流化床中宽筛分颗粒停留时间调控研究

流化床中宽筛分颗粒停留时间调控研究
流化床反应器常被用于固相加工过程中处理宽筛分物料,如矿物焙烧、铁矿直接还原等等。

宽筛分物料中大小不同粒径的颗粒所需完全转化时间不同,然而传统流化床中各粒级颗粒的停留时间与其所需的完全反应时间往往难以匹配。

因此,对宽筛分颗粒中各粒级颗粒停留时间进行调控,使其与完全转化时间相匹配,实现宽筛分颗粒在流化床反应器中同步转化,对提高转化的选择性和效率具有重大意义。

针对宽筛分颗粒平均停留时间(MRT)调控研究,选用平均粒径为1:2:4的三种窄分布玻璃珠(同密度)按一定比例混合作为宽筛分物料,在连续进出料流化床中进行研究。

探寻流化床中宽筛分颗粒MRT差别影响因素和机理,并以此进行调控优化以实现不同控制机制下各粒级颗粒停留时间与其所需转化时间相匹配。

在此基础之上,综合各调控因素建立可预测宽筛分颗粒各粒级颗粒MRT数学模型,为宽筛分颗粒各粒级MRT调控研究提供指导。

本论文取得的主要创新性结果如下:(1)详细研究了粒径分布、进料速率和气速等因素对宽筛分颗粒中各粒级颗粒MRT差别的影响,研究发现各粒级颗粒MRT 差别随气速增加而增加,但几乎不受进料速率和粒径分布的影响。

但单一的气速调控,无法实现粒径相差四倍的颗粒MRT与各粒级所需完全转化时间相匹配。

此外,研究发现各粒级颗粒MRT差别源于气速对各粒级颗粒排出方式的影响不同,高表观气速下粗细颗粒在床层上方“稀相区”中产生分离,细颗粒比粗颗粒更容易因气体夹带而排出流化床,从而增加了粗细颗粒MRT的差别。

(2)根据“稀相区”粗细颗粒分离增加粗细颗粒MRT差别机理,提出通过增置水平内构件在流化床中产生多个“稀相区”调控粗细颗粒MRT差别研究思路。

系统考察了多孔挡板数目、位置、结构参数(开孔率和开孔孔径)以及其他类型内构件对各粒级颗粒MRT差别影响规律,发现多孔挡板调控效果最为显著,增加挡板数目、降低挡板开孔率或孔径均可增加各粒级颗粒间MRT差别。

另外,研究显示每一床层中宽筛分颗粒并未出现明显分级,但从下往上的各层中粗颗粒浓度逐渐减小而细颗粒浓度逐渐增加。

(3)借鉴气液精馏塔理论,提出对多挡板床中多粒级颗粒浓度分布模型化思路,结合床层物料藏量预测,建立了可预测多挡板流化床中各粒级颗粒MRT的数学模型。

模型研究发现,与以往仅能预测颗粒整体MRT的模型相比,所建模型可以准确的预测宽筛分颗粒中各粒级颗粒MRT。

此外,所建模型可预测各控制条件下宽筛分颗粒MRT理想调控时所需最优气速、挡板数目以及挡板结构参数。

(4)提出利用CFD模拟方法研究流化床放大过程中宽筛分颗粒MRT差别变化。

先采用欧拉—欧拉多流体模型与多组分曳力模型耦合准确模拟了多挡板流化床中多颗粒体系气固流化行为。

后续利用床层平均粒径函数描述各粒级颗粒浓度变化,从而预测各粒级颗粒MRT差别程度。

研究发现流化床放大过程中(床径:100 mm、190 mm和400 mm)床层平均粒径轴向变化有所减小,但变化范围并不显著,意味着应用该规则放大研究时宽筛分颗粒MRT差别程度随流化床床径增加略有减小。