td e c r e a s e sw h e nm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yg e t sh i g h e r h e a tt r a n s f e rc o e 币c i e n ta l s oi n c r e a s e sw i t ht h ep r e s s u r eu n d e rd i f i e r e n t 行e l di n t e n s i 谚 a n di tg e t ss m o o t ha ss u p e r v e l o c i t yi n c r e a s e s w h e nt h en e l di n t e n s i t yi sz e r o ，t h eh e a t t r a n s f e rc o e 衔c i e n tu n d e r0 9m p ai sa b o u t11 5 h i 曲e rt h a nt h a tu n d e rom p a m a s st r a n s f e rb e t 、e e nn a p h t h a l e n ec y l i n d e ra n db e di ss t u d i e di ne l e v a t e d p r e s s u r e t h ee f f e c to ff i e l di n t e n s i 吼s u p e r v e l o c i 吼p r e s s u r e ，c y l i n d e rl o c a t i o no n m a s st r a n s f e rc o e f 葡c i e n tw e r es t u d i e d w ec o n c l u d et h a tt h ei n c r e a s eo ff i e l di n t e n s i t y a n dp r e s s u r el e a d st oal o w e rm a s st r a n s f e rc o e 衔c i e n t m a s st r a n s f e ri n c r e a s e sa s s u p e r v e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h e ng e t st os m o o t h e ra n dt h e nd e c r e a s e ss h a 叩l y k e yw o r d s ：m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d ，e l e v a t e dp r e s s u r e ，h y d r o d y n a m i c s ， g a s s o l i dm a s st r a n s f e r h e a tt r a n s f e r 符号说明 符号说明 a 面积，m 2 a 一阿基米德数， 彳r = 兰乏至蜷 以 c o 主体萘蒸汽的浓度，m o l m 3 c 、驴一萘表面蒸汽浓度，m o l m 3 c 厂定压热容，k j 瓜g d m d h _ 一萘在空气中的扩散系数，m 2 s d 卜流化床内径，m m d m 。h 一萘棒直径，m d r 颗粒直径，um g 一重力加速度，耐s 2 h 磁场强度，k a m h c 一矫顽力o e h t 一一流化床主体高度，m m h 传热系数，w m 2 k h w 颗粒对流传热系数，w m 2 k h 鲇气体对流传热系数，w m 2 k h 广辐射对流传热系数，w m 2 。k i 电流，a j 广传裁因数，- 。= & p r 2 圮= 厂( r e ) ，本文关联式中：厶= 召。r e “ k 臣气固传质系数，桃 l 。a d r 萘棒长度，m m r 一剩余磁化强度e m u 鹰 m r 舌包和磁化强度e m u 鹰，饱和磁场强度，l 洲m m 质量，k g n u 广颗粒努赛尔数，n u p h d p 悔 n u p ( e x p e r i 批删) 颗粒实验努赛尔数，n u p - h d 以g n u p ( c a l c u d ) 颗粒计算所得努赛尔数，n u p = h d p l ( g p 压力，p a p l 对应一段床体的压降，p a 符号说明 p r 瞬时压力，p a p 。饱和蒸气压，p a p 删萘试件表面饱和蒸汽压，p a p r 嘈兰德数，p f “c p k r e 厂颗粒雷诺数，r e = d p u g pg | lg s h p 一颗粒舍伍德数，s h p = k d 扣n a p h s h 。耐m 。t a l 实验所得颗粒舍伍德数，s h = k d p ，d 唧h s h l c u l 。t e d 计算所得颗粒舍伍德数，s h = k d p d 。a p h s c 一施密特数，s c = ug pg d n a p h t w 一萘试件表面温度，加热棒表面温度，k 卜温度，k t _ 时间，s l 卜电压，v u b 一主体流速 u m 厂最小流化速度，n 1 s u m b 一最小鼓泡速度，耐s u 广表观气速，州s v - 一体积流速，m 3 h 希腊字母 pp 一颗粒密度，k g m 3 k 导热系数，w m k k2 _ 气体导热系数，w m k kd 颗粒导热系数，w m k e 空隙率，无因次 i l 黏度，p a s ua i 广空气的动力黏度m 2 s e 角度，度 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i t 特别加以标注和致谢之处外，论文i | i 不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞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l 一工作的l j 志对本研究所做的任何贞献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位沦文作者酶如钼咩签矧期：础年月r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完仝了解鑫鲞盘堂有关保留、使，| j 学位论文的规定。 特授权鑫注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据序进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供杏阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复目j 件和磁盘。 ( 保密的学位论义在解密后适用本授权说明) 学位论义作者签名： 签字日期：1 列年 导师签名： 一期瑚年o 石曰 垮竹l j 弋纠广一u 卸占拉勿 前言 前言 二十世纪六十年代，苏联科学家f i l i p p o v 【1j 提出了磁流化床( m a n e t i c a l l y f l u i d i z e db e d ) ，它是以磁性颗粒为固相，在外加磁场作用下形成的流化床。它克 服了传统反应器的一些缺点，如流化床反应器中返混严重、转化率偏低以及粒子 容易被带出的缺点；同时它还克服了固定床反应器不能使用过细颗粒以及容易发 生沟流和短路的特点。二十世纪七十年代r o w e n s w e i 酽1 又提出了磁稳定床 ( m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d ) 的概念，磁稳定床是磁流化床的一种特殊形式，所应 用的磁场是轴向均匀磁场，磁性颗粒在磁场作用下发生定向排列，只有微弱运动， 床层稳定。 磁稳定床的主要优点如下：( 1 ) 有效地抑制物流的返混，使物料停留时间分 布得以明显的改善；( 2 ) 有效地抑制气泡的长大和沟流的发生；( 3 ) 可以采用细的 粒子而无需担心过大的压降；( 4 ) 增大流化床的操作范围，增加设备的生产能力。 但是它也有不少缺点诸如气固传热性能明显下降等。 尽管如此，由于磁稳定床的独特优点使其在石油化工、生物化工和环境工程 等领域较普通的流化床和固定床反应器已经显示出很大的优越性，尤其在生物化 工加工技术方面比如生物分离或者是固定酶催化反应1 3 。j 等过程中的实验研究中 已经显示了这种流化床装置的广泛应用前景。在国内，由石油化工科学研究院经 过几十年的研究探索开发出的镍系非晶态合金催化剂( s r n a 4 ) 由于其良好的低 温加氢活性及良好的铁磁性，已经成功应用于磁稳定床己内酰胺加氢精制过程。 目前有关非晶态合金催化剂( s i 州a 4 ) 的该类磁稳定床的传质、传热特性缺 乏深入的了解，而掌握其传质、传热特性对提高其反应器的工业效率起着重要的 作用，因此有必要对这些规律特性进行系统的实验研究。 本文实验研究了加压以及常压气固传质特性、加压下流体流动特性、传质、 传热特性，获得了压力的升高对于最小流化速度、最小鼓泡速度的影响；以及加 压状况下，压力、表观气速、磁场强度、轴向、径向位置对气固传质性能的影响， 并对得到的气固传质系数回归成关联式；加压状况下，压力、表观气速、磁场强 度、测量位置对于气固传热系数的影响，对所得到的传热系数回归成关联式。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 气固流化床流体力学研究进展 前人对于加压下流化床的流体力学性能研究作了许多工作，得到了加压状态 下流化床的最小流化速度、鼓泡速度、固含率、气泡大小、气泡上升速度等等床 层中的重要参数。发现了加压下流化床的诸多优良性能，诸如较高的最小鼓泡速 度、更小的气泡、压力波动减小等。表1 1 列出了部分研究者对于加压下普通流 化床的流体力学性能研究情况，表1 2 列出了部分研究者对于常压下磁稳定床流 体力学性能研究情况。 表1 1 加压下气固流体力学研究文献 t a b i e1 一lr e l e r e n c e so fh y l r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg a s - s o du n d e re l e v a t e dp r e s s u r e s a x e n ae ta l 【6 】1 5 2白云石2 4 6 g u e d e s m1 0 石英砂 2 6 9 7 6 5空气o o 8最小流化速 度随着压力 的降低而降 低，u 。胡艮从 e r g i u l 关联式 7 4 二氧 0 2 8 压力对最小 化碳流化速度没 有影响：气泡 变得更小、更 加容易破碎。 第一章文献综述 b a n e t oe t a 1 【8 】1 0 f c c 颗粒1 2 6 c h i t e s t e re ta 1 网1 0 2 ( 1 ) 煤粉 1 2 5 ( 2 ) 焦炭 1 1 2 1 0 2 x ( 1 ) 煤粉 1 2 5 1 9 ( 2 ) 焦炭 1 1 2 c h 粕就a 1 【1 0 1 3 8 1石英砂2 5 6 5 焦煤渣 2 5 6 5 2 5 6 5 c a r s k ye ta 1 【1 l 】 1 3 5 5 8 9 8 氮o 2气泡尺寸和速 气度降低；气泡 破碎合并频率 升高；空隙率 随压力升高而 升高。 8 8 氮o 6 5空隙率随压力 3 6 1 气升高而升高； 1 5 7 对大颗粒，床 3 7 4 高在给定气速 1 9 5 下随压力升高 2 0 3 而升高，但是 对于细颗粒并 不是单调的趋 势。 1 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 6 0 0 氮o 3 2气泡尺寸随压 气力升高而降 低，气泡聚并 破碎频率升高 空o 1 3在压力上升到 气0 4m p a 时，气 泡尺寸减小， 之后气泡大小 不再化。 3 酪 乙 互 砂土 英火土石耐粘 第一章文献综述 o l o w s o ne ta l 【1 2 】2 0 石英砂 2 6 3 0 m i q u e lf l l o pe t 1 0 石英砂 2 6 5 a 1 【1 3 】 7 0 0 空 o 1 6 气泡直径随压 气力升高而降低 2 1 3空0 1 5 实验中发现b 4 5 0 气类颗粒和d 类 7 2 8 颗粒的床层膨 1 0 8 5 胀都随压力升 1 4 6 0 高而升高，但 到达一定压力 以后就不再变 化，甚至有所 下降。 表1 2 前人对常压气固磁稳定床流体力学特性研究 t a b i e1 - 2p r e v i o u ss t u d j e so fh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg a s - s o u dm s f b - a 一 第一章文献综述 a m a l d o se t空气一镍建立了个反映磁稳定床稳定性的数学模型，稳定性由 a l 【1 4 】 硅混合物，鼓泡流态化的起始速度也称转变速度u b 来衡量，得到了 空气一铁u b 与磁场强度h 、磁性材料的性质、磁性材料与非磁性 铜混合物，材料混合物的质量分率x 以及操作条件的数学表达式： 空气一铁 u b = u m f e x p 【( a + b h ) “0 h x 】，u b 越大稳定性越好。磁场 硅混合物。强度增加及混合物中惰性材料质量分率减少都使稳定 性增强。最小流化速度u i t i f 与磁场强度和混合物中磁性 材料质量分率无关。 蔡崧f 1 5 】空气一铁用磁感应法测量了气泡的特性。随着磁场强度的增大， 颗粒气泡的频率、体积和速度相应减少，分裂和汇合平缓。 p e n c h e ve t 空气一铁床层状态依次以下列的顺序发生：固定床、膨胀床、膨 a l 【1 6 】 磁粉末胀床崩溃、颗粒聚集体的链状均匀流态化、鼓泡流态化。 床层膨胀过程中压降保持常数。定义最小流化速度u m f 为床中颗粒开始缓慢膨胀上升的起始速度u 。，u i i l f 与磁 场强度无关。均匀流态化的起始速度u m f l l 随磁场强度的 增加而增加。引入了流态化能力指数f i m 来评定床层的 稳定性，f i m = e x p ( k h ) 与颗粒的直径与初始床高无关。 空气一球磁稳定床的流态化特征随磁场强度的增加而变化，根据 形铁粒子场强的大小可以分为弱磁场区、中磁场区、强磁场区。 弱磁场区具有很好的流态化特征，从散式流态化过渡到 聚式流态化比较平滑，床层压降p b 值与单位截面床 重w a b 偏差不大，床表面保持扁平；中磁场区的特征 为从散式流化床向沟流转变，导致床层压降p b 低于 w a b ，床表面为凹形；强磁场区固体颗粒失去了流动 的能力，当气速大于最小流化速度时床层压降p b 较 高，然后随着气速增大p b 先达到一个最大值后减小 至w a r 。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 2 气固传质实验研究 流化床中气固传质实验研究的难度主要来自于两个方面，一是气固两相流系 统的复杂性，人们认识到流化床中存在着严重的非均匀流动结构，正是这些非均 匀结构导致传质系数波动很大，重复性差，而且由于气固传质过程受很多条件的 影响，实验过程中的影响因素又很难控制。第二方面是由于传质研究体系难以选 择，从传质动力学的本质而言，气固相间总传质速率取决于以下几个因素： ( 1 ) 周围流体与固体的相互作用程度； ( 2 ) 气一固接触传质面积的大小； ( 3 )固体表面被传递组分与该组分在主流体中的浓度差( 传质推动力) 。 气固传质非常易于达到平衡：如固体颗粒为吸附剂时颗粒与气体达到吸附平 衡，颗粒作为物质的释放源时气流中某组分分压与颗粒表面蒸汽压达到平衡，并 且巨大的比表面积使气固达到平衡所需的时间大大缩短，实验难度进一步加大 睇引。因此对于传递过程，尤其是气固相间质量传递过程的实验研究很少涉及，从 而造成了文献报道的实验数据相对较少的情况。本实验采用萘棒测量流化床层中 气固传质系数的方法可以解决气固相之间极易达到相平衡的缺点。 1 2 1 气固传质研究方法 文献中气固两相传质实验的测量方法通常是采用平均测量的方法来考察整 个体系的传质特性，对于细颗粒体系而言，这种方法显得很重要。具体方法主要 有： ( 1 ) 利用固体颗粒在气相中的高挥发性，测量气体中该挥发物质的增加量，常用 的体系有以下几种： 多孔介质浸渍水分的蒸发 苯、硝基苯的蒸发【2 3 】 湿物料的干燥 萘颗粒群的升华【2 4 】 ( 2 ) 利用多孔固体颗粒对气体中某些组分的吸附特性，测量气相中该组分的减小 量，常用的体系有如下几种： 活性炭一四氯化碳一空气【2 5 】 硅胶球一水一湿空气【2 6 】 合成氯石一二氧化碳一空气【2 7 】 为了克服气固传质易于达到平衡的缺点，上述两类实验方法都采用了浅床层 或是用惰性物料稀释，虽然这两类方法可以得到总体气固传质系数，但误差比较 第一章文献综述 大，一方面平推流假设忽略了非均匀系统内气相的混合特性，与实际相比有一定 的差距，而采用其它的流动模型的假设，又会得到大相径庭的传质系数。另外， 如果认为所有颗粒表面都是传质界面的假设又忽略了非均匀系统内颗粒团聚的 特性，使测量得到的结果偏低。而后来的一些研究者引入了床内平均空隙率参数 来消除这一误差，但由于系统的复杂性，也就是空隙率在床内存在着非均匀分布 的特性，使得这种方法并不能完全消除误差，这也是许多研究者报道的传质实验 数据较为分散的原因之一。 ( 3 ) 热质类比 采用热空气作为示踪剂【2 引，测量反应器出口处热量变化量( 相对于空塔) ，求 得气固传热的效果，再利用气固两相流体系的热质类比规律而推导出气固传质规 律。但是，在两相流体系中，热质类比规律还有待于进一步研究，而且有文献报 导这种规律并不存在【2 9 1 ，因此关于这种通过研究气固传热而推导气固传质规律的 方法己经很少被采用了。但是还有不少文献应用萘升华技术来研究对流换热问 题。 ( 4 ) 单个可燃颗粒燃烧 单个可燃碳颗粒燃烧，测量出口处二氧化碳的浓度，如n a u z ef 3 0 】，p i n t o 【3 1 】应 用了这种方法来测量气固传质系数。这种方法的原理是基于在燃烧反应器中，氧 气向单个颗粒的传质规律，它的优点是比较直观，可靠性高，能够为建立合理的 数学模型奠定一定的基础，但这类方法对细颗粒体系是无能为力的。 综合以上几种方法，可以看出每种方法都有较大的局限性，对于前三种方法 来讲，它像一个黑匣子，由于气固两相流动存在非均匀流动结构，尤其是沟流与 返混等流动现象，再加上有些物质中惰性粒子的加入对传质结果又产生了程度不 同的影响，而且不考虑气固两相流动结构的影响，从总体气固传质的平均结果很 难精确推断出气固间的传质机理，但其还有一定的可比性。另外，后一种方法是 对特殊体系所采用的特殊方法，很大程度上依赖于测量手段，即测量工具的精密 程度直接影响着测量结果。如果在颗粒团聚体运动过程中采用非接触方法精确测 量比表面积、单位时间内的传质总量、运动速度、内部空隙率，以及内外被传递 气体的浓度，这种方法也被称为动态传质测量法，它可以比较接近真实地了解颗 粒团聚体的运动，从而反映团聚体在动态演变过程中与流体间的质量传递机理， 但是这种方法的难度很大，几乎很少采用。 综上所述常压下的密相流化床中气固传质速率的研究文献比较多，传质研究 方法尽管不太成熟，弊病较多，准确度较低，但是研究方法是比较多的。根据本 实验的文献查阅情况，相对于常压状况下气固传质研究较多的情况，加压下密相 流化床中气固传质的研究则相对少了许多。 第一章文献综述 1 2 2 萘升华实验技术概述 萘是一种可由固体状态直接转变为气体状态的化学材料。这种由固体状态直 接转变为气体状态的物理现象称为升华，具有这种升华性质的材料还有樟脑 ( c 1 0 h 1 6 0 ) ，n 一二氯代苯、n 一二溴代苯等。萘的化学分子式为c l o h 8 ，分子量为 1 2 8 7 4 ，正常熔点为3 5 3 5k ，固态密度为l1 4 5k g m 3 。萘升华模拟实验就是利用 萘在空气中的升华现象进行传质实验，以此来模拟相应的对流换热现象。萘升华 模拟实验是一种典型的传热一传质模拟实验，并有较长的发展史。早在1 9 4 0 年， f r o e s s l i n g 就已经应用萘升华技术模拟球形颗粒的传热系数。随后，到五十年代 中期，美国l l i i n o i s 理工学院的j a k o b ，k e z i o s 等人应用此法进行了较为广泛的研究。 从七十年代开始，s p a r r o w ，g o l d s t e i n 等更广泛地应用萘升华技术研究了多种对 流换热问题。八十年代以来，国内学者也开展了这方面的不少工作。蒋建平【7 6 】就 运用萘升华技术对流化床内气粒两相间对流换热进行了初步实验研究。 萘升华模拟气固传热系数的开始也就是萘升华测定传质系数的开始。以上模 拟技术都是建立在热质类似律适用于气固两相流体系的基础之上的。但是，在两 相流体系中，热质类比规律还有待于进一步研究，而且有文献报导这种规律并不 存在【2 9 1 。无论热质类似律是否能用于传热系数的测量，萘升华技术是可以应用于 传质系数的测定的。 g o l d s t e i n 【3 2 】总结了萘试件的制作方法、传质系数测量方法、萘的各种性质( 饱 和蒸气压、扩散系数、s c 数等的理论和经验关联式) 、萘升华测量方法的优点和 缺点。 典型的确定传质系数的萘升华实验研究包括四大步骤：1 制作萘试件，并 测量试件的初始表面形状、初始直径、长度、初始质量等；2 将试件应用于实 验研究( 流化床) 中，观察实验现象，并记录实验数据( 例如萘试件表面温度、 流体温度等) ；3 实验完成后，测量试件的形状参数或质量；4 实验数据处理， 求出传质系数。 1 2 3 萘升华实验技术的优点 萘升华实验技术在传热传质模拟实验应用中体现出了众多的优点。曹玉璋【3 3 】 详细讲述了萘升华原理应用于研究对流换热方面的应用，张惠华p 4 j 等则对强制 对流换热的萘升华模拟实验进行了研究，并对萘升华实验技术的优点也进行了较 好的总结。本文此处对其简要概述如下：1 易于得到传质表面的局部传质系数 分布数据；2 简化测量手段( 避免了对传质表面浓度测量) ；3 萘试件制作简单， 所需测量仪器简单并准确，使整个实验节省大量人力、物力和时间。 第一章文献综述 1 2 4 萘升华实验技术的缺点及克服手段 ( 1 ) p r i n se ta l 【3 5 j 指出萘试件的直径等形状参数的改变会影响传质系数的测 量，直径越小传质系数越大。为此，实验中必须保证萘试件的形状改变发生在许 可的范围之内，所制作的萘棒流化次数一般在3 5 次之后就需更换萘棒。 ( 2 ) 萘升华所测得的传质系数是时间平均值，无法得到传质系数的瞬时值。 ( 3 ) 颗粒摩擦对传质系数测定的影响，尽管z i e g l e re ta l 【3 6 】考察了铝粒对萘试 件摩擦的影响并认为可以忽略摩擦对萘试件质量减少的影响，g a r i me ta l 【3 7 】认为 在玻璃珠体系中也可忽略摩擦对实验结果的影响，但是摩擦仍然对于实验结果有 影响p6 i ，他认为摩擦引起的质量减少不到总传质量的3 。本实验采用饱和萘蒸 气流化床层中的颗粒以观察萘棒摩擦的质量减少的方法，考察了摩擦对床层与萘 棒传质之间的影响，发现颗粒摩擦引起的质量减少大约占总传质量的10 左右。 1 3 气固传热研究 1 3 1 常压下气固传热研究状况 气固流化床系统中传热研究的难点在于影响传热的因素太多，比如：传热速 率和流化床的几何外形、分布器形式、固体物理性质( 密度、粒径分布及大小、 球形度、比热容等) 、气体和固体流速【3 8 ，3 9 】、外场( 如磁场) 的影响。这就造成 不同研究者获得的实验数据因实验条件的不同而难以统一进行比较。 对那些容易流化的颗粒来说，多数实验发现在表观气速高于最小流化速度时 传热速率随着气速升高而升高到一个最高值，其后随气速进一步升高而下降。最 高传热速率是多数研究者最关心的，并且众多关联式也是以最高传热速率为关联 因素，相反，多数研究者不太关心最高传热速率时的表观气速【4 0 1 。但是也有很 多实验发现气固体系中的传热速率随着气速的升高会在最高值保持不变垆0 1 ，这也 是本实验得出的结论，这应该是由于气固体系的传热影响因素众多的原因。 n e f fa n dr u b i n s k y1 4 i j 研究了磁稳定作用对壁面一床层传热系数影响，试验结 果发现磁流化床每个流动区对应有不同的传热特征。而q i a n 【4 2 】在研究浸没加热 元件表面一床层传热系数时却发现在所有的区域传热速率都相似。s a x e n aa n d d e w a n1 4 j j 研究了以平均直径为1 5 l lpm 铁颗粒为固相的气固磁流化床的传热， 采用特制的尼龙探针水平放置在床中的不同位置测定了探针表面与床层的局部 传热系数，试验结果表明在恒定的气速下，传热速率随着磁场强度的增加而增加。 g a n z h am j 得到了相同的结论，采用圆柱形加热条状传热探针测定了磁稳定床中 第一章文献综述 局部传热系数，测定结果表明传热系数与探针放置的角度有关，指出磁场影响了 探针附近向上流的气相流动，进而影响了传热系数，在相同的气速下增加磁场强 度，传热系数增加。 以上的研究中基本都表明磁场强度的影响增加了床层的传热系数，然而也有 研究报道得到了相反的结果。s y u t k i n 【4 5 】及l e v e n s p i e i1 4 6 j 都报道了同样的研究结 果，在磁稳定床中传热速率比在流化床中的低。g a n z h a 1 47 j 在实验测试固相为铁 粒子与沙粒混合物的气固磁稳定流化床中的传热特性时发现在气速接近最小流 化速度附近，传热系数随磁场强度的增加而减少。另外c h e n g 等1 4 副在研究中也 得到了相同的结论，金属板浸没在气固介质中，外加磁场的作用减少了传热系数。 近年来，a 1 q o d a h 等f 4 9 】研究了在含有铁磁颗粒的床中，外加横向磁场对浸没在 床层中不同轴向、径向位置的球形传热探针与床层的传热系数的影响，实验结果 表明，传热系数随气体速度的增加而增加，随磁场强度的增加而减小。 h r i s t o v 【5 0 】对磁稳定床中浸入加热面与床层之间的传热系数数据进行了整 理，得到了部分传热关联式，结果如下表所示。 表l - 3 磁稳定床中浸入加热面与床层的部分传热关联式0 5 0 1 1 a b l e1 3p a r t i a lc o r r e l a t i o no f h e a tt r a n s f e rc o e 娟c i e l l tb e t 、】 r e e n i m m e r s e ds u r f a c ea n df i u i d i z e db e di nm s f b 文献材颗粒方程( 1 ) 方程( 2 ) 实 料直径 验 ( ) 点 数 a o mr 2 b o n r 2 b o l o g aa n d f e1 6 0 2 3 9 6o 5 8 6o 8 8 71 2 30 8 3 6 o 7 0 72 4 s y u t k i n 3 2 5 a x i a l6 e l d b o i o g aa n d f e9 05 7 0 4 21 4 8 80 9 8 5 4 s y u t k i n t r a n s v e r s e 6 e l d ， a m a l d o sf e4 6 03 1 2 2 30 1 2 40 8 2 7 4 a x i a lf i e l d 第一章文献综述 续前表， 文献材颗粒方程( 1 )方程( 2 )实 料直径验 ( ) 占 数 a m a l d o sn i3 2 52 9 7 6o 2o 6 4 22 6 3 02 4 20 6 2 05 a x i a lf i e l d d o l i d o v i c hf e1 5 1l1 9 2 2 2o 0 7 8 2o 8 6 42 5 0 30 9 2 20 9 9 85 a x i a lf i e l d q i a na i l d f e7 3 32 1 9 30 2 7o 5 1 12 4 30 7 20 8 4 54 s a x e n a g a n z h aa n df e1 0 8 65 5 5 6o 0 20 0 5 51 3 81 0 2 20 9 1 26 s a x e n a a x i a lf i e l d 关联式形式： ：擎：4 r e m s 。 以 ”。 舯渊r o s q 飘一剖 jh = b o 酣 1 3 2 压力对气固传热系数的影响 ( 2 ) 与压力对于密相流化床中气固传质系数的影响研究文献较少相比，压力对于 密相流化床中传热系数的研究的文献数量相当可观。 对于浸入加热表面与床层之间的传热系数受压力的影响，相关文献研究的结 论比较一致，研究结论表明压力的升高使得传热速率都有不同程度的提高。 b o r o d u l y a 甜口正1 5 l j 用直径为0 1 2 6 m m 的沙粒研究加压下的流化床中的传热系数 时发现，压力从6b a r 升高到8b a r 时传热系数升高3 0 ，另外，b o t t e r i l la n dd e s a if 5 2 】。 b o 伉e r i i la n dd e n l o y e 盼引。s t a u ba n dc a n a d a l5 5 j ，c a n a d aa n dm c l a u g h l i n 1 5 6 j ， b o r o d u l y a “口正1 5 7 j 也对加压下的流化床中气固传热系数作了研究，发现压力的升 高使得气固传热系数升高。o l s s o na n da l m s t e d t f 5 8 】研究床层与壁面之间的传热时 第一章文献综述 发现，压力的升高也使传热系数升高。 1 4 本课题组的研究进展 卢立祥1 5 圳对常压液固、气液固磁稳定床的流体力学、液相轴向扩散系数， 液固磁稳定床的液固传质特性，气液固磁稳定床的气液传质特性进行了系统的研 究。研究表明最小流化速度和颗粒带出速度随场强和颗粒粒径的增大而增大，液 固传质速率比普通流化床的要小，轴向扩散系数分别随场强、液体黏度和表面张 力的增加而减小。 李晓芳1 6 0 j 对常压气液固磁稳定床的气液传质特性、液固传质特性、液固传热 特性，液固磁稳定床的传热特性进行了实验研究，并对液固、气固磁稳定床的流 体流动特性进行了数值模拟。 吴跃江1 6 l j 对常压气固体系的磁稳定床的流体流动特性、气固传热特性进行了 实验研究。研究表明最小流化速度、最小流化状态下的床层空隙率与磁场强度无 关，其可以采用经典预测公式；磁场强度的增加抑制了颗粒的运动，使得局部固 含率略微增加，增大了最小鼓泡速度；磁场强度的增加抑制了颗粒的运动，减小 了气固传热系数。 他们的工作较系统地研究了常压下气固、液固、气液固反应器流体流动、传 质、传热特性，积累了大量的数据，对实际生产提供了宝贵的实用数据，也是本 文的继续进行的依托。 1 5 论文工作的提出 从以上对国内外的文献查阅情况来看，磁稳定床反应器的理论实验研究还不系 统，并且是初步的、零散的，而且由于多相流的复杂性，不同研究者的研究物系不 尽相同，得到的研究结果缺乏可比性。目前磁稳定床已经在工业己内酰胺的加氢精 制反应过程中获得了实际应用。关于此类反应器的常压气固传质以及加压气固流体 流动特性、传热特性的研究还未见报道。因此有必要对气固磁稳定床的传质特性以 及加压状况下气固流体流动、传质传热特性进行研究，以加深对其传质传热特性的 认识和理解，对该反应器的设计放大提供基础数据，以便拓宽磁稳定床的应用领域。 在流体流动方面，前人对加压状况下的普通气固密相流化床进行了较为广 泛的研究，尽管没有磁稳定床的数据报道，但它仍为本文的进行提供了必要的文 献对比和参考；在传质方面，关于加压下普通气固密相流化床的研究较为少见， 本文可参考的文献很少，关于常压下普通气固密相流化床的气固传质方法较多， 第一章文献综述 但是所得数据较为分散，本文选用简单易行的萘升华测温法测定气固传质特性； 在传热方面，人们作了不少在加压下普通气固密相流化床的传热特性研究，为本 文提供了有益的参考。 正是在前人研究常压下普通流化床的基础上，本实验继续继承和发展，进行 了以非晶态合金催化剂s r n a 4 为固相的气固磁稳定床反应器为研究对象，对其 加压状况下的流体流动、传质、传热特性进行了实验研究，以期为该反应器的设 计与放大、优化操作提供依据，具体工作如下： ( 1 ) 加压磁稳定床反应器的设计与施工； ( 2 ) 加压气固m s f b 流体流动特性的研究； ( 3 ) 加压气固m s f b 传质特性的实验研究； ( 4 ) 加压气固m s f b 传热特性的实验研究 第二章加压气固磁稳定床流体力学研究 第二章加压气固磁稳定床流体力学研究 讨论气固两相在过程中的运动特征和对床层操作状态的影响是研究气固两 相传热、传质的基础，也是本章的重点。 气固两相流动的研究是当今力学领域中最热门、最复杂和最前沿的领域之 一。对于流体( 单相) 的运动，无论多么复杂，都可以用动量守恒方程 ( n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ) 、质量守恒方程( 也称连续性方程) 、能量守恒方程和 状态方程来进行描述。若加上边界条件和起始条件，就组成一个定解问题。从理 论上讲，对该定解问题通过解析解或者借助于计算机的数值计算( c f d ) ，可以 得到其运动规律( 如速度分布规律等) 。但是气固两相运动却比流体复杂得多， 首先是气体中的颗粒相几乎从来就没有均一的尺度，只有某种大概的尺寸分布； 其次是颗粒的形貌也不尽相同，颗粒与流体之间的相互作用亦千差万别；另外气 体与颗粒的接触方式因过程的不同也五花八门。因此迄今为止完全采用纯数学的 分析方法来求解气固两相运动问题几乎是不可能的。倘若忽略颗粒相的粒径分布 和形貌差别，来研究气固两相的运动问题，起码有六个有关运动的因变量，即气 体的速度、温度、压力、颗粒的速度、温度和浓度。对这样一个复杂的问题，一 般需要六个泛定方程来进行描述，其中包括气固相之间的相互作用项。尽管数 学模拟和过程仿真是当今气固两相流研究中的一个热门领域，但对稍微复杂一点 的问题仍然无能为力。即使得出的理论研究成果，仍然需要实验结果来进行验证。 目前关于气固两相运动规律的研究方法一般分为三类： ( 1 ) 实验观察方法 采用各类手段直接观察或测定气固两相的运动轨迹或响应参数，从而掌握其 运动规律，如用激光测速仪、热线风速仪或多探针等方法测量气体流场和压力的 分布，进而用数学表达式表述气流运动的规律和特征，或者用示踪显影如烟雾、 飘带等直接观察流体的