流化床实验教学讲义

1、多功能循环流化床实验实验教学讲义适用专业：化学工程与工艺实验学时： 2执笔人：刘梦溪一、实验的目的循环流化床特色实验装置是化工学院为提高大学生动手能力和科研能力而 设计的一套大型冷模实验装置，可作为化工原理本科 、流态化研究生等 课程的实验内容，也可作为研究生、博士生科研、大学生科技创新的实验平台。通过改变不同的操作气速， 装置内床层可经历由起始流化到鼓泡床、 湍流床、 快速床直至气力输送等多个床型。 在装置内可开展压力梯度、 密度分布、 速度分 布和旋风别离器压降、颗粒流动特性、气控阀操作特性、颗粒混合、别离器内气 相流场等实验， 根据实验数据可进行全装置压力衡算。 因此， 可根据不同的需要

2、 设计不同的实验，是一个设计型的实验装置。为了使学生能够清楚的看到装置内颗粒的流化状态， 装置主体由有机玻璃制 成。装置上的测量点也经过精心的设计，当采用测量仪器如光纤颗粒密度/速度测量仪等仪器时， 可直接利用现有测量点进行测量。 通过试验， 使学生了解和掌 握循环流化床的根本原理与控制过程，激发学生的学习兴趣。二、实验原理循环流化床系统主要由提升管反响器及伴床有时以用作反响器所构成。 为了使颗粒在提升管与伴床之间循环， 在底部有颗粒循环控制装置， 在顶部有气 固别离器与之相连接。此外，根据实际需要，通常还有颗粒储罐，除尘过滤设备 以及必要的测试系统。在设计循环流化床反响器时，应考虑以下主要因

3、素。中选择提升管反响器的设计时， 首先根据所需气体处理量， 确定操作气速及 反响器直径。 选择的操作气速必须满足快速流化操作条件的要求， 同时又能保证 过程所必需的气、 固接触时间。 反响器高度确实定主要依据停留时间的要求。 颗 粒循环速率确实定分两种情况：第一种是当提升管内进行的过程为传热控制时， 或固体颗粒的循环是为了带出或带入热量时， 颗粒循环速率应由传热量的要求而 决定，此时应该很好了解气、固传热的知识；在第二种情况下，当提升管内进行 的为催化反响，而催化剂随反响的进行，失活很快时如 FCC 过程，颗粒的循 环速率应由催化剂失活特性来确定， 适宜的颗粒循环速率应能保证新鲜 经再生 的催

4、化剂的不断补入及已失活的催化剂的不断移出。 当然也有可能必须综合考 虑上述两种情况的过程。化学反响特性与催化剂性能是循环流化床反响器设计时应考虑的主要因素。 床层结构及所选定的操作条件应适应化学反响的要求。 例如，对以中间产物为目 的产物的快速反响 FCC 等，应当使气固流动接近于平推流，尽量减少催化剂 颗粒的返混。 因此，应该防止使用带气垫弯头的出口结构， 尽量不适用内置构件 等。当固体颗粒本身为反响物， 且要求完全转化时 如煤燃烧、催化剂的再生等， 应考虑能够增加颗粒浓度及返混 ，延长颗粒停留时间的措施，如使用气垫弯 头式出口结构等。颗粒循环控制装置的作用不仅是调节和控制颗粒循环， 以到达

5、所要求的颗粒 循环速率， 而且也帮助防止气体从提升管向伴床的 “反窜流动。特别是提升管中 与伴床中进行不同气氛的反响过程如氧化与复原时，杜绝气体 “反窜变的尤 为重要。如前所述， 为了到达高循环速率， 颗粒循环控制装置应具有尽可能小的 阻力。通常所用的颗粒循环控制装置有机械式阀滑阀、蝶阀等以及气力流动 阀L型阀、V型阀、J型阀等。在实际工业装置中，为防止机械式阀在高温、 高压情况下的操作困难如颗粒的堵塞，摩擦等 ，经常需用非机械式气力控制 阀。三、循环流化床装置的常见测试手段1、颗粒浓度测定颗粒浓度分布的研究对循环床的应用设计极为重要， 要获得较为准确的固体 颗粒浓度的分布数据， 需要一种测量

6、过程简单、 迅速和准确的测试技术。 现阶段 研究中常用的测量技术包括以下几种。 1截面成像技术 截面成像技术的根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力与颗粒浓度有关。 该测试技术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，但存在的问题：X射线或丫射线截面成像技术39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门训练， 要具备 相应的平安防护措施和条件； 而电容截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拟复杂。这些缺点导致截面成像技术在流化床中应用不

7、多。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，运用电脑做信 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、两束光纤束、光 电倍增管、A/D转换器和电脑组成。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，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。许多研究者已经利用该技术对流化床流动特性进行测 量，得到较精确地数据。3电容探头测量技术在测量颗粒浓度时，将组成电容器的两片电极置

8、于所测流场中， 电极间的介 电系数会随固体颗粒浓度的变化而发生变化， 介电系数越高，固体颗粒浓度越大， 这样根据电极间介电系数就可以测量出固体颗粒浓度。电容器固体浓度测量探头 装置通常包括：测量探头、自振荡电路、解调电路。该系统灵敏度高，制造方便, 能够有效测量局部固体颗粒浓度的瞬时值；但是探头的测量体积一般来说大于探 头本身，所以测量体积难以准确确定；另外，电容探头对循环流化床内的湿度、 温度、静电条件等非常敏感，同时容易受到环境电磁场的干扰， 容易出现测量误 差，由于这些原因，它在循环流化床测量中的应用受到了一定的限制，当前在循环流化床的测量中已经应用不多，应用前景不是很好。4压差法由测压

9、差法换算浓度，可以测得研究截面的平均颗粒浓度。在循环流化床中， 忽略固体颗粒的加速作用和气固两相与管壁摩擦造成的压降损失，单位高度的压1是固力变化就是由单位体积的气体和颗粒重量产生的，其关系如下:式中,P h是沿床高的压力梯度，可用压力传感器测定。g是气体密度,y7体密度，g为重力加速度，s是截面平均颗粒浓度。只要 P H测定，就可按下式计算:式2的导出忽略了颗粒的加速作用及摩擦阻力的损失。而实际操作中，提升 管底部有一段加速区，套用公式2得出的颗粒浓度偏差大。而比拟适用于提 升管充分开展段。2、常见颗粒速度的测量技术颗粒的运动速度对于提升管中的动力学行为和传递过程有重要影响，不仅直接反映了床

10、内颗粒的运动状态并且与颗粒在床中的固含率和停留时间密切相关， 而且也是循环流化床反响器和气力输送系统设计和优化操作直接且根本的参量。 然而对颗粒速度进行测量比拟困难， 选择一种精确、易操作的测试技术将大大减 小测量误差，以下为几种常见颗粒速度的测量技术。1LDA(Laser Doppler Anemometry)激光多普勒技术LDA测速技术利用多普勒原理测量颗粒的局部速度：运动颗料的散射光与入 射光之间存在着一定的频率差，称为多普勒频移(fd)。LDA测试技术优点在于对流场无干扰作用，主要应用在颗粒浓度较低的速 度测量上，但对于较高颗粒浓度(固体含量1.5 %)的研究应用很少。该技术测得 的是

11、单点平均流场信息，干扰问题较严重，并且要获得整个流场的信息耗时过多。2PIV(Particle Imaging Velocimetry )技术PIV测试技术是一种瞬时全场测速技术，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，非常适用于涡流和湍流等复杂流动的研究。如下列图，PIV系统主要由照明、成像和图像处理等局部组成。在测试时，激光器发出激光束，光学元件将光束变成片光源照 亮所测流场。如是脉冲激光器，需设置脉冲间隔，脉冲延迟期和激光脉冲等，高 速CCD相机捕捉2个激光脉冲照亮流场的2幅图像，并将图像转化为数字信号 传入电脑。通过专用的软件采用一

12、定的图像处理算法匹配图像粒子对，测出在一定时间间隔内示踪粒子在x，y方向上的位移，速度等于位移除以时间间隔；可 得出移动速度大小和速度方向。图1 PIV系统图该技术应用于密相区颗粒速度测量时仍有一些问题。 首先，在密相区的高颗 粒浓度下，由于CCD相机所拍摄图像的清晰度不够、颗粒重叠等原因，使得PIV 测量技术和图像分析方法很难应用到高颗粒浓度时的情况； 其次，由于循环流化床特殊的环-核结构，其边壁区高颗粒浓度远高于核心区域，当循环床内颗粒浓 度高到一定的数量时，边壁区的颗粒浓度将阻碍激光片光射入到床内，同时也会 遮挡CCD相机拍摄图像，使测量无法进行。3光纤颗粒速度探头测量技术光纤颗粒速度探

13、头的工作原理就是用光纤之间的有效分隔距离除以所测的 对应信号时间差来得到颗粒的运动速度。光纤颗粒速度探头测量技术可用于测量较高颗粒浓度条件下如下部密相区 和上部边壁区附近循环流化床锅炉内的颗粒速度。此外，光纤颗粒速度探头还 具有重量轻、尺寸小、几何形状可以根据需要灵活选择、 灵敏度好以及价格低廉 的优点，但由于探头制造水平的限制，探头的尺寸对流场的影响有时不能无视， 测量精度受到了影响，不适用于精度要求较高的测量。4等速采样法Gs等速采样法就是利用等速采样管测量颗粒的流率来计算固体颗粒的运动速 度29。空隙率 的情况下，固体颗粒速度为：Vp式中：Gs是固体颗粒的流率，p是颗粒密度。等速采样法在

14、颗粒的流率及 速度较大时精度较高。等速采样法的最大优点在于测量设备非常简单，但是由于测量过程中假定颗粒流为连续流，该方法只适用于循环流化床密相区高浓度颗粒 的速度测量，而不适用于环-核结构的提升管中颗粒速度的测量，而且等速采样 法对流场亦有干扰，测量精度不高。四、实验装置流程本研究中试验装置的根本流程如下列图。如图2所示，整个装置除底座、椎体和旋分采用碳钢材料外，其他局部均采用 有机玻璃制成。图中，装置主体由底部的提升管一一环流床耦合预提升段和上部 提升管组成。预提升段的内输送管内径70mm，高750mm,预提升段内径280mm，高 1500mm；提升管内径 100mm，高 10000mm。川

15、1-风机2-缓冲罐3-空气转子流量计4-管式分布器 5-预提升器6 , 22-进料斜管A, B 7-中心输送管 8，10，16,19, 21-蝶阀9，20-计量罐11-提升管12，14-高效旋风别离器 13-新型气固快分器15-计量管17-环流预提升器 18-储料罐 图2试验装置根本流程图实验中，空气由风机经缓冲罐、流量计，分 5路进入装置，一路从内环底部 的管式气体分布器进入预提升段内输送管，为流化主风；一路从外环底部的环形气体分布器通入环隙空间，为流化松动风；第三路经储料罐底部的环形气体分布 器进入储料器，对循环物料起到流化松动作用；剩下两路分别进入环流预汽提器 的底部和环形气体分布器。A

16、、B两股进料均来自储料罐，并通过两个进料斜管 在此简称为“ A进料管和“ B进料管以对称位置进入预提升底部。通过 调节内、外环之间的风量差异，可以调节环流段内物料循环量。 颗粒除了在预提 升段内、外环之间环流流动外，还在内导流筒的主风作用下进入提升管向上运动， 最终经新型气固快分器和旋风别离器进入储料罐，然后沿两个循环回料管返回预 提升段，完成颗粒在整个系统中的循环流动，气体那么经布袋除尘器净化。颗粒的主要物性参数为：颗粒密度p=1500kg/m3,堆积密度b=900kg/m3,平均粒径dp =60 m。实验中流化介质为常温条件下的空气。五、实验步骤1、开启实验装置(1) 检查流程是否正常；(

17、2) 检查流化风转子流量计，及其流量计调节阀是否完全关闭；(3) 检查松动风转子流量计，及其流量计调节阀是否完全关闭；(4) 检查罗茨风机的轴转动是否灵活并盘车；(5) 检查罗茨风机中加的润滑油量是否到达镜面的一半或三分之二；(6) 检查罗茨风机出口管路的阀门位置，确保出口管路阀门完全翻开：(7) 检查空气缓冲罐出口放空阀门的位置，确保放空阀门完全翻开；(8) 开启罗茨风机：(9) 调节空气缓冲罐压力等待约3分钟，假设这段时间内罗茨风机运转一切正常，那么缓慢关 闭缓冲罐放空阀门，与此同时密切注意缓冲罐上的压力表。注意压力的调 节分屡次进行，每次只能小幅度的调节放空阀门，切忌放空阀门突然翻开 或关闭，调节一次后等待一段时间，当压力表指针不再发生变化后再继续 调节，直至到达需要的压力。(10) 缓慢翻开松动风流量计调节阀并到达需要的流量；假设松动风流量无法调节至需要的刻度，检查：a、缓冲罐压力表是否到达需要的压力；b、是否松动风输送管线里存有石英砂，假设有石英 砂，那么将管线拆卸下来，倒出石英砂，然后装好继续操作；c、阀门是否损坏。(11) 缓慢翻开流化风流量计