（化工过程机械专业论文）气液固循环流化床换热器颗粒分布板的分布性能实验研究.pdf

澍j 王建犬学矮圭学毽瓷文 气液固德环流化床换热瓣颗粒分布掇的分布性能实验研究 擒要 为使气波圈循环溅化床换热器燹好地强化传热和防、滁榭，本文设计了三辨不姻型式 麴豳体颗粒分布板。采用功能强大自勺c c d 图缘采集与数撼处理系统，获得了颗粒的分布和 运动媲簿。考察了分帮摄型式及搡俸运 亍参鼗等对分布援颗粒分毒毪毙豹影嘲，并剩瘸 b a t l a b 语言窃o r i g i n 实至踅了实验数器驰哥襁诧。鹾究表冁，分毒寝兹鍪式、分衣授象安 凌菇度、滚薄弱气体流鬣、循环系拣乎蚜隧台率、颗粒粒径等对管束中颗粒静遮菠帮固含 率分布都有较大影响。当安装分布板时，随着液体流量和气体流量的增大，谢柬中阎相速 腹和固含率不均匀媵郝减小；得到了用于气液固循环流化脒撤热器中，使固体颗粒在管束 中分稚效巢较好钓多巍分布摄，嚣黠邋大分布扳豹开毳率瞧可在缀太程度主减小管慕中期 含率露不鹭驾囊i 锫蠢了分毒羧巢较爵黪分毒蕴赘安装蹇菠鲣襄较逮宣蕊搽俸运行参鼗； 最后通过建立线髓醚 超模垄，褥出了管乘中颗粒分布不蟓匀度与分布投鲍缡瓣参数及工艺 搽作运行参数之间的函数关系式，戳用予工程实践。 燕键谴：魏强浚亿臻，灏粒分毒，分布躐，不均匀疫，气波瀚 气液秘德环流诧寐换热嚣颗粒分椎掇的分布性能实验礴究 e x p 嚣料m e n t a ls t i ，d yo nd l s t 鞠哩b u t i n gp 嚣r f o r m a n c e o fp a r t i c l ed i s t r i b u t o ri ng a s - l i q u i d s o l i d c l r c u l a t l n gf l u i d l z 嚣db e d a b s t 技a c t i nt h i sp a p e r , t h r e ed i f f e r e n td i s t r i b u t o r st h a ta r eu s e dt od i s t r i b u t es o l i dp a r t i c l e sh a v e b e e n d e s i g n e di ng a s l i a u i d s o l i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r , i no r d e rt oe n h a n c eh e a t t r a n s f e 纛p r e v e n ta n dr e m o v ef o u l i n g s t h el a wa b o u td i s t r i b u t i o na n dm o v e m e n to fp a r t i c l e sh a s b e e no b t a i n e db yu s i n gt h ec c di m a g ec o l l e c t e da n da n n y z e ds y s t e mi nt h i se x p e r i m e n t t h e i n f l u e n c eo ft h ep a t t e r n so fd i s t r i b u t o r sa n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo f p a r t i c l ed i s 毂 i b u t i o nh a sb e e ns t u d i e d ，e x p e m n e n t a ld a t ah a sb e e nv i s u a l i z e db yu s i n gm 毡t l a b l a n g u a g ea n d0 6 9 i ns o f t w a r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 照o w t h a tt h ep a t t e r na n dt h ef i x e dh e i g h to f d i s t r i b u t o r , l i q u i df l u x ，g a sf l u x ，a v e r a g es o l i dh o l d u pi nc i r c u l a t i n gs y s t e ma n dt h ep a r t i c l e d i a n a e t e r sa 1 1h a v ee r i e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fp a r t i c l ed i s t r i b u t i o n w h e nt h ed i s t r i b u t o rh a s b e e nf i x e d t h ei l n e v e nd e g r e eo fs o l i dv e l o c i t ya n ds o l i dh o l d u pi nt h et u b e sd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n go fl i q u i df l u xa n dg a sf l u x t h eu n e v e n - p o r e sd i s t r i b u t o rw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c eo f p a r t i c l ed i s t r i b u t i o nh a sb e e no b t a i n e di ng a s l i q u i d m s o l i dc i r c u l a t i n gb e dh e a te x c h a n g e r t h e u n e v e nd e g r e eo f t h es o l i dh o l d u pa l s od e c r e a s e s nl a r g ed e g r e ew i t ht h ei n e r e a s i n go f p o r e sr a t e t h en l o r ef e a s i b l ef i x e dh e i g h ta n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e dt o o i nt h el a s t t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h er r t e v e nd e g r e eo fp a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o fd i s t r i b u t o ra n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sh a v eb e e ni n d u c e db ys e t t i n gu pi i n e a r i t yr e g r e s s i o n m o d e l ，w h i c hc a l lb ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，d i s t r i b u t o r , u n e v e nd e g r e e ， g a s l i q u i d s o l i d 涎匏妲：j c 肇硬士学盈谴文 英文字霉： 符号说明 曳力系数，秃闲次。 分痞板囊经，t r l r i i 。 瓣蒋骚粒妻径，脚+ 分布板衙边开张i t 镫，m i l l 。 分布板中心孔孔经，i l i i t i 。 管辖壹径，。 震力蕊速褒，影矿， 分布投抟安装商魔，撇。 下管箱高度，l l l i t i 。 嗣相速发不均匀度，光鲴次。 嚣舍零不遗訇鹰，秃嚣次。 径向距离，i t l n l 。 流化床半径，i t l l l l 。 雷诺数，无髅次。 滚俸流速，m 砖。 无囡次液体流遮，光因次。 三相床初始液体瀛化速度，m t s 。 滚鋈爨秘慧漤薅滚撬速炭，s 盎。 裙始流诧速壤，m 8 。 颗粒带出速度，m f s 。 鏊搏颗粒速发，礤8 。 斗 d 矗 哝 蟊 玲g 矗 螈 嫒 ， 艘龇 晦 。坶 哳 哳 娥 ， 气液同循环流化眯挠热器颗粒分布板的分布性能实验研究 圪 t ， k 希腊字母 气体流量，m 3 h 。 液体流量，m 3 h 。 流化床第f 根管中圃相体积，m 3 。 流化床第f 报管容积，m 3 。 固体颗粒加入质量，k g 。 三相床中在起始流态化条件下基于气液两相的气体体积分数，无因次。 循珲系统平均醐含率，无因次。 平均气含率，无阕次。 初始流化状态瓣的庶层孔隙率，无困次。 固含率，无困次。 流他床第f 根箭豹固含率，无嘲次。 流化床管柬平均固含率，无因次。 粘度，p a s 。 分布板开i l 率，无因次。 颗粒球形度，冤因次。 液体糙度，p a s 。 固体与流体之间的密度差，k g m 3 。 密度，k g m 3 。 液体密度，k g m 3 。 气体密度，k g m 3 。 嘲体颗粒密瘦，k g m 3 。 固体密度，k g r a 3 。 f t 靠 一 妒 盼 肇 p 办 乃 以 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 卜1多相流化床换热器的发展现状 多相流是一种广泛存在的混合流动形式，如石油工业中的油气、油水两相流及油气水多相流，化 学t 业中的流化床反应装置中的气固两相流、液崮两相流以及气液吲三相流等。它是流态化领域的新 兴学科，主要研究不同相态或不同组分的物质同时存在，并有明确分界面时的流体力学及其传热、传 质过程的规律。它涉及到流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等多个学科，对国是经济的发展 起着极其重要的作用。由于多相流动十分复杂，目前大量_ 丁作还只是处于实验研究阶段，理论e 还很 不成熟，许多问题还有待于进行更加深入的研究。多相流态化和液吲接触技术是化学工程及相关学科 中一个非常重要的研究领域，目前主要是研究气泡行为、相含率、相问质量传递、热量传递等方面。 气液固三相循环流化床是在传统气液两相流化床的基础上引入固体颗粒并实现固体颗粒的分离和 再循环。气液固三相流研究开始于2 0 世纪6 0 年代，由于气液固三相流化床具备相间接触面积人、相 问混合均匀、传热传质效果好和温度易于控制等优点而得到了广泛的应用，是近4 0 年来流态化领域发 展最为迅速的一个分支。通过几十年米的深入研究正逐渐广泛地运用到化工、能源、材料等领域。 特别是近l o 年来，越来越多的三相流过程及其应用出现在石油化工、生物化工、食品化丁、矿物1 程 及能源工程中。所以，对气液固三相流更深入的研究也越来越显得更为重要。纵观气液固三相流研究 进展大体上出现了三种趋势：( 1 ) 为实际应用开发新型的三相循环流化床；( 2 ) 对床内的汽泡行为 和粒子行为进行基础研究”“；( 3 ) 以计算流体力学和气液、气潮、以及气液固相问流体力学理论为基 础，依靠计算机模拟来设计优化和放大服务。 换热是一个基本的生产操作过程，是化1 二、轻工、能源、动力等行业生产过程中的关键技术之一。 在换热设备的传热表面，往往存在不同程度的结垢现象，特别是涉及蒸发工艺的加热过程如制糖、 制盐、造纸等i 业过程，垢层夫幅度地削弱传热，增加能耗，影响产量和质量，严重时甚至使设备无 法连续运行。针对这一问题研究者提出了许多解决方法。主要都是采h | 化学方法或机掀方法米防【卜 戏清除污垢，如：加入防垢剂、改变设备结构和材质、采用表面多孔管或电抛光不锈钢管做蒸发管： 在蒸发管内安装可做螺旋往复运动的弹簧等”。而目前，国内采用较多的方法则是通过改变操作条件 来降低垢层产生的速率，真空制盐即是这一方法的典型应用，它通过在加热室上方维持定的液面高 度米阻【j ：盐卤在加热管内沸腾，从而减缓垢层的产生。另外，瑞十克柴伯思公司采川盐卤与加热蒸汽 卣接接触换热，盐卤在温度升高的同时浓度减低然后进行闪蒸，以达到减缓蒸发器结垢的目的。 上述方法均在不同程度上有一定的作用，但他们或以高额的设备投资为代价，或以降低传热效率为代 价，或必须在停车的情况f 进行，严重的影响了生产效率，均不能从根本上达到防垢的口的，在t 业 气液固循环流化床换热器颗粒分布板的分布性能实验研究 实际运用中有一定的局限性。在这种情况下，许多研究者将流化床技术与换热、蒸发、沸腾过样相结 合，开发了多相流化床换热器。解决了换热器与再沸器的结垢问题。 从二十世纪八十年代初开始，多相流化床换热技术的研究主要集中在美国、瑞典、荷兰和德国等 国家。研究者利用流化床技术开发了液固流化床换热器，用来强化传热与防、除垢，取得了明显的效 果。k l a r e n 等采用粒度在l m m 4 m m 的碎钢丝玻璃或陶瓷材料加入剑换热器中，对液川两相流换热 器的结构形式进行了有益的探索。在美国，多相流化床换热器已经开始用于地热开发研究j = f f | 海水淡化 装置中”。在瑞典，也已经用于热量回收和海水淡化”1 。荷兰科学家经过k 期实验研究，建成一套总 面积为1 0 0 0 平方米的流化床换热器海水淡化示范装置”。德国将聚四氟乙烯颗粒加入到蒸发器中， 由丁| 古| 体颗粒与换热壁面的不断碰撞和颗粒对壁面的冲刷作用，可有效地除去换热壁面上沉积的垢层， 同时，颗粒运动破坏了边界层，强化了传热。 rr a u t e n b a c h 等1 和j s t ，k o l i b a c h 等“从不同角度比较了流化床换热器与普通换热器的换热性 能，发现对表观液速较低与粘度较火的液体，流化床换热器均能达到较高的换热系数，他们还分别给 出了各自的传热系数关联式。 j s t k o l i b a c h 等“及j a m m e i j e r ”还以饱和硫酸钙溶液为工质，对流化床换热器防、除垢性 能进行了考察，同时研究了固体颗粒尺寸与加入量对防、除垢性能的影响。他邪j 的研究结果均表明流 化床换热器具有良好的防、除垢性能。 台理的结构设计才会有良好的设稀性能。为此，研究者开发了多种不同结构的流化床换热器。从 其发展过程看，液固流化床换热器经历了散式流化床、单根及多根下降管的内循环流化床和外循环流 化床等几个阶段。典型的散式流化床换热器包括进口段、换热管束、出口段三部分。液体流过管束换 热，而固体颗粒在其中保持稳定的流化状态。显然，管束内均匀的液体与固体颗粒分布是实现流化床 换热器稳定操作的关键。 2 图1 1流化床换热器图1 2 具有单根下降管的内循环流化床换热器 f i g 1 1 f l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r f i g 12 s c h e m eo fi n n e rc i m u l a t i n gf l u i d i z e db e d h e a te x c h a n g e rw i t ho n ed o w nt u b e dg k 1 a r e n f 首先提出了由进l i 段、换热管束、出口段三部分组成的流化床换热器，如图1 1 所 河北工业大学硕士学位论文 示。他将进口段分为液体分布段和陶体颗粒分布段，采用多孔板作液体分布板，同时通过在换热管延 伸羧拜速魏域程遴固体鬏粒豹均匀分奄。 上| | 述结构的罐；是之处在予镘难实现灏体颗粒躲正掌键嚣。为戴，d g ，k 1 a r e d 等“”又设诗了秘单 投”f 降营的内捱拜式漉化庶按热器，如图1 ；2 掰示。在按热器蕾壤中央专门设有一挺f 黪管用 二分离 l 古l 体颗粒，从而实现了潮体颗粒在管柬中的循环。 j ，s t k o t l b a c h 秘r r a a t e n b a c h “。“1 褒传统妁管壳式按热器触基础上避行了捆瘦憋结翰政变，设 计了魏国i 3 所示的其有多嘏下降管的内循环式流化珠换热器。但齐擞学簿“”对内循环换热器的研究 发现：闾体颗粒的循环并不定通过设定的中央循环回路。虽然多根下降镑可以从定程度上解决单 穰下降瞥情况f 进出通道数强不同薪_ 超的不对称耋妻带米的操作不稳定性，毽莫没旃结秘与绦作运行 酃更为复杂，成本也较高。 因1 + 3 具有多根下降管的内循环流化康换热嚣 f i g 、 3s c h e m e o f i n n e r c i u l a t i n g f l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e r w i t h m a n , d o w n r o b e s 1 1 i q u i di n l e t ；2 , s i e v e ；3 d i s t r i b u t o r ；4 , u n d e rb e db o x ；5 u n d e rt u b ep l a t e ；& h e a te x c h a n g i n gt u b e ；7 , u p p e r t u b ep l a t e ；& u p p e rb e db o x ；9 ，1 0 。l i q u i do u t l e t ；ii r o i l i n gl i q u i ds e p a r a t o r ；12 c i r c u l a i n gt u b e 图1 4 外循环式流化床换热嚣 f i g 1 4 o u t e rc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r 气液固循环流化床换热器颗粒分布极的分布性能实验研究 d g k l a r e n 1 ”1 为了进步克服单根下降管流化床换热器操作上的不稳定，在9 0 年代又开发了 静循环流 乏徕换热器，如图1 4 所示。流体和固体颗粒在下管箍内接触、流化并均匀混合，经分布板 进入换热器管束，从上管箱流出后经旋液分离器实现固液分离，液体从旋液分离器顶部排山，吲体颗 粒则经过外循环返回f 管箱中再次循环使用。他认为外循环流化床换热器较其他结构形式具有以下3 个优点：操作流速裹，速度范隔为l 3m s ：管柬内匿体颗粒分布较均匀；易于操 乍。 叶旋t ：等”在上述研究的基础上，对液阎流态化换热设备的结构做了氆一步改进，将管程入门管 伸入下管箱的中央在下篱梢中增加一块开孔率较低的筛板，同时按一定比例将循环管均匀分布在上 升管中问，循环管进口附近的筛板局部不开孔，并装上导流元件，而鼠增大了上管箱的空问。他们运 用该技术为激惫省资江氯肥j 一剃成2 2 0 m 2 的立式氨冷凝器投入运行后对喾程流体流动融力增船不大， 不仅强化了传热，而且成功地实现了在线除垢，运行相当稳定。 总之，流化床换热器结构的发展经历r 散式流化床、内循环流化床、外循环流化床，但研究的焦 点始终是固体颗粒在管束内均匀分布闯题，这将是流化床换热器发最的关键闷题。 1 2 三相循环流化床蒸发防除垢技术 卜2 1 气液网兰相流防除垢技术 前已述及，换热是重要的单元操作，换热设备壁面结糖现象非常普遍，据s t e i n h a g e n 等对新 西兰i 1 0 0 多家企韭的3 0 0 0 台各种类型换热设备的通信调查显示，9 0 以上的换热设备都存在羞不同程 度的结垢问题，特别是在食盐、氯化钾、烧碱等盐、碱溶液的蒸发器和制糖、食品、造纸、海水淡化、 废水处理等蒸发设备以及石油、化工精馏塔中的再沸器中，由于料液中被溶解的固体物质的析出，结 垢更为严重。垢层增加流动阻力、酶 氐按热效率、罐加g 耗，加大设备投资和运行费用，结琚严重时 筷至可能使生产难以连续运行。综观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的。以天津汉沽盐 场为例，盐卤蒸发器清垢停车时间占全年生产时间的1 5 左右，一台万吨级装置每年由于清垢停车和 清洗耗能耗水等直接经济损失就达3 0 0 余万元。目前我囡育盐厂7 0 0 余家，总的经济损失非常大。目 前换熟设备鳃垢闷题己成为撬商生产效率、降低能耗的主要技术障碍，锝到各国工照界和学术界的j 泛关注。 如果换热设备上产生了污垢，目前一般是在停车状态f 采取化学方法或机械方法来清除污垢，其 缺点是不仅出子停车瑟造成减产、消耗清洗液、影嚷产晶旗量，而且必须周期性她不断漓洗，摊敖的 清洗废液严熏污染环境。因此如何有效地防、除垢已成为科学研究及二 程应用领域的一个重要研究课 题。二十世纪七、八十年代开始，研究者开始探索将多相流化床技术引入换热设备的防、除垢过剧， 取哿了显著的效果。 进入七十年代，学者们在洁内沸腾传热研究的基础上开始探索将惰性固体颗粒g l 入纯净液体豹 沸腾传热过槲，g a b o r 等将吲体颗粒加入到沸腾的水中，发现由于固体颗粒在加热表面处的存在，使 汽泡更容易分离。j o n e 证实了加热表面处翻体颗粒层形成了汽体通道，以及壁面七所产生的汽泡和形 气液固循环流化床换热器颗粒分布板的分布性能实验研究 d g ，k l a r e n m 为了进一步克服单根下降管流化床换热器操作上的不稳定，在9 0 年代又升发了 外循环流化床换热器，如剧1 4 所示。漉体和周体颗粒在下管箱内接触、流化并均匀混台，经分布扳 进入换热器管束，从上管箱流出后经旋液分离器实现固液分离，液体从旋液分离器顶部排山，州体颗 粒川经过外循环返同f 管箱中再次循环使削。他认为外循环流化床换热器较其他结构形式具有以下3 个优点：操作流速高，速度范用为l 3m s ；管束内固体颗粒分布较均匀：易于操作。 叶施f 等在上述研冗的基础上，对液固流态化换热i 殳备的结构做了迸一步改进，将管程入口管 仲八r 管箱的中央，在下管箱中增加一块扦扎率较低的筛板，l 刊时按一定比例将循环管均匀分布在上 升管中问，循环管进lj 附近的筛板局部不开孔，并装上导流元件，而h 增火r 上管箱的空间。他们运 用该技术为捌南省资江氮肥厂制成2 2 0 m2 的立式氨玲凝器，投入运行后对管程流体流动阻力增加不大， 不仅强化了传热，而且成功地实现了在线除垢，运行相当稳定。 总之，流化床换热器结构的发展绎历了散式流化床、内循环流化床、外循环流化床，但研究的焦 点始终是同体颗粒在管束内均匀分布问题，这将是流化床换热器发展的关键j 【；i j 题。 12 三相循环流化床蒸发防除垢技术 卜2 一l 气液固三相流防除垢技术 前已述及，换热是重要的单元操作，换热设备肇面结垢现象非常普遍，据s t e i n h a g e n 等”对新 西兰1 i 0 0 多家企业的2 0 0 0 台各种类型换热设备的通信调查显示，9 0 以上的换热设备都存在着不同程 度的结垢问题，特刷是在食盐、氯化钾、烧碱等盐、碱溶液的蒸发器和制糖、食品、造纸、海水淡化、 废水处理等蒸发设各以及石油、化工精馏塔中的再沸器中，由于料液中被溶解的固体物质的析出，结 垢更为严重。垢层增加流动阻力、降低抉热效率、增加能耗，加大醴备投资和运行费用，结垢严重时 甚至可能使生产难以连续运行。综观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的。以天津汉沽盐 场为例，盐卤蒸发器清垢停车时问占全年生产时问的1 5 左右一台万吨级装置每年由于清垢停车和 清洗耗能耗水等直接经济损失就达3 0 0 余万元。目前我国有盐厂7 0 0 余家，总的经济损失非常大。目 前按热设备结垢j 司题己成为提高生产效率、降低能耗的主要技术障碍得至d 各国工业界和学术界的“ 泛关注。 如果换热设备】产牛了污垢，目前一般是在停车状态下采取化学方法或机械方法米清除污垢，其 缺点是不仅由丁停车而造成减产、消耗清洗液、影响j “品质母，而且必须周期性地不断清洗，排放的 措洗废液严重污染环境。田此如何有效地防、除垢已成为科学研究及上稗应用领域的一个重要研究识 题。二卜】l _ = 纪七、八十午代开始，研究，占开始探索：悔多相流化床技术引入换热醍备的防、除垢芷剧 取得了显著的效果。 进入七十年代，学者 “在池内沸腾传热研究的基础上开始探亲将惰性同体颗粒引人纯净液体的 沸腾传热过程，f i a b o r 等将i 铆体颗粒加入剑沸腾的水中，芨现由丁固体颗粒在加热表面处的存在，位 汽泡更存易分离。 o n e 证实了加热表面处体颗粒层形成了汽体通道，啦及壁面t 所产生的汽泡_ 手| | 彤 汽泡更存易分离。_ o n e 证实了加热表面处体颗粒层形成了汽体通道，阻及世面t 所产生的汽池和臣 气液固循环流化床换热器颗粒分布极的分布性能实验研究 d g k l a r e n 1 ”1 为了进步克服单根下降管流化床换热器操作上的不稳定，在9 0 年代又开发了 静循环流 乏徕换热器，如图1 4 所示。流体和固体颗粒在下管箍内接触、流化并均匀混合，经分布板 进入换热器管束，从上管箱流出后经旋液分离器实现固液分离，液体从旋液分离器顶部排山，吲体颗 粒则经过外循环返回f 管箱中再次循环使用。他认为外循环流化床换热器较其他结构形式具有以下3 个优点：操作流速裹，速度范隔为l 3m s ：管柬内匿体颗粒分布较均匀；易于操 乍。 叶旋t ：等”在上述研究的基础上，对液阎流态化换热设备的结构做了氆一步改进，将管程入门管 伸入下管箱的中央在下篱梢中增加一块开孔率较低的筛板，同时按一定比例将循环管均匀分布在上 升管中问，循环管进口附近的筛板局部不开孔，并装上导流元件，而鼠增大了上管箱的空问。他们运 用该技术为激惫省资江氯肥j 一剃成2 2 0 m 2 的立式氨冷凝器投入运行后对喾程流体流动融力增船不大， 不仅强化了传热，而且成功地实现了在线除垢，运行相当稳定。 总之，流化床换热器结构的发展经历r 散式流化床、内循环流化床、外循环流化床，但研究的焦 点始终是固体颗粒在管束内均匀分布闯题，这将是流化床换热器发最的关键闷题。 1 2 三相循环流化床蒸发防除垢技术 卜2 1 气液网兰相流防除垢技术 前已述及，换热是重要的单元操作，换热设备壁面结糖现象非常普遍，据s t e i n h a g e n 等对新 西兰i 1 0 0 多家企韭的3 0 0 0 台各种类型换热设备的通信调查显示，9 0 以上的换热设备都存在羞不同程 度的结垢问题，特别是在食盐、氯化钾、烧碱等盐、碱溶液的蒸发器和制糖、食品、造纸、海水淡化、 废水处理等蒸发设备以及石油、化工精馏塔中的再沸器中，由于料液中被溶解的固体物质的析出，结 垢更为严重。垢层增加流动阻力、酶 氐按热效率、罐加g 耗，加大设备投资和运行费用，结琚严重时 筷至可能使生产难以连续运行。综观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的。以天津汉沽盐 场为例，盐卤蒸发器清垢停车时间占全年生产时间的1 5 左右，一台万吨级装置每年由于清垢停车和 清洗耗能耗水等直接经济损失就达3 0 0 余万元。目前我囡育盐厂7 0 0 余家，总的经济损失非常大。目 前换熟设备鳃垢闷题己成为撬商生产效率、降低能耗的主要技术障碍，锝到各国工照界和学术界的j 泛关注。 如果换热设备上产生了污垢，目前一般是在停车状态f 采取化学方法或机械方法来清除污垢，其 缺点是不仅出子停车瑟造成减产、消耗清洗液、影嚷产晶旗量，而且必须周期性她不断漓洗，摊敖的 清洗废液严熏污染环境。因此如何有效地防、除垢已成为科学研究及二 程应用领域的一个重要研究课 题。二十世纪七、八十年代开始，研究者开始探索将多相流化床技术引入换热设备的防、除垢过剧， 取哿了显著的效果。 进入七十年代，学者们在洁内沸腾传热研究的基础上开始探索将惰性固体颗粒g l 入纯净液体豹 沸腾传热过槲，g a b o r 等将吲体颗粒加入到沸腾的水中，发现由于固体颗粒在加热表面处的存在，使 汽泡更容易分离。j o n e 证实了加热表面处翻体颗粒层形成了汽体通道，以及壁面七所产生的汽泡和形 河北工业大学硼士学位论文 成的自然对流导致壁面处的颗粒层流化。其他学者的研究结果均表明，固体颗粒的存在不仅可以强化 传热而鼠还可以有效的改善沸腾传热的滞后特性。这些早期对含围体颗粒的池沸腾过程的研究，为 汽液强三相流防、除瓣技术的应用奠定了必要的理论和实验基础”“。 在工程实际中，沸腾液体不可能是纯净的，因而换熟蹙面上必然会一定程度地结垢。固体颗粒对 换热面结垢的影响成为研究的重点。刘中良”“利用饱和硫酸钙溶液为沸腾工质，考察了引入围体颗粒 ( 矗径0 s t l m m 盼玻璃珠) 后池沸腾换热表面上的结垢特性。研究结槊表明：由于传质系数增大霹t 局 部加热萄温度的升高，长期运行时反而使结拓过程加快。究其原因，可主要是在池沸腾液体中加入 同体颗粒后，吲体颗孝立的运动速度很低，与垢层之间的作用力很小不足以破坏垢屡所至。 八十年代末剐九 | 年代初，我国的一些研究者将固体粒子加入到管内汽液两相流动蒸发沸腾系统 中，并对固体粒子强纯流动沸腾铸热及防、除垢效果进行了初步研究，但其机理秘镆型与池沸腾有很 大不同，有关这方面的研究报道极少。 李修伦等”“较早地在汽液两相流动沸腾系统中加入玻璃球形成汽液固三相流沸腾传热系统，并对 其传热性能进行了研究。研究表嘴：与辑褶流动沸腾传热系数翱比，汽液围三相流动沸腾传热系数提 高约两倍，同对玻璃球的加入还存很好黝防垢效果，大大提高了沸腾传热过程的稳定性。他们认为， 玻璃球的加入增加了汽化核心，破坏了传热边界层，增强了液体的湍动程度，从而有效地强化了传热： 玻璃球频繁撞击加热鼙面，防止了垢层的产生。 李修伦和龌建平”4 ”1 采用镊粒子代替玻璃球，对上述汽液圈三翔流沸腾传热j 窭程进行了进一步的 研究，发现其强化传热效果大为提高。这主要是因为铜粒子的密度、导热系数和比热均比玻璃球高造 成的。 在上述研究瓣基础上。张幂g 斌等。7 2 ”参照快速流纯霖的基本鞭理，开发了一种耘型豹汽滚嗣三相 循环流化床蒸发设备，实现了固体颗粒的分离和再循环，满足了工业生产的实际需要。他们以饱和盐 卤为工质，采用饱和水蒸气加热，考察了加入不同固体颗粒( 玻璃球、陶瓷球、钛粒和钢球) 的情况 下，这种新型蒸发器的强化传热和防、除垢性能。 李秀伦“对上述蒸发设器驰强化传热窝防、除垢牲能做了进一步礤究，对掏体颗粒季中类的选择、 固体粒子的磨损情况以及系统的愿降等进行了研究，并提出了最优工艺参数范围。他认为：阃体颗粒 对流动沸腾传热过程的强化效果不仅与其密度、比热、导热系数等物性参数有关，还与工质对固体颗 粒豹润湿性能有关。 张少峰“仍然利用饱和卤水作为工质，在汽液固三相循环流化床蒸发设备中加入刚玉球颗粒，详 细地考察了料液循环流量、颗粒体积分率、颗粒直径、热通量等对三相循环流化床蒸发设各的防、除 垢效应及强化沸腾传热性能的影响，得m 了在蒸发器中可用于防垢的最小颗粒体积分率为1 5 ，考虑 到防、除辗与强化传热妨综台效应，所加入豹颗粒体积分率应为3 - - 8 ：在保证充分流化的翦提f ， 应选j ： j 密度较人的颗粒，同时在自然循环蒸发设备中也能够实现止常的操作。 邹克华”研究了三相循环流化床的流动沸腾传热和压降，同时以烧碱溶液为工质，探讨了加入吲 体鬏粒后蒸发沸腾装置的防、除垢性能。 h i d el o s h i ”l 在崩丁海水加热与浓缡的装置中加入阔体颗粒，研究了换热壁蕊上硫酸钙垢层的淌 除效果，当颗粒浓度约为4 0 5 0 k g m 时，垢层的最终除去比例有一渐进值。 气液固循环流化床换热器颗粒分布板的分布性能实验研究 于志家等”在两相流载气蒸发沸腾系统中引入固体颗粒，发现不仅可以照著强化传热，而且壁温 及鼙蘸液体过热发明显f 降。熊们认为， | 入圃体鞭粒后，有效地于电裁了) j 瓣热壁薤上的泡核沸腾，同 时固体颗粒的运幼对已有的垢层具有明显的冲刷作用。丁志家等”在垂直环隙内的流动沸腾过程中加 入阎体颗粒，对其传热性能进行了研究，也得到了与文献”33 相似的结论。 吴若琼等。”i 在气液n - - 相流化庶中研究了【矧体颗粒的妊界流化速度及输送速度，指出在糟月气速 f ，犬颤粒| 奄临界流化速度及输送速度均比小颗粒的大，所以实际生产中宜袋用较小的颗粒，液体介 质密度越大越容易使颗粒流化，颗粒输送量随液速增大而提商，因此液速商更有利于防、除垢。 天泮人学多相流课题组与天津汉沽盐场台作，用饱和盐卤水为工质，在l o m 2 中试蒸发实验的结果 表明，连续运转2 4 0 小时以主，在蒸发设备的擒热窒蠹无维垢现象发生，蒸发羹呈现正常的波动两无 嘲髭降低，而原有的蒸发设备运行8 小时即因结垢必须清洗，否则不能正常操作。汽液固三相流防除 垢技术已经成功用于天津汉沾赫场三万吨氯化镁的蒸发，并获得国家发明弩利”。 吴金香等l ”1 开发了一种卧式结构列管换热器，并获得国家实用新型专利。该实用新型为龄式结构 捌管换热器管内污垢的液匿循环流态亿在线清洗技术。设备的主要特点在于j 致管程，斜装隔离板的入 口宝，兼具吲体粒子分离与储集功能的出口室，适当高度的循环管与流化入口管。一般为周期性流态 化清洗，其周期由污垢积聚速度决定。该实用新型已经过8 排管巾2 5 2 5 6 0 0 0 的设备试验，表明 除箍糍力强，效果好；对审1 0 0 0 豹7 5 6 管毒2 5 2 5 6 0 0 0 豹大型设各进行了工程设计，续柒表明综 合技术经济效益较好。 一i ：2 2 多相流防除垢技术需解决的问题 “ 综台分析以上研究者对换热设备多相流防、除垢的研究，张少峰等”“认为仍须解决以下几个关键 闯题： ( 1 ) 针对不同的物料特性，适当选择固体颗粒种类。不同的固体颗粒的物性不同，其对垢层的破 坏作用和强化传热的效果也不同。因此，选择固体颗粒时，应综合考虑固体颗粒的种类、形状、密度、 导热系数等因素，颗粒甄要毒较麓的机械强度秘良好的韧挂，在流动中不被撞坏，磨损量要足够小， 以防流体流动不稳定和能耗过大，又要有良好的强化传热和防、除垢性能。选择粒子时，同时耍考虑 颗粒在特定的工况下，是否能够且容易被流化，流化的程度如何，在管内能否均匀分布：颗粒密度要 适当，对管壁的槭撞力要足够大但对壁西的磨损晕要小。 ( 2 ) 选择适当的掏体粒子燎入量，以达戮既能防、除兹又不使流动阻力利增前效果。捆入颗粒较 雾时，颗粒与管罐接触机会增多，碰撞频繁，扰动边界层能力提高，有利r 防、除垢。但颗粒加入阜 过火，可能将引起流动阻力大为增加。 ( 3 ) 多楣流防除嚣技术黪关键是要楚换热设备中数量镁多的上升换热篱中盼工况尽琏熊一致，弱 时上升管和循环管的结构和阻力要合适，才嘈熨现有效可靠的颗粒循环。囡此，要尽量使阑体粒子均 匀分布，以避免无颗粒或颗粒较少的管内发生结垢现象破坏正常运行，这就需要在物料入 = j 处设置液 馋车颗粒分布装谶。有关分布装置的i i f 究将楚一个根有价值的研究课题。 ( 4 ) 对换热系统盼运行参数值进行优化设计，找到其最佳匹配关系，特别楚液体循环谜皮鸯接影 响到同体粒f 的流化程度和强化传热及防、除垢效果。循环速度加人，将使颗粒获得的动能加火，颗 粒与颦面问的碰撞力增人，强化传热$ h 1 j 2 、除垢效果增强。但随着循环速度的增大，颗粒与液体间的 6 河北工业大学硕士学位论文 摩擦损失加大、雎降增加、能耗增太，所以存在一个适髓的液体循环速朦。 ( 5 ) 慰辫髂颓靛淤、踩瓣撬莲徽遴一步磺窕。换熬竣蒜孛懿跨、豫嚣翘题，是涉及多秘渡傣力学、 相变俦热学、化学覆应、结晶动力学甚至化学动力学、缆诗力学乃至表霹科学嚣雾学科的基磴理论知 谈戆一个投英复象静醭究漂题。羁此，慰予不溺类受熬缝蕊，霰婴对莫形戏过程及翘谗避行受加深入 的探讨，建立固体颗粒防、除垢模型，这需要改进现有实验方法，完善实验手段，以指导【槲廊朋。 ( 5 ) 鞭嚣颡裁程多援流中躲运动援穆具有 # 线魏系缝趣特烛，因藏错究挨热蹬备熬多秘流薄、除 壤建程时，这种菲线性性质臌该 超氍歼究者足够的熏视。 l 一3多裰流化臻换热器颗粒分布的研究 气滚阏兰裙镛琢滚健康换熬器是在传统捺热嚣豹基稚主；l 灭惰经气体鞫嗣捧颓鞍_ 舞实蕊溜镩颗靛 的分离和科循环，在影响其设计和放大的诸多参数中，i 矧体颗粒在床内的行为( 颗粒在床幽的径向分 舞、速凄分带、穗含枣等) 被认为燕熏要瓣参数之一，这跫曩为弱髂鬏鞍瓣行为会澎睫刘攘热器蠹携 流体力学健质、传热系数以及瓣层的形成和去豫等。因簏，三褶循环流他脒换燕器没训和运行的关键 之一辘是要搜换熬设簧中鼗爨众多的上羚营孛的工援尽w 麓一致，嚣黯土嚣管彝德联管嚣襞摇帮阻力 要合适，才能实现有效可靠的颗粒循环。要尽麓使固体粒子均匀分布，避免无颗粒喊颗粒较少的管内 蘸壤嚣影嗡正棠运露，蒇蒜要程穆麟入避憝设嚣渡薅嚣籁粒分毒装置；为藏，骚究黉拜笈了多秘不弱 结鹅豹流纯藤换热嚣相不同趔式约分布扳。 溅搏分布摄麴类型多零孛多挥，常觉的商单艨多强叛、镶迭多孔扳、驾形或碟状影琵投、凸季亍多孔 板、锥帽和泡罩型分布板，工业上般采用锥帽和泡罩型。流体分布板对流化质量的影响根犬，根据 妖强数量的不强，可将分布扳分为单魏、多戛秘密强叛。蠢关磅窿证安，荣鲻密孔援笺壤流髂与固体 颗靛之间接触良好，澍流化麟整有烈。健在工她设备中疆考虑到避种离压醛分布板所消耗的渤力，从 经济上予以比较。一般认为，分布板的安装高度只限于定值，超过蔟一安装高发，这融住用就消失 了。 在气捌流化废中，气体分布扳豹发艘已经镁党善。工业生产删的气髂分布扳韵掣式蠢缀多，主 要酌有壹滚式、侧流式和填充式分布扳、无分布板的麓流式喷嘴，另， 还有稀短管式分稚板。 ( 1 ) 瓶流式分布扳( 图1 5 1 ) 结构简单，翳予设计和制造。但也具有些缺点：气流方向正对床 蜃，易使床痿形成沟流，夺我苈予堵寨，停车辩叉易漏籽。因藏，除特臻褥况努，般不健璃壹流式 分毒扳。霸浊蠼化裂化的流他昧反应器，由于髅化剂粒子与气流婀时通过分布扳，常用赢流式凹形筛 嘏。这砖黼形筛簸辘够承受继仡帮重薜嚣 燕巍力。由予鼓淮秘淘流主饔蓑生在瀛仡寐麓中心帮分，硝 形筛板有助下抵消达种现象。( 2 ) 侧流式分布缀( 图15 2 ) 在分布板的孔中装有锥形风帽( 或锥帽) ， 气流获锥辍筑郝麓捌缝或锩襁褡褥於侧强藏出。嚣魏这弹带锥黎煞分帮馥庞型蕞广，蓉莱氇较好，冀 中侧缝式锥赠聚削尤雾，它具有f 列优点：i 劁体颗粒不会在锥帽顶部堆成歹仨床，改善了脒层的流化质 象：气露紧辩分毒扳矮鼠铡缝吹港蔼进入藤鬃，在投蟊上澎或一蔗“气垫”，使颗粒不箍箨辫在叛瑟 气液固循环流化床换热器颗粒分布板的分布性能实验研究 上，这就消除了在板面上形成死床和发生烧结现象。( 3 ) 填充式分布板( 图1 5 3 ) 是在直孔筛板或栅 板和金属丝网上间隔地铺上卵石一石英砂一卵石。此种结构简单能达到均匀布气的要求因而具有较好 的流化质量。( 4 ) 无分布板的旋流式喷嘴( 见图1 5 4 ) 常用丁流化床煤气发生器。气体通过a 个向 上倾斜1 0 0 的喷嘴喷出，一般应州于对气体产品要求不严的粗粒流化床。( 5 ) 短管式分布板，是近年来 国外采用的一种型式。在整个分布板上，均匀地设置了若干根短管，每根短管f 部有个气体流入的 4 , ：f l 。短管及其下部的小孔起着整流的作用，即防【r 气体涡流以达到均匀布气，并使流化床操作稳定。 短管不应过短，否则起不到应有的整流作用。小孔尺、。和开孔率的大小在于保证足够的气速，以防j r 催化剂漏到分布板下面去。 fl ( a 吣趣咖口田 f ( b ) 1 5 1 直流式分布板 ( a ) 直孔筛板( b ) 凹形筛板 1 5 3 填充式分布板 壹魁迪吏 f i ( b ) 1 5 2 侧流式分布板 ( a ) 侧缝式锥帽分布板( b ) 侧孔式锥帽分布板 圈1 5 气体分布板 f i g 1 5 g a sd i s t r i b u t o r s 1 s 4 旋流式喷嘴 1 0 朋跚 一 西，一 丁出i土 一 婚l r0m尸l 河北工业大学硕士学位论文 图1 6 不均匀布风流化床气体分布板 f i g 1 6 u n e v e ng a sd i s t r i b u t o ri nf l u i d i z e db e d 赵明举等”1 还设计了应用于内循环流化床的不均匀布风分布板，如陶1 6 所示。这种分布板有两 个不同哥孔率的区域，中部为低开孔率区，运行时璺移动床状态；周蹦为高开孔事区，运行时呈流态 化状态，两种状态共同作用，实现物料在床内的内部循环。 这些气体分布板运用于气固流化床中，起到支承固体颗粒以及均匀布气以刨遗个良好的起始流 纯条件并将就稳定保持卜去的效采。在工业中得到广泛的陂屠。 但是迄今为止，在液固漉化藤换热器中颗粒分布板的设计研究还很不完善。在国外研究者的研究 中，都设计出了颗粒循环和分布装置。但由于该项技术的保密性，有关颗粒循环和分布装置的详细设 计还未见有文献报道，其在闰外所应用的工业领域也不宽。 d g ，k l a r e n ”。”首先采用多孔叛作为液体和颗粒分枣扳，随嚣义设计了一秘固体颗粒分布扳，使 固体颗粒和流体在换热器管箱中接触、流化并均匀混台，经分布板后进入换热器管束，但没有分布板 的具体结构和分布性能的实验数据发表，只是说明在加入嘲体颗粒分布板后，固体颗粒的防、除垢能 力和强化传热有明显提高”o 。 为解决气液围流化床反应器中的气波分布不均匀的问题，国外d o n g h y u nl e e 等“在一个直径为 1 2 7 m m 的三相循环流化脒中，对其内部的气液分布装簧进于予了初步的研究，如图1 7 所示。考察了分 布板局部开孔率和分布板f 气液预混合程度对褶含率和全床气液分布不均匀度的影响。实验以直径 3 。3 m m 的聚合体颗粒和3 7 , r l m 豹玻璃珠( 密度分鬟为