【文献综述】流化床操作参数优化的研究进展

文献综述

高分子材料与工程

流化床操作参数优化的研究进展

1 引言

在一个超微气流粉碎设备，将颗粒物料堆放好，当气体由设备下部通入床层，当气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床。流体向上流过一个微细颗粒的床层（塔体），当流速低的时候流体只是穿过静止的颗粒之间的空隙，此时的床体称为固定床；随着流速的增加，颗粒互相离开，并可在向上流动的气体或者液体中，此时的床层就是流化床起点。简单的说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。本实验是研究模拟流化床状态，考察流化状态的中影响因素看到少量的颗粒在一定的区间进行震动和游动，称为膨胀床；速度再升高达到使全部颗粒都刚好悬浮。当流体（气体）通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状态和液体相似称为流化床。

在气固流态化过程中 ,气流量、压差、静床层高度、分布板参数的不同对反应装置内气固接触、传热、传质都有重要影响 ,并且直接关系到反应器的生产能力。在过去的几十年中 ,气固流化床聚合技术取得了巨大的工业成功,而这种反应器存在着不容忽视的缺点—--传热能力差 ,使得反应器内部容易结块 ,从而严重制约了流化床反应器的稳定生产。对于气固流化床 ,颗粒的粒度和密度以及气体的密度之差对流化特性有显著影响。研究不同颗粒体系的流动模式和流化状况,对工业反应器的设计和优化优化工艺参数具有重要意义 ,也是流态化领域研究的重要课题。

目前,文献中提及的检测流化床流型的方法主要有压力脉动法、核磁共振(MRI)法、激光法和光纤法等，但这些方法也存在一定的局限，如压力脉动法存在准确度不高,对流场造成影响的缺点；MRI 法则不适用于工业上铁制的置，限制了其在实际生产中的应用；激光法由于需要向体系内掺入示踪荧光粒子,导致流化床内物料系统的变化,对生产造成影响,从而无法在工业流化床反应器上使用；而光纤法则需要将光纤探头插入流化床中，对床内的流动形态产生影响,也无法应用于工业生产。完善流化床的操作参数研究，寻找一种快捷有效、能适用于工业环境并可实时在线检测流型及流化状况的方法对工业生产的优化和安全监控具有重要意义。

2 理想流化床与实际流化床

理想流化床：

在理想情况下，流体通过颗粒床层时，克服流体阻力产生的压降与空塔气速之间的关系如图(1-1) 所示，大致可分为以下几个阶段：

图1-1 理想流化床Δp-u关系曲线

a.固定床阶段：此时气速较低，床层静止不动，气体通过床层的空隙流动，随气速的增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加。如图1-1中AB段所示。

b.流化床阶段：当流速继续增大超过C点时，床层开始松动，颗粒重排，床层空隙率增大，逐渐地颗粒开始悬浮在流体中自由运动，床层的高度亦随气速的提高而增高，但整个床层的压力降仍保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力。流态化阶段的△p与u的关系如图1-1中CD段所示。当降低流化床气速时，床层高度、空隙率也随之降低，△p -u关系曲线沿DCA’返回。这是由于从流化床阶段进入固定床阶段时，床层由于曾被吹松，其空隙率比相同气速下未被吹松的固定床要大，因此，相应的压降会小一些。与C点对应的流速称为临界流化速度umf，它是最小流化速度。相应的床层空隙率称为临界空隙率emf。流化阶段中床层的压力降，可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其净重力平衡的关系求出，即

△p=L mf（1-εmf）（ρs-ρ）g

式1

式中Lmf――开始流化时床层的高度。随着流速的增大，床层高度和空隙率e都增加，而Δp 维持不变，压降不随气速改变而变化是流化床的一个重要特征。根据这一特点，可通过测定床层压降来判断流化质量优劣。整个流化床阶段的压力降为

△p=L（1-ε）（ρs-ρ）g式2

在气固系统中，r与rs相比较小可以忽略。

c.气流输送阶段在此阶段，气流中颗粒浓度降低，由浓相变为稀相，使压力降变小，并呈现出复杂的流动情况。

实际流化床:

实际流化床的情况比较复杂，其Δp-u关系曲线如图(1-2)所示。它与理想流化床Δp-u曲线的主要区别是：

图1-2气体实际流化床Δp-u关系曲线

a.在固定床区域AB和流化床区域DB之间有一个“驼峰”BCD，这是因为固定床的颗粒间相互挤压，需要较大的推动力才能使床层松动，直至颗粒达到悬浮状态时，压降Δp便从“驼峰”段降到水平段DC′段，此后降基本不随气速而变，最初的床层愈紧密，“驼峰”段越陡峭。

b.由于流化床阶段Δp保持不变，压降线DE应为水平线，而实际流化床中DE线右端略微向上倾斜。这是由于气体通过床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗粒容器壁之间的摩擦。

c.在图1-2中还可见到DE线的上下各有一条虚线，这是气体流化床压力降的波动范围，而DE 线是这两条线的平均值。在气泡运动、长大、破裂的过程中产生压力降的波动。

d.图1-2中EDC′（流化床阶段）C′A′（固定床）阶段的交点C′即为临界点，该点所对应的流速为临界流化速度umf，空隙率称为临界空隙率emf，其值比没有流化过的原始流化床的空隙率要稍大一些。

3 实际气-固流化床中的问题

对于密度差较大的气－固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。在气－固系统的流化床中，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升至床层上界面时破裂，这些气泡内

可能夹带有少量固体颗粒。此时床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。由于气泡在床层中上升时逐渐长大、合并，至床层上界面处破裂，因此，床层极不稳定，上界面亦以某种频率上下波动，床层压降也随之相应波动。而聚式流化床中，空穴相和乳化相的存在，将会导致气流的不均匀分布和气固相接触不良，对传热、传质和化学反应不利，并且可能引发床层的如下不正常现象。

腾涌现象:

腾涌现象主要出现在气-固流化床中。若床层高度与直径之比值过大，或气速过高，或气体分布不均时，会发生气泡合并现象。当气泡直径长到与床层直径相等时，气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡层与颗粒层。颗粒层被气泡推着向上运动，到达上部后气泡突然破裂，颗粒则分散落下，这种现象称为腾涌现象。出现腾涌时，Δp-u曲线上表现为Δp在理论值附近大幅度的波动。这是因为气泡向上推动颗粒层时，颗粒与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时压降又低于理论值。如图1-3所示。

图1-3 腾涌发生后Δp-u的关系

流化床发生腾涌时，不仅使气-固接触不均，颗粒对器壁的磨损加剧，而且引起设备振动，甚至损坏设备。

沟流现象:

沟流现象是指气体通过床层时形成短路，大部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好地接触。故在Δp-u图上表现为低于单位床层面积上的重力，如图1-4所示。