气固流化床中颗粒聚团的流动特性

2016年6月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2016

收稿日期：2015−12−28，修回日期：2016−02−16

基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号：2012CB215000)

作者简介：黄亚航(1991−)，男，湖北省武汉市人，硕士研究生，化工过程机械专业；刘梦溪，通讯联系人，E-mail: mengxiliu@.

气固流化床中颗粒聚团的流动特性

黄亚航， 刘梦溪， 胡 娟

[中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京 102249]

摘 要：在一套流化床冷模实验装置中研究了A 类颗粒在鼓泡床和湍流床内的微观两相流动结构，测量了床层内不同轴、径向位置的瞬时固含率脉动信号，通过MATLAB 软件进行解耦并统计分析求解出稠密相与稀疏相的平均固含率，以此为基础拟合了瞬时固含率信号的概率密度曲线，最后从信号中提取出颗粒聚团的有关信息. 结果表明，瞬时固含率为0.05∼0.72，乳化相中颗粒聚团平均固含率为0.552∼0.562. 颗粒聚团的体积分率和出现频率随表观气速增加而降低，分别为0.01∼0.5和0.02∼1.6 Hz ，持续时间小于0.12 s. 关键词：颗粒聚团；固含率；体积分率；频率；持续时间

中图分类号：TQ051.11 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2016)03−0374−06

1 前 言

气固流化床反应器由于传热和传质效率高、可流化的固体颗粒尺寸分布范围广、结构简单等优点被广泛应用于石油、化工等行业[1]

. 流化床内气体和固体粒子的微观流动结构对流化床的性能有显著影响，但由于两相流动的多流域、非线性的复杂特性，目前还难以深入认识固体颗粒的动态行为和流动结构.

目前，对于气固流化床内微观流动结构的研究大多局限于循环流化床

[2,3]

等表观气速较高的流化床，而对鼓

泡床和湍动床的研究较少. 经典两相流模型[4]

将气固流化床的复杂流动简化为由恒定固含率的乳化相和几乎不含固相颗粒的气泡的稀疏相构成. 但实验结果[5]

表明，乳化相的固含率随时间波动，因此这种假设与实验并不完全相符.

乳化相中固体浓度的波动可能是由悬浮颗粒、气泡空穴或尾涡、颗粒聚团引起的. Lettieri 等[6]在FCC 流化床中发现，基于单颗粒计算的终端速度与实验值相差很大，表明流化床中的部分颗粒可能以团聚物形式存在. Mostoufi 等[7]发现在相同条件下，乳化相中颗粒的平均

速度低于单颗粒和孤立颗粒，示踪颗粒的运动并不像单颗粒那样为布朗运动，而是沿直线上下往复运动，表明有颗粒聚团存在[8]. Cocco 等[9]用高速摄像机拍摄到了临近气泡处的颗粒聚团. 颗粒聚团存在会导致乳化相局部固含率增加，如Sharma 等[10]发现在快速流化床中，颗粒聚团的固含率是乳化相固含率的2.4倍. 认为颗粒聚团会随其合并或在床中循环运动而变大. 乳化相中颗粒聚团的体积分率、平均固含率、频率和持续时间对流化床的性能起关键作用.

本工作建立了一套气固流化床冷模实验装置，研究了流化床不同区域内的固含率信号，通过对信号进一步处理得到了颗粒聚团的体积分率、频率和持续时间的变化规律.

2 实 验

2.1 实验物料

固体颗粒为主要用于重油催化裂化装置中的催化裂化催化剂(FCC)，为A 类颗粒，平均粒径79 μm ，堆积密度958 kg/m 3，颗粒密度1598 kg/m 3，其粒度分布见表1. 气体介质为常温空气.

表1 FCC 催化剂的粒度分布

Table 1 Particle size distribution of FCC

Particle diameter, d p (μm) <40 40∼50 50∼70 70∼90 90∼110110∼140

140∼200 >200 V olume distribution (%)

1.45 6.08 24.15 23.83 2

2.45

14.83

7.17

0.04

2.2 实验装置及流程

为保证加工精度及便于观察内部气固流动状态，实验装置筒体由有机玻璃材料(PMMA)制造，如图1所示，总高5460 mm ，床体直径300 mm ，壁厚7 mm ，高2900 mm. 底座、底锥和旋风分离器由碳钢制造.

空气由鼓风机压缩后先进入气体缓冲罐，再经转子流量计定量输送到实验装置中，气体预分配由板式分布器完成. 为保证气体分配的均匀性，分布器下方设置一个气体预混腔，气体通过气体分布板进入流化床层后会携带部分颗粒到床层外. 为保证整个床层内颗粒质量和

粒径分布不随时间变化，设置了两级PV 型旋风分离器回收被带出的较细FCC 颗粒. 为避免影响床内的气固流动，料腿出口设置在靠近床层表面的稀相段. 两级旋风分离器的总捕集效率大于99.99%. 旋风分离器未能捕集的剩余颗粒由布袋过滤器收集，定期返回床层中.

(a) General view (b) Internal dimensions (mm)

图1 实验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

实验操作条件：流化床内表观气速为0.04∼0.55 m/s ，流化床环隙区底部设置一个板式气体分布器，开孔率为0.465%. 2.3 实验方法 2.3.1 测试方法

床层轴向、径向固含率采用PV-6D 型颗粒速度测量仪(中国科学院过程工程研究所)测量，以两束平行的光导纤维为测量探头，每束光纤直径0.8 mm ，包含发射光线和接受的反射光两部分. 当颗粒通过探头时，照射在颗粒上的光线反射到接收端，经过A/D 转换器转换成电压信号传送到计算机. 颗粒顺光纤束排列方向运动时，同一颗粒(群)产生的反射信号是形状相似而时间上有一定延迟的两路信号(图2). 仪器不能直接测得床层中的固含率，只能得到与固含率对应的电压信号，故需对仪器进行标定，将电压值转换为固含率. 标定时，选择床层较稳定的一个截面，截面的平均床层浓度由上、下两个等距测压值计算得到. 床体半径R =143 mm ，沿截面径向r 取8个测量点，每个点取5个样本值. 沿截面积分求得平均电压V . 最终得到标定的瞬时固含率为

0.62s 0.043e ,V ε= (1)

其最大相对误差不超过5%，表明所得数据可信.

光纤探头置于流化床不同轴向、径向位置，见图1(b). 光纤探针采样频率为5 kHz.

图2 光纤测量示意图

Fig.2 Schematic diagram of the measurement

with the optical fiber probe

2.3.2 数据处理

通过大量的试算，得到了能准确描述稀疏、稠密相固含率时间序列的概率密度分布函数，如图3所示. 根据实验数据拟合出稀疏相对应的概率密度函数为对数

正态分布函数：

2s ()).f ε⎤

⎥⎦

(2)

图3 微观两相结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of microscale two-phase flow structure

拟合的稠密相的概率密度函数为高斯分布函数：

2s ().

f ε⎤

⎥⎥⎦

(3) 反应器局部稀疏、稠密相共存，由局部质量衡算得

s 1sb 1sd (1),f f εεε=+− (4)

P r o b a b i l i t y d e n s i t y

d i s t r i b u t i o n

5

10

15

2025

0.0

0.20.40.60.8 Optical fiber signal

T r a n s i t e n t s o l i d h o l d u p , εs

Time,

t (s)1. Air blower 2. Surge tank

3. Rotary flowmeter

4. Gas distributor

5. Fluidized bed

6. Bag filter 7, 8. Cyclone 9. Diplegs