（化学工程专业论文）多管循环流化床流动特性和压降的研究.pdf

中文摘要 为促进循环流化床蒸发器的工业化应用，本文采用一套冷模透明多管循环流 化床装置，对床内的流动特性和压降进行了可视化研究和定量分析。考察了空气 加入量、固体颗粒的种类及加入量等参数对于循环流化床内部固体颗粒的运动、 分布情况以及管路压降和主体循环流速的影响。结果表明：随着系统循环流速的 提高，管束中颗粒固含率随之提高；管束中压降随着循环流速的提高而加大；随 着固体颗粒加入量的增加，管束中压降略有增大，并且密度小的固体颗粒增幅较 密度大的颗粒增幅较小。采用量纲分析的方法，分别建立了上行床、下行床和水 平床中的液一固两相流无量纲压降模型，其复相关系数分别为0 7 6 8 、o 8 4 3 和 0 7 0 1 ；平均绝对偏差分别为6 2 、6 5 和3 1 。该模型的建立为自然循环流化 床循环速度的计算和颗粒参数的确定奠定了基础。 关键词：多相流；多管循环流化床；固体颗粒分布；压降：循环流速 a b s t r a c t i no r d e rt op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e de v a p o r a t o ri n i n d u s t r y , as e t o fm u l t i - p h a s ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dw h i c hi sm u l t i t u b u l a r , t r a n s p a r e n ta n du n h e a t e dw a su s e dt ov i s u a l l yr e s e a r c ha n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h e f l o wp r o p e r t i e sa n dp r e s s u r ed r o pi nb e d t h ee f f e c t so fg a sf l u x ，k i n d so fs o l i d p a r t i c l e sa n da d d e ds o l i dp a r t i c l ea m o u n tw e r ei n v e s t i g a t e do nt h ef l u i d i z a t i o na n d d i s t r i b u t i o no fs o l i dp a r t i c l e s ，c i r c u l a t i n gv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed r o pi nt u b e si nb e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：t h eh o l d u po fs o li dp a r t i c l ea n dp r e s s u r ed r o pi nt u b e b u n d l ei n c r e a s e sa st h ec i r c u l a t i n gv e l o c i t yi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fa d d e ds o l i d p a r t i c l ea m o u n t ，t h ep r e s s u r ed r o pi nt u b eb u n d l e si n c r e a s e ss l i g h t l y ，a n dt h ee x t e n to f i n c r e a s ef o rt h el o wd e n s i t ys o l i dp a r t i c l ei sm o r et h a nt h eh i g hd e n s i t ys o l i d s b yt h e d i m e n s i o na n a l y z i n g ，t h ed i m e n s i o n l e s sp r e s s u r e d r o pm o d e l s o fl i q u i d s o l i d t w o - p h a s ef l o ww e r er e s p e c t i v e l yr e g r e s s e df o rt h er i s e r , d o w n e ra n dh o r i z o n t a lb e d t h ec o m p r e h e n s i v er e l a t e dc o e f f i c i e n to ft h em o d e l si s0 7 6 8 ，o 8 4 3a n do 7 01 ，a n d m e a na b s o l u t ed e v i a t i o ni s6 2 、6 5 a n d3 1 t h ep r e s s u r ed r o pm o d e l sr e g r e s s e d a r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ec a l c u l a t i o no fc i r c u l a t i n gv e l o c i t ya n dc h o o s eo fs o l i d p a r t i c l ep a r a m e t e r si nn a t u r a ll yc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e de v a p o r a t o r k e yw o r d s ：m u l t i - p h a s ef l o w ；m u l t i t u b u l a rc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ；d i s t r i b u t i o no f s o l i dp a r t i c l e ；p r e s s u r ed r o p ；c i r c u l a t i n gv e l o c i t y 第四章结论与建议 符号说明 英文字母 重力加速度， 颗粒当量直径， 液体循环速度， 管路长度， 管路当量直径， 管路直径， 压降， 流速， 雷诺准数， 欧拉准数， 下标 e x p 实验值 c a l 计算值 ， 液体 s 固体 希腊字母 颗粒密度， k g m 3 ； 液体黏度，p a s 液体密度， k g m 3 ： 固含率，无量纲 管壁粗糙度，m 平均偏差 平均绝对偏差 最大偏差 运动黏度， m 2 s 阻力系数，无量纲 风 p l i o 占 万一hy 2 p p a 瓜 ，s 朔朔 耐m眺m m m h 眺朔朔，无无 p e ，r ，0 ，名g露”，以d印u胎眈 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，也不包含为获得墨叠盘堂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：耋兰爱汤签字日期：矽哆年2 月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨望盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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) 学位论文作者龋焦受为 导师签名：学矽彩 签字同期：加痧夕年2 月7 日签字日期：z 秽年二月吁日 日舌 刖吾 换热是工业生产中重要的单元操作，广泛应用于能源，动力，化工，机械 加工等工业部门。换热设备壁面结垢现象非常普遍，9 0 以上的换热设备都存 在着不同程度的结垢问题。垢层增加传热阻力，降低换热效率，增加能耗，加 大设备投资和运行费用，结垢严重时甚至可能使生产难以连续运行。纵观当今 工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的。因而蒸发设备的防、除垢和强化 传热问题是工业生产中一个非常重要的课题，一直被学术界广泛关注。 自上世纪六十年代，研究者开始将流态化技术引入换热过程，研发出了多 相流防、除垢和强化传热技术。该技术可以有效地解决流化床换热设备的结垢 问题，促进传热，达到节能、增产、降耗，减少环境污染的问题，其在化工、 轻工、石化等行业有着广阔的应用前景。 ， 该技术经过多年的研究，在基础理论和工业化应用方面都已经取得了一定 的成果，积累了一定的经验。但是由于技术本身的复杂性使其在工业化过程中 还有许多可待研究和完善之处，例如在多管循环流化床中相的流动和分布状况， 压降和自然循环操作时循环速度的计算、颗粒种类的选择和颗粒合理用量等， 为了进行上述研究，在本文中，将建立一套冷模的透明多管循环流化床装置， 对该装置进行自然循环操作方式下的可视化研究。利用装置可视化的优点，对 操作条件变化时装置内各处固体颗粒的流动和分布情况有一个直观的了解。同 时通过利用c c d 图像采集与处理系统得到流化床内颗粒分布和速度的相关数 据。在此基础上，建立流化床的压降与操作参数的定量关系式，为以后自然循 环流化床中循环速度以及颗粒种类的选择和使用量的计算打下基础。这将会对 多相循环流化床防、除垢和强化传热技术在工业上的推广应用提供帮助。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 换热设备防、除垢技术及其研究进展 随着全球经济的快速发展，人们现在终于清楚地认识到能源问题已经是制 约一个国家发展的极其重要的因素，人们担心能源危机会出现在不久的将来。 尤其我国作为一个人口大国，经过改革开放三十年的快速发展，人们生活水平 大幅提高，对能源的需求与日俱增，要实现可持续发展，如何提高能源利用效 率，减少能源消耗已成为我国政府乃至世界各国共同面临的重大研究课题。我 国已将节能减排作为贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措。 传热是工业领域广泛使用的一种通用技术，在化工、轻工、制药、食品、 能源、动力等行业生产过程中起到关键作用。工业生产中所用的换热设备，消 耗大量能源，因此换热设备传热性能的优劣，严重影响能源的利用效率，而影 响换热设备性能及寿命的关键问题之一就是污垢的存在，尤其是换热器、蒸发 器、再沸器的侧壁面结垢是长期存在的严重问题。垢层不仅大大地削弱了传热， 增加了能耗，影响产量和质量，甚至使生产难以连续运行，降低设备的使用寿 命。例如：在氯化钠、氯化钙、氢氧化钠等盐、碱溶液的蒸发操作以及制糖、 食品、造纸、海水淡化、废水处理等生产过程中，蒸发器结垢现象十分普遍， 有的还非常严重，运行8 小时就需停车清洗，不仅影响产品的产量，增加了生 产成本，还由于清垢排污造成环境污染。中药提取液的蒸发浓缩是中药制剂生 产的关键环节，在中药提取液蒸发浓缩过程中，蒸发浓缩器的传热壁面结垢( 挂 壁) 是长期未能解决的难题，壁面结垢不仅增加能耗、物耗，而且还严重影响 中药生产的产量和质量，不利于中药现代化生产。在精馏操作中，由于再沸器 传热壁面结垢，传热效率大幅下降，例如铜的导热系数为3 9 3 w ( m ) ，钢为 4 6 5 w ( m ) ，而积垢的平均导热系数为0 9 3 w ( m ) ，相差几十倍甚至几百 倍【l 】。当热通量较高时，可能会产生局部热点，破坏整个设备，使生产难以连 续运行1 2 j 。另外，结垢对换热设备的选材和操作运行也有很大影响，将会增加 了设备投资和运行费用。目前，设备的结垢问题已成为相关产业进一步发展的 主要技术障碍，如何提高传热效率，降低能耗，是各国企业界和学术界广泛关 注的问题。 针对结垢问题，研究者进行了大量深入的研究，提出了许多防、除垢的方 法。研究的基本思路是：防止结垢物质的形成；防止结垢物质之间的粘结及其 在传热表面上的沉积；从传热表面上除去沉积物。例如已经在地热水的换热装 置中采用流化床换热器，利用流化颗粒清除沉积在换热管上的污垢；在换热装 置中使用螺旋管道来防止壁面结垢；管壳式换热器由于管侧易于清洗，常使易 第一章文献综述 结垢物料走管内。采用表面处理技术如用硝酸钝化不锈钢1 3j 或对不锈钢换热表 面进行电抛光处理，或用防腐剂保护低碳钢；利用塑料、搪瓷等材料作为表面 涂层材料也可减轻换热设备的污垢【4 刮。 在生产运行期间，为了抑制污垢的产生通常采取向物料中掺入防垢剂、控 制溶液p h 值、磁化处理、添加晶种等【7 8 】方法，但要注意抗垢剂对产品的污染 问题。对有结晶析出的换热设备来讲，由于污垢组分的溶解能力随p h 值的减 小而增加，所以控制溶液的p h 值也是控制污垢的有效方法之一。 对于蒸发器的析晶污垢还可以通过改变蒸发器的形式或操作来抑制结垢， 如采用增加换热面上的液位高度，提高液体静压强来抑制流体在换热管中沸腾 的措施【9 1 ，或采用反循环蒸发器1 1 0 】，或采用l 型蒸发器【l l 】，但这些形式的蒸发 器，由于溶液在加热管内不沸腾，往往会降低传热系数。 此外，温度和流速等运行参数对结垢有很大影响i l2 | 。当逆溶解性盐被加热 或正溶解性盐被冷却时传热壁面就可能因结晶析出而结垢。化学反应型污垢的 结垢速率主要取决于温度，因此可在满足工艺要求的条件下，通过降低换热壁 面的温度来减少污垢的产生。高流速有助于减少任何形式的污垢。在操作条件 允许的情况下，可通过提高流体在换热管中的流速来增大湍动程度和壁面剪切 力，从而减轻污垢形成速率。但高流速会使能耗较大，应综合考虑。 由于结垢现象发生在传热壁面附近，因此换热设备的防垢技术都与强化边 界层传热相结合，同时提高换热壁面的抗垢和传热性能。目前，诸如表面多孔 管、轧槽管( 包括螺旋槽管、横纹管、异型螺旋槽管) 、管内弹簧插入物等技术 已在生产实际中得到应用。瑞士克莱伯思公司在制盐过程中采用盐卤与加热蒸 汽直接接触换热，以达到减缓蒸发器结垢的目的引。 虽然在换热设备的设计阶段及运行过程中已经采取了防垢措施，但在运行 一段时间后，换热装置的换热壁面还有可能结垢。一旦结垢发生，就会使换热 设备传热效率降低，流动阻力增大，甚至发生故障或堵塞，当垢层累积到一定 厚度，就需要进行除垢，使设备恢复正常运行。 普通的除垢技术包括化学除垢【1 4 】和机械除垢 1 5 , 1 6 1 。化学除垢技术是针对不 同类型污垢和壁面材料，选择适用的化学除垢剂来清除污垢。这种除垢方法只 有在设备停止运行时才能进行，而且对设备会造成腐蚀。机械除垢技术是用机 械方法除去垢层，必须将设备拆开，所以清洗时间可能较长，费用也较高。 由于上述方法都要在换热设备停车时进行，使实际生产时间缩短，影响产 品产量和成本，人工作业劳动强度大且效果不佳，机械刮擦还容易损伤传热面。 此外在蒸发器内安装可作螺旋往复运动的弹簧等【l7 1 9 j 。 采用上述方法均在不同程度上对防、除垢具有一定的效果，但这些方法或 第一章文献综述 者是以高额的设备投资，或者是以降低传热效率为代价，不能从根本上达到防、 除垢的目的，在实际工业运用中有一定的局限性。随着科学技术的发展，很多 新的防、除垢的方法被提出，例如多相循环流化床防、除垢及强化传热技术， 超声波防垢技术【1 】等。本文将在前人研究的基础上，对多相循环流化床防、除 垢技术的相关问题进行进一步研究。 1 2 流化床技术介绍 固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的现象称为流态化。流化床是 使流态化发生的设备。流化床具有单位体积设备生产强度大、热稳定性高、传 热、传质速率高等优点，现已普遍应用于固体燃料的燃烧、煤的气化与焦化及 化工生产中的气固相催化反应、加热与冷却以及固体物料的输送等领域。 w i n k l e r 首次将流态化技术引入到煤的气化来制造发生炉煤气1 2 。它不但可 以利用一般煤气发生炉所不能应用的粉煤，而且大大地提高了发生炉单位横断 面积的处理量，有可能超过当时一般煤气发生炉的三倍。第二次世界大战中期， 美国在石油的催化裂化反应中采用了流态化技术，并获得了巨大的成功怛。 从4 0 年代中期开始，美国和加拿大等地出现了流态化焙烧装置，用于黄铁 矿、石灰石等物料的焙烧或煅烧，这可视为流态化燃烧技术的开始。近几十年 来，流态化技术的应用与研究更趋广泛，不仅应用于石油炼制，而且在化工、 冶金、制药、燃烧与动力、环保等领域均得到了广泛的重视和开发应用1 22 1 。 5 0 年代初期，我国便开始对流态化技术进行研究，并在流态化的工业应用 方面做了许多工作。例如：1 9 5 5 年南京化工公司采用流态化技术焙烧黄铁矿以 产生二氧化硫并制造硫酸；1 9 5 7 年在葫芦岛流态化焙烧精锌矿生产氧化锌和二 氧化硫获得成功。根据气体和固体颗粒间两相换热的研究，我国在1 9 6 7 年成功 地发展了在工业规模的流态化焙烧炉中焙烧汞矿以提取金属汞的过程。目前在 设备设计和操作技术上都取得了成功的经验。 在8 0 多年的流态化技术发展进程中，该技术从最初的气固流态化拓展到液 固流态化和汽液固流态化。研究表明，流态化能够明显提高质量和热量传递速 率，易处理大量颗粒及温度分布均匀等优点。然而，传统流化床有一个共同的 缺点：相间返混程度较大。上世纪6 0 年代，研究者研制出循环流化床，显著降 低了返混程度1 2 3 j 。 循环流化床的优点为：( 1 ) 由于流体和固体颗粒高速并行向上运动，因此 大大降低了返混程度；( 2 ) 颗粒处于循环流动状态，具有良好的流动性能，适 用于物料需要连续更新而不影响反应的过程，用于催化剂很快失活而需要及时 再生的反应过程时特别有优势；( 3 ) 可以在提升管和伴床中进行不同的化学反 4 第一章文献综述 应，便于控制和调节操作参数；( 4 ) 相间速度差的增大也使得颗粒和流体间的 传递效率增加，能够在较小的范围内完成循环。 1 3 多相循环流化床强化传热和防、除垢技术简介 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，针对换热器结垢严重这一问题，研究者开始探索将循 环流态化技术引入换热设备的防、除垢过程，并取得了较显著的效果。 多相循环流化床防除、垢技术就是在流股中加入固体颗粒，使设备中的流 体呈现出液固两相流或汽( 气) 液固三相流的状态，系统中固体颗粒保持循环 流化状态，与管中的液体相互作用，使系统在低流速下保持很高的湍流程度和 稳定的传热速率，无需停车，以达到防、除垢以及强化传热的目的。 根据换热器内的流体状态，多相流防、除垢技术可分为液固两相流和汽( 气) 液固三相流防、除垢技术，下面将分别进行简要的介绍。 1 3 1 液固两相流强化传热和防、除垢技术 上世纪9 0 年代，液固循环化床引起研究者的关注，并逐渐被应用于生化工 程，废水处理以及催化反应过程等众多的领域。在国内，梁五更 2 4 - 2 6 j 在较大直 径液固循环流化床中采用小直径玻璃球作为循环流化介质进行研究。实验结果 表明：在低表观液速下，床层下部固含率低而上部床层含率高，呈s 型分布， 当表观液速逐渐增加时，轴向固含率均匀一致。在循环流化状态下，径向固含 率分布不均，并且随着表观液速增加，径向固含率的不均匀性也有所增加。通 过利用颗粒循环速率将液固循环流化床分为散式流化区、过渡区、循环流化区、 输送区四个状态，进而采用无因次数群定量划分了液固流态化的操作区间。对 于液固流化床中的颗粒运动，则从微观流动角度进行了研究。在不同表观液速 和颗粒循环速率条件下，张欢【27 】利用超声多普勒技术对在分布板区和充分流化 区轴向速度的径向分布进行了研究，并且利用概率密度函数衡量了轴向速度的 均匀程度。许国军1 2 8 】和郝晓刚【2 9 利用动量守恒原理分别对液固流化床中的颗粒 宏观运动进行了数学描述。 在国外，z h e n gy 和z h uj x 对液固循环流化床的流动特性进行了一系列研 究，包括不同颗粒密度条件下起始流化速度1 3 0 3 1j 、传统流化床向循环流化床的 转变液速，在不同颗粒循环速率和表观液速条件下分布板区和充分流化区轴径 上固含率的微观流动特性等 3 2 1 。之后，又重新修正了固液两相流态化四区的流 型图【33 | 。结果表明：液固两相在传统流态化和稀相流化区是均匀的，仅当循环 流化区时，壁面附近的固液两相在径向上是不均匀的，但上述液固流化条件下 固含率的径向不均匀性都远小于气固循环流化床的不均匀性。在模型研究进展 方面，利用“环核”模型对液固循环流化床中的“环核”区域和“壁面”区域的固含 第一章文献综述 率进行了计算j ，并运用到反应器和放大研究过程中。近期，z h e n gy 又考察 了黏度变化对液固循环流化床中固含率的影响p 引。最终，z h uj x 对液固循环流 态化的系列研究工作进行了总结和归纳【3 6 j 。 在对液固循环流态化进行了研究报道的同时，国内外的一些研究者也对多 相循环换热系统流动特性进行了研究。液固两相流强化传热和防、除垢技术起 源于上世纪6 0 年代，研究者开始将流态化技术引入换热过程，开发了流化床换 热器，即向普通换热器中加入惰性颗粒，利用液固两相流态化技术实现防、除 垢以及强化传热的目的。在国内，烟台大学的齐世学【3 7 】等分别对内循环和外循 环的液固循环换热系统流动特性进行了初步研究。湘潭大学的刘吉普【3 8 j 等也对 以9 0 9 1 m m 沙粒为流化介质的液固内循环的换热系统的流动特性进行了实验 研究。天津大学的贾丽云【3 9 】对两相流循环换热系统进行了冷态实验研究，利用 c c d 图像采集与处理系统对液固两相循环换热系统在两种不同固液分布器下 的流动特性进行了研究，并给出了较高液速下单根管的液固两相流动模型。同 期，张金钟【4 0 】也采用相同测试方法对二维循环流化床中固含率和固体颗粒速度 分布进行了研究。 在国外，英引4 1 1 、德 1 4 2 , 4 3 1 、荷兰【删及美国的众多学者也对液固循环流 化床换热系统的传热问题进行了大量的研究。j s t k o l i b a c h 等【4 6 】分别以硫酸钙、 水、盐卤等溶液为工质，对液固流化床换热器的防、除垢性能进行了研究，并 总结了液固流化床换热器具备如下特点： 1 、液固流化床换热器在许多实际应用过程中能保持清洁的换热面，即使在 某些条件下不能完全防止污垢产生，也能控制垢层厚度，可保证设备连续稳定 操作，无需停车清洗。 2 、在低表观流速下( u 1 5 ) 的研究应用很少。 ( 3 ) p a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z er ( p d a ) 技术 三维p d a 系统即三维粒子动态分析仪，是在传统的激光多普勒技术的基础 上发展起来的新型测量系统。其基本原理是相位多普勒原理。该技术实现了固 相颗粒速度、粒径和浓度的同时测量，是一种非接触式的绝对测量技术。 ( 4 ) x r a yi m a g i n g 技术 x 射线成像技术是利用x 射线具有较强穿透能力的电磁波透射被拍摄对象， 射线被不同物质吸收的程度不同，通过检测出射线的强度可以获得被拍摄对象 内部的信息。x 射线成像技术主要用来测定流化床颗粒浓度和气泡的大小、形 状、以及单气泡的速度。 ( 5 ) p a r t i c l ei m a g i n gv e l o c i m e t r y ( p i v ) 技术 p i v ( 颗粒成像测速) 技术作为一种瞬时全场测速技术近年来得到广泛推广。 它突破了空间单点测量技术的局限性，对流场不产生干扰，可在同一时刻记录 下整个测量平面的有关信息，非常适用于研究涡流和湍流等复杂流动。其示意 图如图1 7 所示。 该方法目前只能应用在浓度较低的气固两相流动中。 图1 7p i v 系统示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fp i vs y s t e m 1 6 第一章文献综述 ( 6 ) c c d ( 高速摄像) 技术 本实验中将采用c c d 技术，故将在后面作单独介绍。 ( 7 ) 其他测试技术 除了上述几种测试方法之外，还有一些其他的测试方法也取得了一定的成 功，如示踪法、微型应变仪等。 采用示踪法也可以获得颗粒速度。例如以荧光颗粒作为示踪颗粒，利用光 照射使其发出可见光，用光检测器检测荧光颗粒所发出的可见光或通过录像的 方法来跟踪荧光颗粒的运动，从而获得颗粒的运动速度。 微型应变仪也可以用于颗粒速度的测量。运动的颗粒对应变仪探头产生一 定的冲击力，根据冲击力的大小可以得到颗粒的运动速度。 1 6 c c d 技术简介及其应用情况 本实验中固体颗粒特征参数的测量采用的是c c d 装置，下面对c c d 技术进 行简要的介绍。 1 6 1 c c d 技术简介 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 技术是一种重要的局部固体颗粒流速的测量技 术，它对于研究流化床内的流动行为、轴向及径向混合、传热、传质特性具有非 常重要的意义。颗粒参数的测试方法大致分为两类：一类是内置法，常用的有压 差探头和取样探针等：另一类是外置法，主要有压力法和摄影法等。对于内置法， 无论探头结构多么微小精细，或多或少都会对流场产生影响，外置法则没有这个 问题，但要求测试处是透明的。故本实验中采用c c d 法来测量流化床中的固相特 性，包括局部固相体积浓度的测量、局部固相速度的测型9 7 1 。 c c d 且p 电荷耦合器件，是一种新型的固体成像器件 9 8 , 9 9 1 。它的突出特点是以 电荷作为信号；其功能是把二维光学信号变成一维视频信号，并经监视器同步显 示出一幅人眼可见的图像。 该器件是由大量的独立的光敏元件组成的，这些光敏元件通常按矩阵排列。 当光线透过镜头照射到c c d 上时，被转换成了电荷，每个元件上的电荷量取决于 它所受的光照强度。当按下快门时，c c d 将各个元件的信息传送到模数转换器 上，模拟电信号经过模数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定的格式 压缩后存入缓存内，然后图像数据再根据不同的需要以数字信号或视频信号的方 式输出【1 洲。其系统结构如图1 4 所示【1 0 l 】。 1 6 2 c c d 技术的应用情况 第一章文献综述 软件系统 l ic c 。摄像机l 。l 觜，寺。盟i。 士 7 i 取丁m ” l 7 帧存 储器 微型并算机i 显示器 显示逻辑 图1 - 8c c d 系统的结构 f i g 1 - 8c c ds y s t e m c c d 装置于1 9 7 0 年首先在美国研制成功。因它具有灵敏感度高、分辨率高、 具有理想的“扫描”线性和数字扫描能力、体积小以及成本低廉等优点，而得到了 较为广泛的应用。为了将c c d 弓l 入到多相流化床的实验研究当中，c h e n 等开发1 1 0 2 j 了颗粒图像处理系统，运用该系统可以将由c c d 得到的图像经计算机图像处理系 统进行分析，而得到低浓度下的颗粒浓度分布。今后，随着半导体集成电路工艺 的进一步完善和发展，新材料、新型器件结构的不断出现，c c d 技术必将在工农 业生产、航空航天、通讯的各个领域发挥更大的作用。 1 7 液体流量的测赳1 0 6 】 在液固两相流或气( 汽) 液固三相流实验中，液相流量的测量是必不可少 的，但鉴于其流动的特殊性，故在流量计的选择上具有一定的限制。目前，下 面介绍一些常用的测量多相流中液体流量方法。 1 7 1 流量测量装置简介 目前的流量测量仪器中节流式、均速管式和电磁式占整个流量测量仪器的 9 0 以上，下面分类对其进行简要介绍。 ( 1 ) 节流式流量计 节流式流量计是一种使用历史悠久，试验数据较完善的测量装置。它是以 测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。最基本 的配置是由节流装置、差压信号管路和差压计组成。工业上最常用的节流装置 是已经标准化了的标准节流装置。如标准孔板、喷嘴、文丘里喷嘴和文丘里管 等。 节流式流量计适合大部分的气体及液体介质测量，但不适合黏度大、易腐 蚀、易结晶、易结垢的介质测量，而且其测量范围窄，压损大，节流装置加工 的技术难度较高，介质压力传输会产生堵塞、腐蚀、结垢。使用时工况参数变 第一章文献综述 化、锐角磨损等都会影响测量精度，使其不确定度增大。 ( 2 ) 电磁流量计 电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理研制出的一种测量导电液体体积流 量的仪表。其优点是通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞，适用 于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体，如纸浆、矿浆、泥浆和污水等。 电磁流量计适合大部分导电液体或浆液的测量，测量时正常量程最好超过 满量程一半，流速在2 , - - , 4m s 之间，使用压力必须小于流量计耐压。同时必须 注意不同温度及腐蚀性介质选用不同内衬材料和电极材料。电磁流量计不能测 量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有 较多较大气泡的液体。 ( 3 ) 均速管流量计 鉴于本实验的具体情况及要求，本实验的液体测量装置选用的是均速管流 量计，下面对其进行简要的介绍。 1 7 2 均速管流量计简介 均速管流量计的测量元件一均速管( 国外称a n n u b a r ，直译阿牛 巴) ，是基于柏努利能量守恒原理和皮托管测量原理而发展起来的， 是6 0 年代后期开发的一种新型压差流量测量元件，并开始应用于我 国的工业现场，7 0 年代中期已有3 0 余家厂家进行研制生产。 均速管的结构如图1 - 9 所示。均速管的优点是：结构上较为简单， 压力损失小，安装、拆卸方便，维护量小【1 0 7 1 。它共经历了如图1 1 0 所示的发展阶段1 0 8 】。 图1 - 9 均速管结构示意图 f i g 1 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo fa v e r a g ev e l o c i t yt u b e 图1 10 均速管流量计的发展 f i g 1 10d e v e l o p m e n to fa v e r a g ev e l o c i t yf l o wm e t e r 第一章文献综述 最初的阿牛巴流量计的检测杆断面是圆形的，发现圆形阿牛巴流量计的流 量系数利直在雷诺数胎 1 0 5 时基本不变，而在1 0 6 1 0 8 之间时，赠增大且分散， 分散度约为4 - 1 0 。进一步研究表明，上述现象是由于流体流过圆管时，分离点 位置不固定造成的。当r e 1 0 5 时，分离角为1 3 0 0 ；当m 在1 0 5 1 0 8 之间时，分离角处于7 8 0 1 3 0 0 之间不确定的 位置上。由于阿牛巴流量计计算公式中流量与髟值成正比，因而k 值士1 0 的分 散性将造成流量测量士1 0 的误差，而阿牛巴流量计k 值分散性较大的这段雷诺 数范围对应的流体流速正是大多数气体在管道中的正常流速值。 第二代宝石i 型( 菱形断面) 阿牛巴流量计突出的优点是流体分离点的位 置固定在菱形两侧的尖锐拐点上，从而解决了圆形阿牛巴流量计k 值不稳定的 问题，测量精度大大地提高了。 当流体流经阿牛巴传感器边缘时会产生漩涡，这些漩涡导致了阿牛巴流量 传感器的震动，产生脉动的噪声信号失真，从而影响测量的稳定性。第二代宝 石i i 型( 改进型菱形断面) 阿牛巴流量计解决了这个问题。 1 8 本课题研究的内容及意义 多相循环流化床防、除垢和强化传热技术可以有效地解决换热设备的结垢 问题，促进传热，达到节能、增产、降耗，减少环境污染的问题，其在化工、 轻工、石化等行业有着广阔的应用前景。但是，由于多相循环流化床技术本身 比较复杂，在应用到工业化生产中还有很多内容需要进行更深入的研究，比如 工厂使用的实际生产装置，换热设备都是多管束，这就涉及到多管循环流化床 内相的流动和分布状况的研究；另外研究自然循环操作时循环流化床压降和循 环速度计算，在该技术应用到实际工业化生产时，是十分重要的，这直接涉及 到颗粒种类的选择和合理加入量控制等等。 针对以上提出的问题，本实验研究内容如下： ( 1 ) 结合工厂实际生产装置，设计建造一套冷模透明多管循环流化床装置， 利用可视化实验装置，对循环流化床内部固体颗粒的运动和分布情况进行充分 的研究和分析。 ( 2 ) 考察空气加入量、固体颗粒的种类及加入量等参数对于循环流化床管 路压降、固含率和主体循环流速的影响。 ( 3 ) 建立压降模型，为自然循环流化床的相关计算奠定基础。 希望通过以上内容的研究，可以为多相循环流化床防除垢和强化传热技术在产业化应 用过程中提供一定帮助。 第二章实验研究部分 2 1 实验装置和流程 2 1 1 装置流程图 】 第二章实验研究部分 9 8 】电 贾黾2 e t * 每31 呷l 箱；也垄各瘴促垂绮翟5 蒜已布营 i 誊垄乇i 奉哆扣r i 蒜7 气i 奉出口l & 颗 i c b 7 | 口：吼剩擀口l 1 0 丘朔曹仉1 1 j 十算目几1 z c c d ，1 3 转千 i 癌十- 1 4 i i 藿葑十；1 & u 麓磷如1 6 , l t 、l & 阀门；1 9 - 2 8 钡i 压口 图2 1 多管循环流化床装置示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f m u l t i - t u b ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 第二章实验研究部分 2 1 2 装置流程简介 本实验研究所用装置如图2 1 所示。这是一个由有机玻璃材料加工而成的 冷模透明多管自然循环流化床装置。整个装置主要由管束、上下管箱、气液固 分离器和循环管等构成，配有空气压缩机和储气罐，装置上安装u 管压差计、 气体转子流量计和普洛巴流量计。实验开始前，由液体加入口7 加入液相流体 于装置内适当高度，然后由颗粒加入口8 向装置中加入一定量的固体颗粒。实 验开始时，启动压缩机l o 使储气罐中空气达到所需压力后，打开阀门1 8 ，向 装置内通入空气。空气经气体分布器6 进入上管箱2 上面的上升管内，造成装 置左侧上升管和右侧下降管内多相流体的密度差，使装置内形成气液固三相 流体的自然循环。气液固三相流到达分离器4 后，气相与液固两相分开。气 相由分离器顶部的气体出口7 放出，液固两相流经循环管5 ，依次进入下管箱3 、 管束l 和上管箱2 ，在装置内循环流动。 2 1 3 实验装置相关说明 整套装置由有机玻璃加工制造而成，全部透明便于进行可视化研究。装置 中的多管部分由上管箱、管束和下管箱三部分构成，采用的是“薄片模型”，即 9 根管呈“一”字形排列，平行固定于矩形的上、下管箱中。管束在管箱上的排 列方式如图2 2 所示。 1 管子；2 上( 下) 管箱 图2 2 管束分布图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t u b eb u n d l ed i s t r i b u t i o n 管长0 6 m ，内径3 4 m m ，壁厚为3 m m ，管间距为管外径的1 2 5 倍。矩形 管箱长4 6 0 m m ，宽5 0 m m 。在上、下箱上开有测压口，与u 管压差计相连。 2 2 实验工质 本实验中的工质包括气、液、固三相，其中气相工质为空气，由空气压缩 机来提供；液相工质为自来水；实验中所采用的固相工质，即所加入的固体颗 粒，其种类和相关物性如表2 1 所示。 第二章实验研究部分 表2 1 固体颗粒种类及物性 t a b l e2 一lt y p e so fs o l i dp a r t i c l ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s 颗粒种类尺寸m m 密度1 0 一k g m 。3 聚甲醛 9 3 1 5 ，舛0 ，9 5 5 1 4 陶瓷球1 9 2 0 ，9 3 0 ，们0 ，9 5 0 2 5 陶瓷球2 9 2 0 ，9 3 0 3 0 玻璃球 9 3 0 2 4 2 树脂 砣31 1 7 2 3 实验方法 l 、往装置中加入水至指定液位，从上管箱通入空气，调节空气加入量，进 行空白实验，记录各管段压降及流量的变化。 2 、向装置中加入一定量的某种固体颗粒，从上管箱通入空气，调节空气加 入量，观察、测量自然循环流化床内固体颗粒流动和分布情况的变化，并记录 各管段压降及流量的变化。 3 、改变固体颗粒加入量，重复步骤2 的实验。 4 、排出固体颗粒，然后重复步骤1 的实验，完成一种粒子实验后，开始步 骤5 。 5 、改变固体颗粒的种类，重复2 、3 的实验。 2 4 参数的测量 2 4 1 操作参数 实验中的操作参数包括： l 、空气加入量； 2 、固体颗粒的种类； 3 、固体颗粒的加入量；以固体颗粒的体积占装置中液相体积的百分率来进 行计算，固体颗粒的加入量分别为o 5 ，1 0 ，1 5 ，2 o ，3 o ，4 o ， 5 0 。 2 4 2 目标参数 实验中的目标参数包括： 1 、流化床中管束及其它部位固体颗粒的运动和分布情况； 2 、液体的循环流速； 3 、管束中固体颗粒含率； 第二章实验研究部分 4 、管束中液固两相流的压降： 5 、装置中其他管路的压降。 2 4 3 参数的测量方法 l 、空气加入量采用转子流量计来进行测量，流量计型号为l z b 4 0 量程为 4 - 4 0 m 3 h ，精度1 5 。 2 、流体循环速度采用l g z p l a 流量计和与其相连的u 管压差计进行测量， 公称压力为1 0 m p a 。 3 、各管段的压降采用u 管压差计进行测量。 4 、固体颗粒的运动、分布和含率采用c c d 图像采集和处理系统进行测量。 2 5 实验数据处理方法 2 5 1 液体循环流速 液体循环流速采用l g z p l a 流量计进行测量，水平地安装在循环管中，末 端与u 管压差计相连，测量的是液体的流量或平均流速。在正对流体流动方向 和背对流体流动方向上，各有一排测试孔。当流体流经时，在两排测试孔之间 产生压差，压差由u 管压差计测量。利用流体内部机械能转变和能量守恒的基 本原理，经计算可得到流体的流量或平均流速。 2 5 2 固体颗粒的运动和分布 自然循环流化床内固体颗粒的流动和分布情况，采用c c d 图像采集和处理 系统进行测量和分析。对在不同操作条件下，c c d 系统所摄取的流化床管束中 固体颗粒运动和分布的图像，采用数据处理软件进行处理，最终得到固体颗粒 含率。数据处理步骤如图2 3 所示。 匣堕母臣乎匣堕卜悃 一圈 至 一臣堕卜回 图2 3c c d 图像处理流程 f i g 2 3c c di m a g ep r o c e s s i n gf l o wc h a r t 利用c c d 系统测定得到固体颗粒含率，可以比较不同操作条件下管束中固 体颗粒分布的变化情况，同时也为管束中液固两相流压降模型的建立提供数据。 2 5 3 管束压降 由u 管压差计的读数，按照静力学方程计算管束的压降。 第二章实验研究部分 2 6 结果与讨论 2 6 1 实验现象的可视化分析 多相循环流化床中有自然循环和强制循环两种循环方式。与强制循环相比， 自然循环操作不仅节省了料液循环泵，有利于节能降耗；而且简化了装置流程， 减少了设备投资。但是，自然循环也有不足之处，即由于循环推动力的限制， 流体的循环速度较低，不利于颗粒的流态化和循环，增加了选择固体颗粒的难 度。同时，由于循环速度较低，自然循环时颗粒的流态化、运动和分布情况自 然也就不同于强制循环，而这些正是决定自然循环操作的多相循环流化床换热 装置防、除垢和强化传热效果的重要因素。但在实际生产中，由于设备的不可 视化，操作人员往往无法准确得知自然循环操作时装置的实际运行状况。因此， 建立一套透明多管循环流化床装置，对其内部相的流动和分布状况进行可视化 研究，是非常有必要的。通过可视化研究，将直观、深入地了解不同条件下， 自然循环流化床内部固体颗粒和气( 汽) 相的运动和分布规律，这对于选择适 合于自然循环流化床换热装置的固体颗粒，保证颗粒在管束中的均匀分布，计 算自然循环的推动力、阻力、循环速度乃至进行数值模拟都是非常有帮助的。 通过实验研究，得到了多管循环流化床装置中，固体颗粒的流动和分布特点。 本实验中分别试验了聚甲醛颗粒、陶瓷球和玻璃球以及树脂颗粒，由于这些颗 粒的尺寸和密度以及表面状况不同，因此它们在循环流化床中的流动和分布也 具有各自的特点。 2 6 1 1 底部水平管路两相流中固体颗粒的运动形态 由实验观测可知，如果加入的固体颗粒密度较大，当流体循环速度较低时， 底部水平管中的固体一部分悬浮在流体中，随流体循环；另一部分则沉积在水 平管的底部，贴着壁面向前运动。随着流体循环速度的增加，颗粒运动速度加 快，沉积在底部的颗粒量越来越少，逐渐从壁面转移到流体中。当气体加入量 达到一定程度时，循环流速足够大，会使颗粒完全悬浮起来。这是由于固体颗 粒密度大造成颗粒沉降较快的缘故。图2 4 ( a ，b ，c ) 所示为颗粒加入量为1 5 的陶瓷球随着气体加入量的增加，在底部水平管的运动情况。 第二章安骑研究部分 ( 闻a , h ，c 分别为空气加 量为5 m 3 h ，i o t a 3 h ，15 m 3 h 时陶瓷球运动情况) 图2 4 陶瓷球颗粒在下部水平臂的流动状态 f i g2 4 m o t i o no f c e r a m i cs p h e r i c a lp a r i c l e i n t h eh o r i z o n t a lp i p e 2 6i 2 下管箱中固体颗粒的流动形态 在下管箱中，在流体的作用下，呈现出两个大的旋涡，两个旋涡分别位于 下管箱的左、，f i 两侧。当颗粒的密度较小且加入量较小时，两个旋涡的大小尺 度相当，而且所含固体颗粒量比较接近并随循环流速的提高分布越均匀。随