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青岛科技大学研究生学位论文 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 摘要 近代固体流态化技术在工程中作为一种重要的流固相间物理操作技术被广 泛采用。流化床是典型的流态化多相流操作技术。由于多相流行为是一个典型的 混沌过程和非线性过程，对各种床内参数，如压力脉动值、局部相含率、颗粒速 度、颗粒温度、气泡尺寸等动态变化过程的剖析，可以获得更深层次的信息。近 年来兴起的计算流体力学( c f d ) 方法，具有方便的测定实验中不易测得的数据、 优化实验设备、修正及验证理论模型、降低实验费用等优点，引起了许多研究者 的兴趣。 本文采用流体力学模拟软件f l i u e n t6 2 ，结合本实验室测量数据，首先优 化气固流化床分布板开孔率，然后采用最佳开孔率分布板，测量气一固流化床内 局部固体浓度、床层压降等参数，并与模拟值进行比较。根据结果比较，修正及 验证数值模型，获得最佳普适性和可靠性强的数值模型。 第一，采用实验与模拟相结合的方法，研究三种不同分布板开孔率( 咖= o 4 6 ， 0 8 6 ，1 1 0 ) 对分布板压降、局部固体浓度、气泡尺寸、床层压降等参数的影响， 确定最佳开孔率。研究结果表明，随开孔率的增大，分布板压降和分布板附近形 成气泡尺寸减小，颗粒流化质量降低。开孔率对平均床层压降影响较小，但对床 层压力波动影响较大。根据对各参数的综合研究，确定最佳开孔率为0 4 6 。 第二，为减小计算误差，通过研究几何模型、网格数量、最小时间步长、颗 粒碰撞恢复系数等因素对计算结果的影响，确定最佳计算参数。根据表观气速对 流化状态的影响，确定模拟气速大于o 0 4m s 1 。在以上参数条件下，研究 s y a m l a l o b r i e n 、g i d a s p o w 和w 钮a n dy u 三种曳力模型对流化状态的影响。根据 三种曳力模型对固体浓度分布和气、固速度等参数的影响，本文选用 s y a m l a l o b r i e n 曳力模型，并根据实验数据对曳力模型进行了修正，减小计算偏 差。 第三，研究声场流化床内流体动力学行为。在修正曳力模型基础上，根据声 场对颗粒速度和固体动量方程的影响，建立气一固流化床声学模型。将声学模型 编程后导入f l u e n t 软件，考察声压级对局部固体浓度、气泡特征、压力波动、 颗粒速度、颗粒温度等参数的影响。将模拟值与实验测量数据进行比较，验证了 模型的可靠性。研究结果表明，在定误差范围内，计算值与实验数据吻合较好， 可以正确反映声场流化床的流体动力学行为。但部分模拟结果与文献数据有一定 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 的差别，说明本文建立的声学模型有待于进一步的修正和研究： 关键词：分布板开孔率数值模拟曳力模型声场流化床声学模型 青岛科技大学研究生学位论文 t 既d 叮! 江s t i g a t i o no fe x p e r i n 【e n ta n d n u m e i u c a ls i n 几几a t i o no nf l o wc h a r a c t e r i s t i c i ng a s f l u i d i z e db e d a bs t r a c t t h es o l i df l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dw i d e l ya sa ni m p o r t a n tf l u i d s o l i dp h y s i c a l o p e r a t i o n f 1 u i d i z e db e d i st h et y p i c a lt c c h n o l o g yo fm u l t i - p h a s ef l u i d i z a t i o n b e c a u s e t h em u l t i p h a s eb e h a v i o ri st h ec h a o sa n dn o n l i n e a rp r o c e s s e s ，t h ef u r t h e ri n f o r m a t i o n c a l lb ea c h i e v e db ya n a l y z i n gt h ev a r i e t yo fp a r a m e t e r si nf l u i d i z e db e d , s u c ha s p r e s s u r ed r o p ，l o c a lp h a s ec o n c e n t r a t i o n , p a r t i c l ev e l o c i t y , g r a n u l a rt e m p e r a t u r e ， b u b b l es i z e ，a n ds oo n t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) m e t h o dh a sb e e n i n t e r e s t e do v e rt h ep a s ty e a r sb ym a n yr e s e a r c h e r s ，b e c a u s ei tc a no b t a i n 也ed a t a w h i c hi sd i f f i c u l tf o re x p e r i m e n t ，o p t i m i z ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，m o d i f ya n dt e s t i f y n u r n e f i c a lm o d e l s ，r e d n e ee x p e r i m e n t a lc h a r g e a n ds oo n t h eb e s tp e r f o r a t e dr a t i oo fd i s t r i b u t o rw a sd e t e r m i n e du s i n gc f dc o d ef i i 甩n t 6 2c o m b i n i n ge x p e r i m e n t a ld a t am e a s u r e di no u rl a b ，f i r s t l y t h e nt h ep a r a m e t e r so f l o c a ls o l i dc o n c e n t r a t i o n , b e dp r e s s u r ed r o p ，e ta l ，w e r em e a s u r e da tt h ec o n d i t i o no f t h eb e s tp e r f o r a t e dr a t i o a n dt h e yw e r ec o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nd a t at os e l e c tt h e s u i t en u m e r i c a lm o d e l s ，m o d i f ya n dv a l i d a t em o d e l s f i r s t l y , t h ep a r a m e t e r so fb e dp r e s s u r ed r o p ，d i s t r i b u t o rp r e s s u r ed r o p ，t h e i n s t a n t a n e o u se v o l u t i o no fb u b b l e sa n dp r o f i l eo fr a d i a ls o l i dh o l d u p sa d o p t e dt h r e e p e r f o r a t e dr a t i o so fd i s t r i b u t o r s ( i 萨o 4 6 ，o 8 6 ，1 1 0 ) w e r es i m u l a t e d t h er e s u l t s w e r es h o w nt h a t t h ed i s t r i b u t o rp r e s s u r ed r o pd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp e r f o r a t e d r a t i o sa n dd e c r e a s i n gt h es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y t h eg l o b a ls o l i dh o l d u pw a s d e c r e a s e df r o mt h ew a l it oc e n t e rr e g i o n , a n di th a dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t i o np r o f l e u n d e rp r e s s u r 争习r i y e nf o r c ef o rd i f f e r e n tp e r f o r a t e dr a t i o so fd i s t r i b u t o r si n v e s t i g a t e d t h ef l u c t u a t i o no fp r e s s u r ed r o pi n c r e a s e da n df l u i d i z a t i o nq u a l i t yd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gp e r f o r a t e dr a t i o so fd i s t r i b u t o r s t h ed i s t r i b u t o ro fp e r f o r a t e dr a t i o0 4 6 w a sa d o p t e di nt h ep r e s e n tw o r kb yc o n s i d e r i n gt h ep a r a m e t e r sa b o v e s e c o n d l y , a p p r o p r i a t es e r i n g o fg e o m e t r i c a lm o d e l ，g r i d ，t i m e s t e p ，p a r t i c l e r e s t i t u t i o nc o e 髓c i e n ta n do t h e rb o u n d a r yc o n d i t i o n ( u ow a sa b o v e0 0 4m s q ) w e r e o b t a i n e dt od e c r e a s ec a l c u l a t i o ne r r o rb yi n v e s t i g a t i n gt h ep a r a m e t e r se f f e c t so nt h e r i 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 c a l c u l a t i o nr e s u l t s a tt h ec o n d i t i o no f a b o v e s y a m l a l o b r i e n 、g i d a s p o wa n dw e n a n dy ud r a gm o d e l s 。w e r ei n v e s t i g a t e d t h em o s ta p p r o p r i a t ed r a gm o d e li n t h i sw o r k w a ss y a m l a l o b r i e nb yi n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t0 1 1t h ep r o f i l eo fs o l i dc o n c e n t r a t i o n , g a s s o l i dv e l o c i t i e sa n dp r e s s u r ed r o p i n t h i sw o r k ，am o d e lu s e dt om o d i f y s y a m l a l o b r i e nd r a gm o d e lb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，w a se s t a b l i s h e d ， a n dt h ed i s c r e p a n c yb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t aw a s d e c r e a s e d t 【l i l d l y , f l u i d i z e db e h a v i o r so fa c o u s t i cf i u i d i z e db e dw e r ei n v e s t i g a t e d b y a n a l y z i n gt h ep a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t ya n ds o l i dm o m e n t u mc a u s a lb ys o u n d a s s i s t a n c e a l la c o u s t i cm o d e lw a sa l s oe s t a b l i s h e da n dt h eo r i g i n a ls o l i dm o m e n t u m e q u a t i o nw a sm o d i f l e d u n d e l m o d i f i c a t i o n sf o rd r a gm o d e la n dm o m e n t u me q u a t i o n c o n d i t i o n s ，t h er a d i a lp a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o n , a x i a lr o o t - m e a n - s q u a r e ( r m s ) o fb e d p r e s s u r ed r o p ，g r a n u l a rt e m p e r a t u r e ，a n dp a r t i c l ev e l o c i t yi ng a s - s o l i da c o u s t i c f l u i d i z e db e dw e r es i m u l a t e du s i n gc f dc o d ef l u e n t6 2 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sw e r ev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a im e a s u r e m e n t s i tw a ss h o w e dt h a ts i m u l a t i o n v a l u e sw e r ei nr e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a id a t ai nc e r t a i ne r r o r sa n d t h ea c o u s t i cm o d e ie s t a b l i s h e di nt h i sw o r kc a l ld e s c r i b ec o r r e c t l yt h ef l u i dd y n a m i c b e h a v i o r s h o w e v e r , i ta l s oh a sd i s c r e p a n c yw i t ht h el i t e r a t u r e sr e s u l t s ，s ot h ea c o u s t i c m o d e le s t a b l i s h e di nt h i sw o r ki sn e e d e dt ob ei n v e s t i g a t e da n dm o d i f i e df u r t h e r k e yw o r d s ：p e r f o r a t e dr a t i o so fd i s t r i b u t o r ；n u m e r i c a lm o d e l s ；d r a gl a wm o d e l s ； a c o u s t i cf l u i d i z e db e d ；a c o u s t i cm o d e l i v 青岛科技大学研究生学位论文 符号。说明 阿基米德数 曳力系数 床层直径 床高h 处平均气泡直径 分布板处形成的初始气泡尺寸 最大气泡尺寸 固体颗粒直径 声能 颗粒碰撞恢复系数 提升力 虚拟质量力 声波频率 平均速度梯度产生的湍动能 浮力引起的湍动能项 床高 静床高 偏应力张量的第二不变式 湍动能 气固交换系数 分布板上小孔数 固体压力 压降 分布板压降 局部平均压降 波动压降 瞬时压降 固相雷诺数 终端速度条件下雷诺数 终端速度条件下单个颗粒雷诺数 声压级 声波产生的速度峰值 n n h z k g m - 1 s - 3 k g 1 ：1 1 1 s 3 m m 击f p a p a p a p a p a p a d b m s 1 m m m m 肛眦 小o d仇帅坼盔一厂瓯瓯日凰b七瞄风卸心一卸矽船胍姒胍姚u 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 表观气速 m s 叫 分布板上小孔全部激活条件下临界流化速度 r f l 。s q 最小流化速度 m s q 气泡平均上升速度 m s 1 颗粒终端速度 m s 叱 体积膨胀引起的湍动能耗散项 k g 。m 1 s 3 k 方程中常数项( 七方程中p r a n d t l 数) 方程中常数项( e 方程中p r a n d t l 数) 分布板开孔率 固体体积分数 气体体积分数 声能衰减系数 固体颗粒温度 n l z s 吃 固体应力张量p a 固体压力粘度pas 固体体积粘度pas 声波波长 m 声波对颗粒的夹带系数 颗粒和空气质点运动之间的相位差 内摩擦角度 。 碰撞粘度pas 摩擦粘度pas 运动粘度pa。s 气体密度k g 。m q 固体密度k g 。m 咕 最小流化速度时空隙率 阻力系数 x 一吼以西仪qo雎入入 仇矽圣 肌肌断以风钳孝 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已 用于其他学位申请的论文或成果。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蔷淑芹 日期： 撕，年占月l 弓日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书1 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“，) 黼鞴 导师签名：瑶饭荡 日期：硼7 年石月b 日 日期：纫哆年莎月侈日 青岛科技大学研究生学位论文 j j - 月i j 吾 流态化是固体流态化的简称，即依靠流体流动的作用使固体颗粒悬浮于流体 中或随流体一起流动的过程。流态化技术是研究和处理工业过程中固体颗粒与气 相、液相、气液相之间的混合、传质、传热的多相流技术。流态化技术首次大规 模地在现代工业上的重要应用是由w i n l d o r 用于粉煤气化的气一固流化床开始 的，并在1 9 2 2 年获得德国专利。我国对流态化技术最早的研究是汪家鼎院士关 于流化床褐煤低温干馏技术的研究。几十年来，流态化技术的应用与研究更趋广 泛，目前流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国民经济的许多部门，在化工、 炼油、冶金、能源、原子能、材料、轻工、生化、机械、环保等各领域都有日益 广泛应用。 气固密相流化床在工业中得到广泛应用。由于其传热、传质效率高，可以流 化的固体颗粒尺寸分布范围广，流化床结构简单等优点，近几十年在理论和工业 应用研究领域备受关注。由于气固两相流动复杂多变，缺乏合适的检测技术和手 段对床内各参数进行准确的检测，同时实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身 安全等因素限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。因此，许多问题至今不 能很好地得到解决，长期停留在经验阶段。 近几年兴起的流体力学方法( c 阳) 得到广泛应用和发展。流动问题的控制 方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难获得 解析解，而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解。另外，还可用计算 机进行各种数值试验，省钱省时，有较大的灵活性，能给出详细和完整的资料， 很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理 想条件。但数值解法是一种离散近似的计算方法，只能得到有限离散点上的数值 解，有一定的计算误差。这就需要由实验观测或物理模型实验提供某些流动参数， 并需要对建立的数学模型进行验证。 目前，c f d 在流态化领域的应用中遇到的最大问题是所建模型的合理性，多 数研究期望与实验现象相吻合。目前应用最广泛的两个模型为欧拉一欧拉拟流体 模型和欧拉一拉格朗日离散相模型。但受计算机资源的限制，对于大规模的气固 多相流模拟大多采用欧拉一欧拉拟流体模型。目前，应用数值模拟方法对传统流 化床内流体动力学行为已进行了大量的研究，但模拟结果与实验值有较大差别， 这就需要研究者根据具体实验条件修正相应的数学模型，并进行进一步的验证与 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 发展。近年来，有研究者利用磁场、声场等外加场改善颗粒的流化质量，但在这 方面的数值模拟研究较少，对外加声场的数值模拟研究鲜有公开文献报道。本文 首先在常规流化床中进行数值研究，根据实验条件对曳力模型进行了修正，通过 与实验对比验证数值模型的可靠性。然后根据理论分析建立声场模型，分析a 类 颗粒在声场流化床中的动力学行为，并将模拟结果与实验值对比，对所建模型进 行验证。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 流化床概述 1 。文献综述 德国科学家温克勒( f r i t zw i n l d e r ) 于1 9 2 2 年申请了流化床的专利权，并于1 9 2 6 年在洛伊纳( l e u n a ) 建成第一台实用的常压流化床煤粉气化发生炉。流化床的 核心技术为流态化技术。利用流化床具有较高的换热速率及流态化颗粒易于输送 的特点，1 9 3 7 年e s s o 公司首次建立了流化催化的中试装置。1 9 4 2 年，由e s s o 、 k e l l o g g 和s t a n d a r do i lc o m p a n yo f i n d i a n a 公司合作的第一套流化催化裂化工业装 置投入运转。d o n o l i v e rc o m p a n y 公司于1 9 4 4 年进行流化床非催化气一固反应的 研究，于1 9 4 7 年在加拿大安大略建立了硫化物矿焙烧。1 9 5 2 年，d o n o l i v e r c o m p a n y 公司建立了硫铁矿的流态化焙烧系统用于生产s 0 2 。同时，b a s f 和日本 住友化学公哥也先后建立了工业化的流态化焙烧系统。2 0 世纪7 0 年代初，流态化 理论及应用的发展对流态化技术的发展起到了划时代的作用。理论上，g e l d a r t 发 现了四种流态化模式及颗粒分类的理论；应用上，德国l u r g i 公司开发了快速流化 床煅烧a 1 2 0 3 的技术，这一技术可使流化床的单位截面处理量增加6 倍。2 0 世纪7 0 年代以后，快速流化床技术在能源等领域得到广泛应用。1 9 3 8 年，为了开发催化 裂化技术，开始了流态化的基础理论研究，迄今已有半个多世纪。关于流态化领 域的研究取得了巨大进步，人们对流态化反应器系统的认识从8 0 年代平稳的线性 系统发展至z j 9 0 年代末的非平稳、非线性的混沌系统。 。 气固流化床由于其两相返混剧烈，传热、传质效率高等优点已被广泛应用于 石油化工、能源环保和制药等工业领域1 1 - 3 1 ，但由于流化床自身技术的不足使得其 应用受到一定的限制。一方面，流化床内大量气泡、沟流、腾涌的存在，会造成 局部气流短路，降低气、固两相间的接触机率；另一方面，常规的流态化技术对 微细颗粒如c 类颗粒的流化有一定难度。原因是c 类颗粒的粒径较小，起始流化速 度相对较低，流化时，容易形成颗粒夹带和扬析，导致床层物料的损失【4 羽。由于 流化床内颗粒都是随机运动，流化床内气泡的生成、运动也存在不确定性，若用 常规方法实现对流化床内气固两相的运动进行有效的调节和控制非常困难。改善 传统流化床流化性能的方法【7 母】归纳起来主要有三类：第一类是优化流化床层设 计，如增加各种附件等；第二类是对流化颗粒进行表面改性，或对较难流化的颗 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 粒采用添加另类颗粒的方法；第三类则是向流化床引入各种力场( 如磁场、离心 - 一- 场：振动场、声场) ，利用附加能量来削弱颗粒间的粘附力，控制流化床内固相 颗粒运动，进而达到控制流化床内气固两相的流动，改善流化床层流化特性。 1 1 1 流化床的原理及优点 ( 1 ) 流化床原理 固体流态化现象是将大量固体颗粒悬浮于运动的流体，从而使颗粒具有类似 于流体的某些宏观表观特征的现象。在一个上边敞口，底部是一块带有许多微细 小孔的多孔板的容器中放入一些固体颗粒。在重力作用下，颗粒将堆积在容器的 底部，形成一个颗粒床层，其全部质量由容器底部的多孔板支持。由底部多孔板 的微孔中向容器内通入少量的流体，该流体经过床层中颗粒之间的空隙向上流过 固定床层。当流体流量很小时，固体颗粒不因流体的经过而移动，这种状态称为 固定床。继续增加流体流速，当达到某一数值时，颗粒开始出现浮动，床层压力 不断增加，直到床层压降等于单位床层截面上的颗粒重量，此时流体流动给颗粒 的曳力与颗粒重力平衡，导致颗粒被悬浮，颗粒开始进入流化状态，称为初始流 态化或临界流态化。相应的流体速度即临界流化速度，又称初始流化速度 ( i n c i p i e n tf l u i d i z a t i o nv e l o c i t y ) 或最小流化速度( m i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t y ) 。 继续增加流体流速，床层压降将不再变化，但颗粒间距离会逐渐增加以减小由于 增加流体流量而增大的流动阻力。颗粒间距离的增加使颗粒可以相对运动，使床 层具备一些类似流体的性质，这种使固体具备流体性质的现象称之为固体流态 化，简称流态化，相应的颗粒床层称为流化床。 ( 2 ) 流化床优点 流化床的优点可概括为以下几点i l l o 】： 1 由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流一固相界面积大( 可 高达3 2 8 0 - - - 1 6 4 0 01 1 1 - 2 1 7 1 。3 ) ，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率， 生产强度要高于固定床和移动床。 2 由于颗粒在床内混合剧烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层 与内浸换热表面间的传热系数很高( 2 0 0 - 4 0 0w 1 1 1 2 k 1 ) ，全床热容量大，热稳定 性高，这些特点都有利于强放热反应的等温操作。 3 在气泡作用下，流化床中的颗粒四面八方运动，类似于搅拌状态，使得床 层内的温度除了近床壁处以外，基本均匀。另外，颗粒的热容量大，可以利用它 作为热载体，对于高温的情况，尤为合适。 4 流化床内颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并 4 青岛科技大学研究生学位论文 可以在两床之间大量循环。使得一些反应一再生、吸热一放热、正反应一逆反应 等反应耦合过程和反应一分离耦合过程得以实现j 适用于易失活催化剂工程。 5 由。于颗粒与流体间的相对运动频繁而剧烈，流体与颗粒之间传热、传质速 率也较其他接触方式高。 6 由于颗粒运动情况近于完全混合，因此在有颗粒连续进出的装置中，颗粒 的逗留时间有较宽的分布。颗粒运动影响到气体发生返混，使气体沿路的浓度梯 度减小，从而使传质和化学反应的推动力有所减小，气体的停留时间变宽。 7 由于流一固体系中空隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以 致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层，所以流化技术的操作弹性范围宽，单 位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。 由于以上优点，所以流态化技术在许多情况下是不可取代的，且得到越来越 广泛的应用。 1 1 2g e l d a r t 的颗粒分类法 气固流化床中颗粒的粒度及颗粒的表观密度与气体密度之差对流化特性有显 著影响。g e l d a r t 在2 0 世纪7 0 年代初首先提出了气一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，提出了具有实用 意义颗粒分类法g e l d a r t 颗粒分类法【1 1 ，如图1 1 所示，根据不同的颗粒粒度及 气、固密度差，颗粒可分为a ，b ，c ，d 四类。 一平均粒径t l a m 图1 - 1g e l d a r t 颗粒分类法 f i g 1 - 1p a r t i c l e sc l a s s i f i e dm e t h o do fg e l d a r t a 类颗粒称为细颗粒或可充气颗粒，一般具有较小的粒度( 3 0 - - 1 0 0 脚) 及 表观密度( j d p u c 时开始向湍动流态化过渡。 v e r l o o p 弄 i h e e r t j e s l l 3 】假定在流化床中空隙率的传播速度阮大于压缩流体中弹 性波的传播速度时才能产生气泡，由此为基础提出了聚式流态化的条件。 周章玉【1 4 1 采用压力波动标准偏差判断散式流态化和聚式流态化，根据压力波 动标准偏差随流速的变化关系直观地反映系统中散式流态化和聚式流态化类 型。 1 1 4 外加场流化床发展概述 为改善颗粒流化效果，近年来在传统流化床基础上添加外场辅助物料流化技 术已成流态化技术的研究热点，如磁场、振动场、声场等。这类流化床除了具有 传统流化床优点外，还具有有效抑制气泡的长大和沟流、节涌的发生，从而提高 传质和传热效率；增大流化床的操作范围，提高设备的生产能力等优点。 ( 1 ) 磁场流化床 磁流化床多数是在流化床的外侧施加一平行于床体轴线的均匀磁场，流化颗 粒一般选用磁敏材料( 如f e 、f e 2 0 3 等) 。对外加磁场，要求流化床内的流化介质 要有磁响应性，磁性颗粒在流化床中除了受重力、浮力、曳力作用外还受磁场力 以及在较高磁场下被磁化颗粒之间的相互作用力，随着磁场强度的变化表现出不 同的流化现象。 二十世纪七十年代，r o s e n s w e i g 等学者在专利中【1 5 】对磁场流化床作了特别叙 述。 s a x e n a 和s h r i v a a t a v a t l 6 】研究了磁场强度分别为弱、适中、强三种情况下磁场 青岛科技大学研究生学位论文 流化床的流化特性及相应的床层结构。 2 0 世纪8 0 年代后，开始有研究者将磁稳流化床应用于生物分离中。佟晓东【1 7 】 研究了磁稳流化床的特点、分类、稳定性、流体力学特性和各种磁性分离介质及 。其在生物分离中的应用。 m c i l l 盯等【1 8 】采用磁共振粒子在二维流化床中实验测定了颗粒平均速度和颗粒 温度，并与d e m 模拟方法计算数值进行了比较。结果表明，模拟值与实验值吻合 良好，d e m 方法可以准确的预测床内颗粒温度。但在分布板附近，d e m 方法计算 的颗粒温度和颗粒速度都小于实验值。 目前研究工作主要集中在以下三个方面：含铁磁性颗粒的催化反应或以铁磁 颗粒作载体的生化反应等；过滤、除尘、分选物料；流化粘性颗粒。1 9 8 8 年，美 国的p i r k l e 等研制出了循环磁稳流化床反应器( c m s b r ) ，并在确保催化剂活性 和选择性的基础上将其用于氨的合成和环氧乙烷的合成，实现了磁流化床的工业 化应用。近来磁流化床在环保、生化、能源等领域都有广泛应用。磁场流态化技 术虽然发展迅速，但将其工业化放大面临以下问题：一是磁流化床传递机理的研 究以及模型的建立。二是磁性颗粒的制备。磁流化床的理论研究和工业放大有待 于进一步的研究。 ( 2 ) 振动流化床( v f b ) 振动流化床是把振动能量引入普通流化床从而改善流化质量的气固流态化 技术，它所引起共振的频率代表了最大程度的床膨胀和混乱的激发频率b 9 , 2 0 。6 0 年代原苏联学者对振动流化床有过报道，此后东欧、加拿大等国的研究者也做了 大量的探索。 m o o n 等f 2 1 】采用数值方法研究了三维振动流化床中粘性颗粒的动力学行为。 研究发现，当气速增大时，振动产生的压力波动更有意义。这说明，瞬时振动产 生的巨大张力有助于降低粘性颗粒形成的聚团。 国内有关振动流化床的理论研究开始于1 9 8 6 年在上海召开的全国第二次干 燥技术交流会。吴东民等【2 2 】以高粱、活性炭为实验物料着重讨论了振动参数的作 用以及物料的运动状况，并进行了数学模拟。 董丽萍【2 3 在三相流化床中引入振动，对三相流化床的流体力学和脱除烟气中 s 0 2 的传质特性进行模拟研究。 工业应用方面，铁岭精工( 集团) 股份有限公司率先于1 9 8 3 年建立我国第一 套试验的小型工业装置。几所高等院校及科研单位，如天津轻工业学院、上海化 工研究院、中国农业大学等也分别安装了形式各异的实验装置。由于振动流化床 在我国的开发时间较短，v f b 高质量的流化状态的形成和床内流动机理等方面的 研究还比较薄弱，由于引入了振动，增加了设备的复杂性，所以机械问题也是影 9 气周流化床流动特性的实验研究与数值模拟 响振动流化床大型工业化的原因之一。因此，需要对振动流化床进行更深入的机 理研究，建立数学模型，寻找合适的操作条件，指导工业化生产。 ( 3 ) 声场流化床 声场流态化是将声波从顶部或底部传入流化床中，达到改善颗粒流化特性的 效果。早在二十世纪五十年代，m o r s e 发现声波可以有效改善粘性颗粒的流化质 量。直到九十年代随着超细颗粒流态化技术的发展，声场流化床又受到人们的关 注。 c h i o r o n e e 2 4 】研究发现低频强声场可以显著降低聚团尺寸和起始流化速度，使 超细粉表现出a 类颗粒的流化行为，颗粒夹带也大大减少，从而显著的改善了超 细粉粒流化质量。 l e v y 等【2 5 】对粒径4 0 弘m 的超细颗粒在声场作用下的浅层床进行了考察。在床 层自然振动频率下，高强度声波使得最小流化速度和最小鼓泡速度减小。声压级 的升高使床层膨胀率减小，鼓泡频率增大。 c h a o 等f 2 6 】对纳米级硅颗粒形成的1 0 0 - - 4 0 0 胂聚团进行了声场流态化研究。研 究发现在低频声波辅助下，纳米聚团流化状态平稳，沟流和节涌现象迅速消失， 床层均匀膨胀，最小流化速度降低。 h e r r e r a 等【2 7 】对粒径范围l l 8 0 脚的颗粒在声场流化床中的鼓泡特性进行了 研究。研究表明，高声强可以降低粉末间的粘性力，使之成为均匀的鼓泡流态化； 最小鼓泡速度受声压级、颗粒密度和颗粒尺寸的影响。 g u o 等t 2 8 】研究了声场流化床内，三种s i 0 2 颗粒的流化行为。研究证明，聚团 尺寸随声压级的增大而减小。固定声压级条件下，存在一临界频率( 尼) ，噪声 频率低于疋时，聚团尺寸随声波频率的增大而减低：噪声频率大于尼时，聚团尺寸 随频率的增大而增大。 h e r r e r a 等【2 9 】研究了声场驻波在流化床中的特性。根据驻波理论，假设床体为 一维模型，床中声速为常数，建立声压级数据模型，确定声学对流化床起控制作 用的参数，最终确定影响程度的大小。 目前声场流态化局限于声波频率和声压级二者对流化状况的影响，关于声波 的波形、传递距离、通过床层后能量衰减情况、能量作用方式、破碎气泡的机理 等方面的研究较少。研究的颗粒局限于c 类颗粒，对a 类颗粒研究鲜有公开文献报 、j l 】亘。 对流化床中加入外场的研究，由于加入外场模型、颗粒受力等因素的复杂性， 目前仅局限于研究单一外场，结合两种外场的研究较少。 l e u 等f 3 0 】研究了振动流化床中b 类颗粒在声场中的动力学行为，主要研究了声 场对最小流化速度和压降波动的影响。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 张健【”】对声磁复合场中超细颗粒聚团体做了能量分析，建立了超细颗粒聚团 体相互碰撞时的能量平衡模型，通过模型解析值与实验值的对比验证了模型的可 靠性。 与其它方法相比，声场流化的主要优点为：声波能更有效地降低流化床中超 细颗粒聚团的尺寸，使之在很低的操作气速下实现稳定流态化，显著地改善超细 粉体的流化质量；声能还具有不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床 而不需要内部构件；避免分离磁性颗粒与流化颗粒的复杂过程等。利用外力场来 改善超细颗粒的流化性能，是通过利用外加的能量来克服或削弱颗粒间力，从而 达到改善超细颗粒流化质量的目的，所以需要深入研究流化颗粒在外力场作用下 的流化机理，聚团或气泡在外力场作用下生长与破碎机制，找出符合实际的规律 和模型，可以正确预测颗粒流动行为。 1 1 5 流化床分布板概述 1 1 5 1 气体分布板分类 气体分布板的主要作用是将流化气体均匀地分布在整个床层截面上，一般位 于床层底部。在许多情况下，气体分布器还起到支撑流化颗粒的作用。气体分布 板型式多种多样，如直流式分布板，侧流式分布板，填充式分布板，密孔板，短 管式分布板，各分布板的特点如下： ( 1 ) 直流式分布板：结构简单，易于制造，但气流方向正对床层，易使床层 形成沟流，小孔易于堵塞。 ( 2 ) 侧流式分布板：应用广泛，效果好，有较多优点。 ( 3 ) 填充式分布板：容易烧结，长期使用填充层带有松动，造成移位，目前很 少采用。 ( 4 ) 密孔板：用在小型装置中，由于分布板易堵塞，且密孔板一旦堵塞，便 无法清除，加之造价昂贵，一般大型装置不用密孔板。 ( 5 ) 短管式分布板： 国外采用的一种形式。 分布板又分为单孔板，多孔板和密孔板。 单孔板，不良，质量密度起伏很大并有沟流和腾涌。 多孔板，较好，沟流和腾涌较少。 密孔板，较好，质量密度起伏较小，较少沟流和腾涌。但在工业设备中要考 虑这种高压降分布板所消耗的动力，从经济上比较，一般认为分布板的高度只限 于一定的高度，若超过某一高度，这种作用就消失了。 气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟 1 1 5 2 分布板研究概况 分布板是流化床反应器的基本构件，分布板附近区域对于流体动力学行为、 化学反应、热量传递和质量传递有重要作用，是流化床反应器设计和放大的重要 影响因素之一。以往研究者已对分布板结构作了大量的研究工作，对理论研究和 工业生产都有重要的指导意义。许多研究者指出气体分布板附近区域对于化学反 应与热、质传递有着重要作用。 c o o k e 等【3 2 】曾在直径为1 2m 的在线中试装置中，进行了煤干馏实验，结果表 明，约有5 0 9 0 的转化率是在分