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四j i i 大学硕士学位论文 气固提升管充分发展段的颗粒浓度与预测 专业化工过程机械 研究生余江涛指导教师黄卫星教授 气固提升管中颗粒的流动行为和浓度分布对气固两相流过程模拟、两相之 间及其与设备壁面的传热传质研究、以及上行气固两相流设备的研究与设计都 有重要的学术意义和工程价值。本文以系统的操作条件范围内获得的气固提升 管内轴向压力梯度和局部颗粒浓度的大量实验测试数据为基础，结合现有文献 研究成果，对气固提升管充分发展段的颗粒浓度分布及相关问题进行了研究。 通过对提升管截面平均颗粒浓度分布及操作条件的分析，确定了充分发展 段颗粒浓度随操作条件变化的定量规律，由此并结合对现有关联式及其操作条 件的综合分析，提出了新的充分发展段平均颗粒浓度预测关联式，其预测值与 实验结果吻合良好；根据表观气速的不同，该式可将现有文献关联式的预测结 果统一起来，阐明了其预测结果之间出现较大差异的原因；为建立更为完善的 上行气固两相流预测模型提供了具有重要参考价值的成果。 分析循环流化床实验装置操作条件，指出了影响装置极限操作条件的四个 主要因素；从能量平衡和压力平衡观点，阐明了影响极限操作条件曲线的内在 原因：表观气速较低时，极限颗粒循环量主要由气体能量与颗粒相流动所需能 耗的平衡关系所确定，表观气速较高时，极限颗粒循环量主要取决于伴床中流 化颗粒的静压与提升管底部气相压力的平衡关系；同时还提出了充分发展操作 区域的边界方程；对循环流化床装置的工艺设计和实际操作具有重要指导意义。 对比颗粒表观浓度与实测浓度，从动量传递过程原理出发，提出了气固两 相与提升管管壁摩擦压降的计算式并得到了充分发展段表观颗粒浓度的修正 式；同时，建立颗粒流体整体动量守恒及颗粒动量守恒方程并引入新的曳力系 数，得到加速段的修正浓度表达式。所得修正浓度与实际浓度吻合良好。研究 结果对采用压差法获取真实浓度、以及提升管反应器内气固两相动力学的研究 和工程实际中反应器操作过程的在线监测具有重要实用价值。 关键词：循环流化床提升管气固两相流颗粒浓度操作区域 四川大学硕士学位论文 b e h a v i o r sa n dp r e d i c t i o n so fs o l i d sh o l d u p si nf u l l y d e v e l o p e d r e g i o no fg a s - s o l i dc f br i s e r s p e c i a l t y ：c h e m i c a lp r o c e s s i n gm a c h i n e r y s t u d e n t ：y uj i a n g t a o s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gw e i x i n g t h ek n o w l e d g eo fp a r t i c l ef l o wb e h a v i o r sa n ds o l i d sh o l d u pd i s t r i b u t i o n si nc f b r i s e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ef u r t h e rs t u d i e so fh e a t m a s st r a n s f e rp r o b l e m sa n dt h e e n g i n e e r i n gd e s i g no fc f be q u i p m e n t b a s e do nt h es y s t e m a t i cm e a s u r e m e n t so f p r e s s u r eg r a d i e n t sa n dl o c a ls o l i d sh o l d u p si na1 6 mh i 【g hc f bf i s e r u n d e rt h e o p e r a t i o n c o n d i t i o n so f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y = 2 0 1 0 3 m s a n ds o l i d s c i r c u l a t i n gr a t eg - 5 4 - 2 3 0 k g ( m l s ) ，t h ea v e r a g e ds o l i d sh o l d u pd i s t r i b u t i o na n d r e l a t e dp r o b l e m sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r b ya n a l y s i so fs o l i d sh o l d u pd i s t r i b u t i o n sa n dr e l a t e do p e r a t i o nc o n d i t i o n s , t h e v a r i a t i o nr e g u l a r i t i e so fs o l i d sh o l d u pw i t ho p e r a t i o np a r a m e t e r si nf u l l yd e v e l o p e d s e c t i o nw e r ed e l i n e a t e dm o r ec l e a r l y , a n dan e wc o r r e l a t i o nw a sd e v e l o p e df o rs o l i d s h o l d u pi nf u l l yd e v e l o p e ds e c t i o no fc f br i s e r t h i sn e wc o r r e l a t i o ni si ng o o d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d , c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ts u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t y , m a k e st h ep r e d i c a t e dr e s u l t so fo t h e ra u t h o r si na c c o r d a n c e , e x p l a i n i n gt h e d i f f e r e n c e se x i s t i n ga m o n gt h e m t h es t u d i e sp o i n to u tt h a tf o u ri m p o r t a n tf a c t o r s ( t h ed r a gf o r c eb e t w e e ng a sa n d p a r t i c l e s ，t h ep a n i c l ed e n s i t y , t h er i s e rh e i g h ta n dt h es t a t i cp r e s s u r es u p p l i e db y s u s p e n s i o n si ns t o r a g et a n k ) c o n t r o lt h em a x i m u ms o f i d sc i r c u l a t i n gr a t et h a tt h e c f bu n i tc a na c h i e v ea ta g i v e rs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y t h ep a p e rf i n g e r st h a t ，f r o m t h ev i e wo fe n e r g ya n dp r e s s u r eb a l a n c e s ，a tl o wg a sv e l o c i t i e s ，t h em a x i m u ms o l i d s c i r c u l a t i n gr a t ei sd e t e r m i n e db yt h eb a l a n c eb e t w e e nt h ee n e r g yc o n t a i n e di ng a s s t r e a ma n dt h a tc o n s u m e db ys o l i d sm o v e m e n t , w m l ea th i 【g hg a sv e l o c i t yi ti s d e t e r m i n e db yt h eb a l a n c eb e t w e e nt h ep r e s s u r eo fg a ss t r e a ma tr i s e rb o t t o ma n d t h a ts u p p l i e db ys u s p e n d e ds o l i d si ns t o r a g et a n k a l s o ，a l le q u a t i o nw a sd e v e l o p e d 四川i 大学硕士学位论文 f o rt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa tw h i c ht h eg a s - s o l i df l o wr e a c h e sf u l l yd e v e l o p e di n t h ew h o l el e n g t ho fc f br i s e r t h ed e v i a t i o n sb e t w e e ns u p e r f i c i a la n dp r a c t i c a ls o l i d sh o l d u p sw e r ea n a l y z e d b a s e do nm o m e n t u mt r a n s f e rt h e o r y , a na p p r o x i m a t ef o r m u l aa b o u tt h ep r e s s u r e d r o p ，r e s u l t e df r o m t h ef r i c t i o nb e t w e e ng a s s o l i dp h a s ea n dr i s e rw a l l ，w a s e s t a b l i s h e d a n df r o mt h ep r e s s u r ed r o pf o r m u l a , a ne q u a t i o nw a sp r o p o s e dt o m o d i f yt h es u p e r f i c i a ls o l i d sh o l d u p s m e a n w h i l e ，am o d i f i c a t i o nf o rt h es u p e r f i c i a l s o l i d sh o l d u p si na c c e l e r a t i n gr e g i o nw a sp r o p o s e db ys o l v i n gt h em o m e n t u m e q u a t i o no fg a s s o l i dt w o p h a s ef l o w t h ea p p l i c a t i o no ft h i se q u a t i o ns h o w st h a tt h e m o d i f i e ds o f i d sh o l d u p sa r em u c hc l o s e rt ot h ep r a c t i c a ls o l i d sh o l d u p st h a nt h e s u p e r f i c i a lo n e s k e yw o r d s ：c f br i s e r , g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w , s o l i d sh o l d u p ，o p e r a t i o nz o n e 四j i i 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 流态化简介 流态化( f l u i d i z a t i o n ) 是指当流体( 气体或液体) 向上流经堆积在床层中 的固体颗粒层使得固体颗粒具有一般流体性质的现象。这是由于处于流化状态 的固体颗粒悬浮于运动的流体中，颗粒之间间距加大，相互脱离接触，原来作 用在颗粒之间的内摩擦现象消失或减弱，从而使得固体颗粒具有流体的特础1 l ： ( 1 ) 比较轻的大物体可以悬浮在床层表面； ( 2 ) 将容器倾斜以后，床层表面自动保持水平； ( 3 ) 在容器的底部侧面开一小孔，颗粒将自动流出； ( 4 ) 如将小孔开向另一具有同样流体流速的空容器中，混合物将象液体一 样自动流入空容器，直到两边的上界面相同，即满足连通器原理。 形成固体颗粒的流态化需要以下几个基本条件： ( 1 ) 一个合适的容器作床体，底部有一个流体的分布器； ( 2 ) 有大小适中的足够量的颗粒来形成床层； ( 3 ) 有连续供应的流体( 气体或液体) 来充当流化介质； ( 4 ) 流体的流速大于颗粒初始流化速度。 按流态化状态分类，流态化可分为散式流态化和聚式流态化；根据流化介 质不同，流态化可分为气固流态化、液固流态化和气液固三相流态化。气 固流态化则具有相对复杂的流型。随着流过颗粒群的气体流速的逐步增加，流 态化将从散式流态化开始( 大颗粒从鼓泡床开始) ，历经鼓泡( 节涌) 流态化， 湍动流态化( 以上三者统称为传统流态化) ，快速流态化，稀相气力输送( 其中 快速流态化和密相气力输送统称为循环流态化) 如图1 - 1 所剥2 1 。 从1 9 2 2 年w i n l d e r 用于粉煤气化的气固流化床开始，流态化技术首次大规 模地在现代工业上得到了应用。流态化技术作为生产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、材料、轻工、生化、机械、环保各 领域中都有重要的应用。 四川i 大学碗士学位论文 表观气速增加 图1 - 1 气固流态化流型的划分及其转变【2 】 传统气固流态化局限于较低的气速，但随着研究的深入与应用的需要，近 年来高气速流态化的研究与应用得到的较大的发展。高气速时，提升管中的气 固两相流随操作条件的不同典型地有快速流态化、密相气力输送和稀相气力输 送三种流型。各种流动状态的特征及其比较见表1 - 1 。 床层上、下段压降随气速的变化通常被用于确定不同流型间的转换，图1 - 2 所示为高速流态化中床层上段与下段单位床高压降与气速的关系。由图可见， 若气体速度低于从湍动流态化过渡到快速流态化的表观气速【k ，提升管气固 流动处于鼓泡流态化或者湍动流态化流型，此时可以观察到底部密相区和上部 稀相区的明显分界，提升管底部压降比上部压降大得多。表观气速( ，增大至流 型超过湍动流态化后，提升管下部压降a 只将快速减小，如图1 2 中a b 段曲线 所示。但是，图中c r 段曲线显示提升管上部压降a 随着气体饱和夹带量的 表1 1 1 各种流化状态的特征及比较 湍动 循环流态化 稀相气力输送 流态化 快速流态化密相气力输送 相 气体分散相连续相连续相连续相 结 构 颗粒连续相分散相 分散相( 弱) 分散相 悬浮、输送颗粒 悬浮、输送颗粒 悬浮、输送颗粒 系统压降悬浮颗粒 并克服摩擦力并克服摩擦力并克服摩擦力 四川大学硕士学位论文 合 邑 刍 ( m s ) 图l - 2 提升管上下段压降随表观气速变化【1 l 增大将会显著增大。在【，达到可饱和夹带现有颗粒的速度后，因为气体可夹带 颗粒量的增大，若没有颗粒补充，床层将会被很快被吹空，所以为了维持提升 管内的稳定流动和相对较浓的颗粒悬浮，必须将提升管顶部出口流失的颗粒通 过旋风分离器等颗粒回收系统送回底部以构成循环。当表观气速大于此速度， 颗粒受气体夹带而遍布整个提升管，如图1 2 中a f 和t f 段所示，此时a 和 只都随u 。增大而减小。但当u 。低于此速度时，减4 , u 。，而保持颗粒加入速 率恒定，由于颗粒加入速率和气体夹带速率之间不平衡，颗粒将会聚集在提升 管底部，这种现象非常类似于床层塌落。因此，可以认为a 只的局部极值点( 点 t ) 标志着从湍动流态化到快速流态化的流型转变点，其对应速度为【k 提升管处于快速流态化流型时，气固两相流动的主要特征是局部和整体结 构的不均匀性。局部流动结构的不均匀性表现为颗粒有强烈的聚集倾向，这导 致颗粒聚集体即絮状物的形成，其中颗粒为分散相，气体为连续相，同时，这 种絮状物结构与湍动或鼓泡流态化中絮状物结构完全不同。轴向流动结构的不 均匀性表现为轴向空隙率的不均匀性和颗粒加速两个方面，空隙率通常由于操 作参数、设备结构和颗粒物性的不同沿床层轴向呈上稀下浓的单调指数函数或 s 型的连续分布。通常情况，摩擦对床层压降的影响很少，床层压降主要由颗 粒悬浮的静压头和颗粒加速决定。因此，我们可以观察到提升管上部压降a 只和 提升管下部压降只的明显差异。流化床径向流动结构不均匀性表现为中心颗 粒浓度稀、提升快，边壁颗粒浓度密、向下缓慢下落，即典型环核流动结构。 四川大学硕士学位论文 在床中心，颗粒除少数以絮状物形式存在以外，主要是以单颗粒形式存在，从 而形成颗粒浓度较低的核心区；而靠近壁面附近的颗粒主要以絮状物的形式出 现，从而形成颗粒浓度较高的边壁区。颗粒速度在床中心区主要向上、边壁区 主要向下，呈明显的内循环流动，因而导致一定程度的返混现象。 对于特定的气固循环系统，快速流态化的操作区主要受颗粒循环量g 的 影响。研究发现，当流型过渡点和u 。( 从快速流态化过渡到密相气力输 送时的表观气速) 之间的差距将随g ，的减小而变小。若g ，非常小( g j | = g 。) ， 将会发生鼓泡流态化或湍动流态化到气力输送的直接流型转化，随矿。增大， 将不会出现快速流态化区，因而点( 以，g _ 。) 标志着快速流态化的起始操作条 件。 表观气速【厂，大于( ，。，提升管上、下段压降a 只和a 异之间的差距将消失， 这表示提升管上部密相区和下部浓相区两段共存的现象将不复存在，这标志着 快速流态化到密相气力输送的流型转变。密相气力输送中颗粒被完全加速，只 在提升管边壁附近形成薄的颗粒下降层或者根本没有下降层。此时颗粒静压头 仍然大于摩擦阻力产生的压降，因此系统压降仍然随( ，。的增大而减小。然而， p 随u 。变化趋势却在减弱，提升管上、下段压降a p , 和日仍然大致相等，如 图1 2 中f d 段所示。 随着表观气速进一步提高，摩擦阻力对压降的影响程度逐渐变大，最后将 在【，。超过u 0 后起决定性影响，此处压降将达到一个极小值( 图1 - 2 点d ) 。在 u 。处产生密相气力输送到稀相气力输送的流型转化。由于在稀相气力输送中 摩擦阻力压降是提升管压降的主要影响，如图1 - 2 中d b 段所示，提升管压降 将随u 。的继续增大而增大。 由上所述：快速流态化的主要特征是流动行为的局部和整体结构上的不均 匀性，要使a m 反应器处于快速流态化操作区域，除了满足条件u 。 0 和 q g 。之外，u 。必须处于在和u 。之间。其中由下式决定： p ( 一d 己l 出) l a u i k 一0 1 ( 鹋i a = ) ( a e , i a z ) ：- 1 0 u 。由下式决定： f f a ( - d kl 出) l a u 1 0 c0 1 ( 鹋i z ) ( a k i a z ) - 1 0 一4 一 四川大学硕士学位论文 要使c f b 反应器处于密相气力输送操作区域，u 。应处于u 。和u 0 之间，此 时颗粒聚集程度较高而流动结构相对均匀；对应密相气力输送和稀相气力输送 之间的过渡点气速u p r 由下式决定： f o ( - d p 出) a u ，e - 0 l ( 鹋，a z ) ，池，z ) 一1 0 针对图1 2 表示的床层上下段压降和表观气速的变化关系，不少研究者根 据文献数据建立了相应的关联式【3 3 , 3 4 1 ，以预测流动形态的过渡条件。然而，由 于实验装置的限制，以往的研究工作所提出的流型过渡关联式存在较大分散性， 也很少论及提升管高度和颗粒物性对流动形态及其过渡的影响。 1 2 循环流化床及其特点 循环流态化( c i r c u l a t i n gf l u i d i z a t i o n ) 作为一种特殊的气固流态化现象， 是气速较高并具有颗粒循环的气固向上并行流动的流态化过程，是一种高速无 气泡的气固接触技术。循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，简称c f b ) 是实 现循环流态化的装置。作为一种操作气速较高，并且有大量颗粒夹带的流化床， 它具有比传统的密相流化床( 如鼓泡床、湍动床) 更高的气一固接触效率、更 为均匀的固体颗粒分布以及极少的气一固返混，因此在化工、制药、石油、冶 金、能源、材料、生化、环保、制药等领域得到了很好的研究和广泛的应用， 同时也成为流化床研究中最活跃的领域之一 与传统低气流速度的鼓泡床和湍动床相比，循环流化床具有以下特点： ( 1 ) 由于气固之间的滑落速度高终端颗粒速度2 0 3 0 倍，因此，循环流化 床具有良好的传热、传质效率、生产能力大； ( 2 ) 床层温度分布更均匀并更易于控制，对于强放热或强吸热反应易实现 移热或供热； ( 3 ) 流化床内的颗粒群具有类似流体的性质，可以迅速地从反应器中取出 或引入，并可以在提升管和伴床之间循环，因此，可以在提升管和伴床中进行 不同的化学反应； ( 4 ) 床内气固返混程度小，方便建立轴向温度及浓度梯度，流动状况更接 近于活塞流，气固停留时间在整个床层内均可独立控制，便于对反应物的反应 四川大学硕士学位论文 时间进行控制等特点。 同时，由于大量颗粒进行循环以及颗粒的速度较高，循环流化床具有磨损 较大，颗粒回收技术要求高等问题。循环流态化属于多相流复杂系统，过程的 工程放大技术难度较大。 1 3 循环流化床的结构及其操作条件 目前工业应用的循环流化床提升管内的流型包括上述的快速流态化和密相 气力输送两种。 快速流态化的典型特征为： ( 1 ) 气体为连续相、颗粒为分散相； ( 2 ) 床层压降主要用于悬浮和输送 颗粒并使颗粒加速，床层上部的压降小 于床层底部的压降，表观颗粒浓度呈现 上稀下浓分布( 单调指数型或s 型) ； ( 3 ) 空隙率在床层径向为中心大边 壁小；颗粒速度在床层中心向上，在床 层边壁区有时会向下，表现出内循环的 特点； ( 4 ) 颗粒聚集体在稀相中逐渐变稀 直至成为离散颗粒； ( 5 ) 颗粒滑落速度大于终端颗粒速 度，当颗粒循环量一定的情况下，增大 表观气速，提升管内的压力梯度下降。 在快速流态化的条件下，继续增大 表观气速，或在一定表观气速下减少颗 图i - 3 石油催化裂化循环床反应器【1 】 粒流量，提升管中床层颗粒浓度将会不断变稀，其轴向分布逐渐达到均匀，从 而实现了快速流态化向稀相气力输送的转变。稀相气力输送的特征为： ( 1 ) 床层压降除用于输送固体颗粒外，还将克服气、固与提升管管壁之间 的摩擦： 6 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 相对快速流态化，具有相对低的固体颗粒浓度和均匀的流动结构； ( 3 ) 固体颗粒浓度沿床层径向分布较为均匀，颗粒速度则从床层中心向边 壁逐渐减小，但速度方向均向上。 在工业应用上，循环流化床根据不同的工业应用的要求，具有不同的结构。 一般来讲，循环流化床由提升管、气固分离器、贮料罐( 伴床) 、颗粒循环控制 设备等构成。图1 3 所示为典型的用于石油催化裂化的循环流化床反应器。从 提升管底部引入的高速气体带动由再生器( 伴床) 而来的催化剂颗粒并流向上 运动，当气固混合物到了提升管顶部的旋风分离器进行分离后，产品气体向上 排出，颗粒向下返回贮料罐( 伴床) 并通过颗粒循环调节阀再次进入提升管底 部，从而实现了催化剂固体颗粒在流化床中的循环。 循环流化床要实现正常的操作必须满足以下操作条件【1 l ： ( 1 ) 表观气速及颗粒循环量g i 应大于最小循环流态化条件：巩 c k ( 表示能实现循环流态化的最小表观气速) ，g i g 啦( g 5 。表示能实现循环 流态化的最小颗粒循环量) 。 ( 2 ) 对一定的颗粒循环量g l ( g 5 g s 。) ，表观气速应满足盼咕u 备( u 雠 表示颗粒起始输送速度，表示流型过渡到稀相气力输送时的气速) ；其中当 u u = u s = u v a ( u b 表示流型过渡到密相气力输送时的气速) 时，床层为快速流 态化，当u f d = u g _ u 备时，床层为密相气力输送。 ( 3 ) 适合的颗粒物性及床层结构，满足非噎塞系统条件。 1 4 循环流态化技术的发展 早在1 9 4 2 年，由s t a n d a r do i ld e v e l o p m e n tc o m p a n y ( 现为e x x o n ) 牵头在 b a t o nr o n g e 炼油厂设计出了第一台催化裂化装置 3 1 。当时，科学家发现了细颗 粒在高气速下发生聚集因而具有较高滑落速度的快速流态化现象i 钔，由于当时 条件限制，人们并没有认识到这种现象的本质，没有引起重视，第一台快速流 化床反应器也因气固分离问题，粉尘回收难以及催化剂难以实现再循环和活性 低等原因而被低速鼓泡流化床所取代。 循环流态化真正成为具有工业实用价值的新技术，是5 0 年代末起在南非运 行的费托 5 1 ( f i s c h e r - t r o p e s ) 合成反应器以及7 0 年代德国的氧化铝焙烧反应 四川大学硕士学位论文 器旧。同时，由于分子筛高活性高选择性催化剂的出现，提升管流化催化裂化 反应器6 0 年代后期起广泛应用于石油催化裂化过程，从而开始了大规模的工业 应用。2 0 世纪7 0 年代，r e h 【6 1 提出了一个循环流化床的区域图，并描述了流态 化的基本特征。1 9 7 6 年，y e r u s h a l m i 7 1 及其同事首次提出了快速流态化的概念。 1 9 8 0 年，l ia n dk w a u k 8 1 发表了关于孔隙率轴向分布的研究，明显表示了快速 流化床与其他流化状态的差异，循环流态化技术研究从而得到了日益重视，并 在8 0 年代形成了一个循环流态化基础研究的高峰期。随着人们对循环流化床不 断深入研究，在其特有优越性能基础上，为满足不同的工业应用需要，一些新 型的流化床设备( 譬如：下行床反应器1 9 。1 伽、高密度循环流化床反应器【m 1 2 1 ， 液固循环流化床【1 3 l 、气液固三相流化床【1 4 1 ) 也不断出现。 根据循环流化床的特点非常适合以下反应过程【l 】： ( 1 ) 快速或超快速化学反应； ( 2 ) 催化剂失活快且需连续再生的反应； ( 3 ) 以中间物为目的产品的反应( 如部分氧化、碳氢化合物裂解等) ； ( 4 ) 高度吸热或放热反应； ( 5 ) 原料及产品不断随时间变化的反应或物理过程； ( 6 ) 可通过颗粒循环移出或补入热量的过程； ( 7 ) 反应无需分段或逐级加入的反应( 在不同高度处可实现不同的反应 环境) ； ， ( 8 ) 气体及固体反应时间需要调节、控制的反应： ( 9 ) 要求温度分布均匀的反应； ( 1 0 ) 需要周期操作( 如分子氧化还原反应) 的反应。 迄今，循环流化床以其优越性能在很多领域得到日益广泛应用，已应用于 ( 或正在应用于) 三十多个不同的工业过程，可大致分为三类1 1 5 l ： ( 1 ) 低、中温的气固非均相催化反应。例如；如流化催化裂化( f 1 u i d c a t a l y t i cc r a c k i n g ) 、费托合成、丁烯氧化脱氢制丁二烯、流化催化热解等； ( 2 ) 高温气固非催化反应过程。例如：氧化铝的焙烧、煤的燃烧等： ( 3 ) 干燥等物理过程。例如：干燥粘性、或易于结块的物料；用a 1 2 0 3 为 吸收剂，净化氧化铝产生的废气h f 采用c a ( o h ) e 为吸收剂净化煤锅炉废气中的s 0 2 四川大学硕士学位论文 等。 目前已工业化或正处于开发阶段的采用循环流化床反应器的过程参见表 1 2 。 表1 2 应用循环流化床反应器的主要工艺流程 1 5 气固提升管中固体颗粒浓度的研究 1 9 7 6 年，y e m s h i l m f l 6 幌出了快速流态化的概念，指出快速流态化应作为 一种区别于湍动流态化和气力输送的新流型【1 7 】。当时，由于各种因素的限制对 于快速流态化进行明确定义还有一定的困难，尽管如此，但他使人们初步认识 到了快速流态化以及与其他流化状态的不同。 循环流化床在上个世纪8 0 年代才引起人们的广泛关注和强烈兴趣并取得 了显著成果。1 9 8 5 年在加拿大召开了首届国际循环流化床会议，截至2 0 0 2 年， 该会议已经举行了8 届。在过去的2 0 多年，全世界的科技工作者在循环流化床 气固两相规律( 诸如颗粒聚集行为、颗粒浓度分布、颗粒速度分布、气体速度 分布、颗粒通量分布以及颗粒动量分布等) 等方面取得了很大的进展。循环流 四川大学硕士学位论文 化床反应器也在现代基础工业领域( 如石油化工、煤炭、冶金、能源) 等领域 得到了广泛的应用，而且成为材料、生物工程等新兴行业的重要操作单元，这 些都促使循环流态化技术的研究不断向前推进。 大量的研究表明，循环流化床颗粒浓度的分布特点与操作气速、颗粒循环 速率、颗粒物性以及床层直径等因素有判1 8 l 。因此研究提升管中压力梯度及其 颗粒浓度的分布规律对于气固两相之间的混合、热量和质量的传递规律、建立 相应的数学模型，设计和优化循环流化床反应器都有重要的学术和工程价值。 从工程设计的应用角度，最具有实际意义的是截面平均颗粒浓度瓦沿轴向 的分布。但由于提升管中颗粒流动行为影响因素较多，包括装置几何结构、颗 粒物性( 密度、形状、粒度及其分布) 、操作条件( 表观气速、颗粒循环量) 、 辅助系统( 储料罐大小、辅助流化系统) 等，所以即使是截面平均颗粒浓云度 沿轴向的分布，目前也难以可靠地预测。 从目前所有的实验测试的结果来看，提升管中颗粒浓度轴向分布基本可分 为两段，提升管下部的颗粒加速段和上部的充分发展段：颗粒加速段流动行为 极其复杂，要掌握加速段的颗粒行为和颗粒浓度分布预测，关键是要掌握气体 与颗粒群之间的相互作用机制，建立气体与颗粒群之问的曳力系数模型，但这 方面目前进展甚微，加速段颗粒浓度的预测模型几乎还是空白。 相对而言，充分发展段颗粒行为的复杂程度不如加速段，因此，目前围绕 颗粒浓度预测开展的研究工作主要集中在提升管充分发展段。为此，不少研究 者提出了提升管上部稀相段或充分发展段平均颗粒浓度的关联式。譬如，k u n i i 和l e v e n s p i e l ! ”l 认为稀相段颗粒浓度瓦等于终端颗粒浓度s ：，但这只适应于颗 粒充分分散、浓度极低的情况；o u y a n g 和p o t t e r f 2 0 1 在分析了大量文献报道的实 验数据后认为，瓦应当增大为s ：的2 6 倍，因为充分发展段内仍有颗粒聚集现 象，颗粒群的气固滑落速度显著高于单颗粒终端速度。由于缺乏专门针对该问 题进行的系统实验测试，所以目前报道的关联式所采用的数据来源分散，许多 数据取自于只有几米高的提升管实验装置，颗粒浓度沿床高并没有达到充分发 展，因而不能全面描述充分发展段颗粒浓度与相关因素间的定量关系，其预测 结果相互之间存在较大差异。 同时，鉴于上行气固两相流的颗粒浓度对气固提升反应器、干燥器等设备 传质传热计算及其设计的重要性，人们还主要通过实验来测取颗粒浓度数据， 四川大学硕士学位论文 以满足工程实际需要。颗粒浓度的测试有多种方法，压差法即为其中之一，该 方法应用方便、不干涉流场且适应于设备的在线监控，因而在气固两相流研究 中得到了广泛应用。但是，在由测试压差换算为颗粒浓度的过程中，因颗粒加 速效应及其与管壁摩擦效应的影响难以估计，故通常将其忽略，所得到的颗粒 浓度( 称之为表观浓度) 并非实际颗粒浓度。譬如，v a ns w a a i je ta l t 2 ”采用y 射 线测试提升管内的真实颗粒浓度并与表观浓度比较发现：在提升管上部稀相段， 摩擦产生的压降占总压降的2 0 - 4 0 ，但在颗粒浓度较高时，其所占的比例下 降至2 5 ；h a r t g ee t1 1 1 1 2 2 1 认为在低表观气速下操作时，两者之间的偏差可以忽 略，但操作气速较高时两者的偏差则很明显；a r e n ae ta l 瞄l 采用快关阀研究表 明，表观浓度与真实浓度在提升管下部加速段差异很大；而k s a n g y a 【2 4 1 的估计 是当床层颗粒浓度较高时和或操作气速相对较低时，两者之间的差异在2 0 以 内。尽管表观浓度与实际浓度的差异是客观事实，但对于其差异程度及其与操 作条件的关系却没有统一的认识，因此不少作者都取重于压差法的方便性，忽 略其偏差，直接将压差法测试结果( 表观浓度) 用于描述提升管内的气固两相 流动力学行为。 1 6 主要研究内容和目的 近年来，作者所在课题组利用1 6 m 高提升管实验装置，在较宽操作条件范 围内系统测试了气固两相流的轴向压力梯度分布数据和局部颗粒浓度数据，本 文的目的就是以这些系统的实验数据为基础，进行综合整理和分析，同时结合 现有文献研究成果，对循环流化床充分发展段的固体颗粒浓度行为和相关问题 进行研究。具体内容如下： ( 1 ) 对压力梯度实验数据进行处理和分析，建立充分发展段的计算方法， 确定充分发展段颗粒浓度与操作条件之间的定量变化规律；在此基础上，结合 对文献报道研究成果的综合分析，提出充分发展段平均颗粒浓度预测关联式。 这不仅对气固提升管内相关过程的模拟和装置的设计有重要实用价值，同时也 将为建立完善的提升管气固两相流预测模型提供基础。 ( 2 ) 通过对实验数据的整理分析，绘制提升管内气固两相流充分发展的操 作区域图，并在此基础上提出充分发展操作区域的边界方程。 四j i i 大学硕士学位论文 ( 3 ) 分析循环流化床实验装置操作条件区域，确定装置极限操作条件及其 影响因素，阐明极限操作条件曲线规律的内在原因，从而为循环流化床装置的 工艺设计和实际操作提供指导性原则。 ( 4 ) 鉴于颗粒表观浓度与颗粒实际浓度存在差异，从动量传递过程原理出 发，建立气固两相流的动量方程。首先分析气固两相与提升管壁摩擦压降对压 差法测试颗粒浓度的影响，建立气固两相与提升管壁摩擦压降的计算式；然后 针对提升管底部加速段，进一步引入气体与颗粒群的曳力系数关系，确定颗粒 加速效应对压降产生的影响；在此基础上，最后提出提升管加速段和充分发展 段颗粒表观浓度的修正计算式，从而提高用压差法测取提升管截面颗粒平均浓 度的准确性，这对于提升管反应器内气固两相动力学的研究和工程实际中反应 器操作过程的在线监测具有十分重要的意义。 四川大学硕士学位论文 第二章实验装置与颗粒浓度测试方法 气固循环流化床提升管中的气固混合性质、传热传质与颗粒浓度分布紧密 相关，但由于提升管中的颗粒浓度分布的复杂性，至今仍没有一个合适的模型 来很好地描绘颗粒浓度的分布情况。颗粒浓度研究仍主要以实验数据为基础。 2 1 实验装置 循环流化床实验装置主要由气体分布器、提升管、气固分离装置、储料罐 ( 伴床) 和颗粒进料与控制装置组成，如图2 - 1 所示。 测量孔 1 气体分布器 4 下行管 7 截止阀 1 0 快速分离器 2 提升管 5 切换阀 8 贮料罐 n 二级旋风分离器 图2 - 1 实验装置示意图 3 一级旋风分离器 6 颗粒流量测量管 9 颗粒进料控制阀 1 2 三级旋风分离器 四川大学硕士学位论文 气体分布器：气体分布器由三块多孔平板和3 7 根内径为8 m m 的喷管组成， 是一种加速作用非常明显的气体分布装置。颗粒从储料罐( 伴床) 进入提升管 底部，堆积在分布板上，辅助流化气透过板上小孔向上鼓吹，使颗粒流化，主 流化气则通过喷管向上加速颗粒。气体分布器的结构如图2 2 所示。 辅助流化气入口 主流化气入口 图2 2 气体分布器结构示意图 口 提升管：提升管是循环流化床的主要反应器，流态化发生在提升管中。本 实验提升管是由有机玻璃制成，内径0 1 m ，直段总高1 6 m 。在提升管上分布有 8 个局部颗粒浓度测量孔，1 2 个压差传感器安装口( 1 3 个接口，测试气固两相 沿提升管高度的压力梯度) ，同时还接有蒸汽进口，用以消除静电。 提升管出口弯管采用等直径圆弧过渡，对气固流动的约束较小，减少阻力 损失，不会造成气体和颗粒在提升管顶部向下运动，以防止发生颗粒堆积而形 成密相区。 气固分离装置：气固分离装置起到分离气固混合物，回收颗粒，使其重新 进入实验系统的作用。本实验的气固分离装置包括颗粒快速分离器和一级、二 级和三级旋风分离器，分三次回收颗粒，使颗粒被充分回收。 储料罐：储料罐又称为伴床，用于储存颗粒，保证实验系统的颗粒循环 四川大学硕士学位论文 从一级旋风分离器下来的颗粒通过位于下行管末端的快速分离器再次进行气 固分离后，进入储料罐。同时储料罐( 伴床) 还可以提供一定的背压，保证实 验中所需要的颗粒循环量。在储料罐( 伴床) 上增加有透明视窗，用来观察颗 粒在里面的流动状况。 测量管：用于在线测量颗粒循环量，测量时将切换阀向右搬动，同时关闭 截止阀，然后测定有限时间内进入测量管的颗粒量，可计算出颗粒循环量。测 试完毕，打开截止阀，同时将将切换阀向左搬动，颗粒重新进入储料罐。 现有的循环流化床实验装置的提升管大多高5 一l o m ，超过1 0 m 的实验装 置目前世界上只有四川大学、清华大学、加拿大w e s t e r no n t a r i o 大学、意大利 n a p o l i 大学和德国汉堡大学等有数的几台【1 1 。本实验装置的提升管高1 6 m ，与 现有其它研究工作所采用的实验装置相比，该装置的特点是提升管较长，可以 在比较宽的操作条件范围之内使气固两相流动有较长的距离发展，有利于展现 出明确的充分发展段。 2 2 颗粒浓度的实验测试方法 颗粒浓度的分布直接关系到气固相的停留时间、气固相之间的反应和传递 速率，以及气固相与提升管管壁和内构件表面之间的传热速率和磨损行为，对 于循环床的应用设计是极为重要的，是建立循环床反应器一维模型、分析计算 循环床回路存料量和压力平衡的基础【们。提升管中颗粒浓度分布随着提升管高 度以及操作条件的变化而变化，建立它们之间的关系，需要获得关于固体颗粒 浓度的分布数据，而且测量过程要求简单、迅速、准确。现阶段研究中常用的 测量技术包括了以下几种。 2 2 1 断面成像技术 断面成像技术的基本原理是电磁辐射或电场的强度因穿过气固混合物而 降低，单位距离上被吸收的能量与颗粒浓度有关。这类技术主要有两种【1 0 n l ： 一种方法就是电容断面成像技术，它的原理就是根据电场特性的变化来确定颗 粒浓度；另外一种是根据x - 射线或y 一射线穿过提升管后的强度变化，就可以确 定射线束经过方向的颗粒浓度。强度为l o 的射线通过一厚度为6 ，固体密度以， 四川大学硕士学位论文 吸收系数口，密度p 一的气固两相流( 床层空隙率为e ) 后，强度减弱为，。可 以写为 p 一p ，( 1 一) ( 2 - 1 ) 所以 ， = e x p - a p 。6 0 - ) 1 ( 2 - 2 ) 1 0 这样通过测量，值就可得到提升管中颗粒的平均浓度，如果设备沿切向移 动，利用在不同切向上所得射线吸收率的数值和计算机软件可以直接计算出任 一横截面上的颗粒浓度的分布【1 2 l 。 断面成像技术的优点在于对流体的流动无干扰，对于靠近提升管管壁处以 及复杂的流体流动仍然可以获得可靠的数据，但是也存在问题：x 射线或y 射线 断面成像技术所需的测量时间较长，时间分辨率低，价格昂贵，而且从事放射 性工作的人员要受一定的专f q n 练，要具备相应的安全防护措施和条件；而电 容断面成像技术的空间分辨率低，仪器的校准以及结果的再现都比较复杂。 断面成像技术的这些缺点使得其在现在的流化床研究中应用不多，往往局 限于对复杂流体的研究中，但是其对流场无干扰性是未来测量技术的发展趋 势，相信随着科技的进步，其不足将得到改善，该技术也必定会发挥更大的作 用。 2 2 2 光纤探头浓度测量法 光纤探头浓度测量法的工作原理是把光投射到颗粒团上，通过检测从颗粒 团反射的光( 反射型探头) 或穿过颗粒团的光( 传递型探头) 强度，运用计算 机做信号处理，测出颗粒浓度。颗粒浓度的光纤测量系统一般由光源、两柬光 纤柬、光电倍增管、a d 转换器和计算机组成【1 2 l 。传递型探头只能测量颗粒浓 度小于0 2 5 的情况，而反射型探头的应用范围要大得多，在固定床中也适用。 光纤探头在使用过程中需要一种合适的方法对探头进行标定，得出电信号与颗 粒浓度的对应关系，还需要稳定持久的光源，否则将影响到测量的精度。光纤 探头具有对高压的不敏感性，灵敏度好，精度高，信号沿光纤的损失非常小等 优点，而且其尺寸小、重量轻，对流场的影响小( 一般要求探头的直径要小于 四川大学硕士学位论文 床直径1 2 0 ) ，几何形状可根据需要灵活选择，价格也低廉，在当前流化床 的研究中，这种技术具有广泛的应用。随着今后探头制造工艺水平的提高，光 纤探头结构更加合理，对流场影响更小；对采样信号的分析和计算过程中考虑 粒径变化、多颗微粒有效光反射面积等对测量结果的影响，得出综合修正值对 原始采样值加以修正后，该方法的测量精度将得到很