吳 誠，高用祥，王麗軍，成有為，李 希

(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

湍動流態(tài)化是鼓泡流態(tài)化與快速流態(tài)化之間的過渡狀態(tài)，其流型兼具鼓泡床與快速床的特征，同時(shí)又具有自身的特點(diǎn)：湍動床固含率軸向變化大，氣體從床下部的分散相（氣泡）很快轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩喜康倪B續(xù)相，固體則相反。湍動床氣固接觸好、固含率適中、傳熱優(yōu)良，適合于快速放熱反應(yīng)，如甲醇制烯烴（MTO）等過程。相比于鼓泡流態(tài)化與快速流態(tài)化，湍動流態(tài)化方面的研究較少，尤其是針對顆粒速度分布等局部特征的研究。究其原因，可能是湍動流態(tài)化流型復(fù)雜，空間非均勻性高，導(dǎo)致局部顆粒速度的測量[1-3]十分困難。

隨著近年來MTO 大型工業(yè)湍動床的廣泛應(yīng)用，對于湍動流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)與模擬工作也在不斷增多。作者曾使用PV6D 型光纖探針對湍動流化床過渡段中顆粒濃度的分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[4]，同時(shí)采用分段修正曳力模型和連續(xù)相轉(zhuǎn)換等模型對其進(jìn)行數(shù)值模擬[5,6]，隨后針對光纖測量中存在的散射問題進(jìn)行信號校正[7]，并提出了一種更為合理的針對湍動流態(tài)化的顆粒時(shí)均速度計(jì)算方法，對湍動床中過渡段的速度分布進(jìn)行了初步的探索。在本工作中，將進(jìn)一步考察不同實(shí)驗(yàn)裝置以及多種條件下的顆粒速度分布，側(cè)重于對湍動床中出現(xiàn)的顆粒減速區(qū)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，試圖闡明湍動流態(tài)化中復(fù)雜多變的顆粒速度分布規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理，以加深對這一流型的認(rèn)識與理解。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用2 套不同尺寸的湍動流化床裝置，如圖1所示。其中較大的流化床流化段直徑為200 mm，高度5.5 m，擴(kuò)大段直徑300 mm，高度1.2 m；較小的流化床直徑95 mm，高1 m，擴(kuò)大段直徑149 mm，高度1.18 m。流化床出口采用二級旋風(fēng)分離器與布袋進(jìn)行氣固分離。床下部使用不銹鋼篩板分布器，開孔率為5%～10%，孔徑為1 mm，篩板上方布置多層金屬篩網(wǎng)以防止漏料。流態(tài)化所用物料為無色玻璃微珠，其真密度為2 400 kg/m3，松散堆積時(shí)的表觀密度為1 440 kg/m3，用馬爾文粒度分析儀測得的玻璃微珠平均粒徑106 μm，屬于Geldart A-B 類顆粒，其起始流化速度、起始湍動速度以及最小輸送速度[2]分別為0.01，0.73，2.30 m/s。

實(shí)驗(yàn)中顆粒速度的測量采用PV6D 型光纖探針，其探針長度為382 mm，最細(xì)處直徑4 mm。探針端部由兩個(gè)光纖陣列構(gòu)成，其中的光纖均能發(fā)射與接受可見光信號。數(shù)據(jù)采樣在裝置啟動一段時(shí)間，令全系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行，對每個(gè)空間位置重復(fù)采樣5 次以上，每次采樣的數(shù)據(jù)長度為131 072。流化段沿軸向位置設(shè)置了從分布板影響區(qū)以上到擴(kuò)大段以下的多個(gè)測量位置，徑向則按照r/R從0～0.95 內(nèi)選取11 個(gè)位置進(jìn)行速度測量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of experimental set-up

1.2 速度測量

PV6D 型光纖探針通過并行雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下經(jīng)過兩個(gè)光纖陣列的顆粒群濃度信號，通過計(jì)算兩通道信號的互相關(guān)函數(shù)，得出顆粒群經(jīng)過兩陣列的延遲時(shí)間τ，再根據(jù)Ui等于L/τ（L為兩陣列間的標(biāo)定距離）計(jì)算出顆粒群的擬瞬時(shí)速度。根據(jù)文獻(xiàn)中的研究[7]，首先須將原始信號按照閾值0.2進(jìn)行濾波以減少可見光散射帶給光纖探針的誤差，然后將由濾波信號算得的擬瞬時(shí)速度按式(1)的顆粒時(shí)均速度（Um）計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到一段時(shí)間內(nèi)包含單顆粒與顆粒團(tuán)聚在內(nèi)的顆粒群平均速度。關(guān)于信號濾波及顆粒時(shí)均速度計(jì)算公式的詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[4,7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒減速區(qū)軸向位置

氣固流態(tài)化中氣相通過曳力將動量傳遞給固相顆粒。由于流型、流化床結(jié)構(gòu)、操作條件等因素的相互作用，顆粒濃度沿床高存在一定分布，由此導(dǎo)致顆粒所受曳力在軸向上存在變化，顆粒速度并非單調(diào)加速直到充分發(fā)展，而是加速與減速交替存在。顆粒的減速現(xiàn)象往往會造成局部顆粒停留時(shí)間過長，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致逆向運(yùn)動的顆粒流出現(xiàn)，增加了氣固兩相的返混程度，是一種非理想的流動現(xiàn)象。

類似于快速流態(tài)化中對提升管的區(qū)域劃分，湍動流化床按顆粒濃度軸向分布可近似分成4 段：床層下部的濃相段，過渡段，充分發(fā)展段與上部出口附近的相對濃相段[8,9]。這4 段不一定同時(shí)出現(xiàn)，受到床中靜料位等諸多因素的影響。典型的湍動流化床顆粒濃度與速度分布如圖2所示。圖2(a)為在直徑200 mm 流化床中測定的床層截面平均固含率軸向分布，從分布板影響區(qū)到床層上部的大部分區(qū)域呈現(xiàn)清晰的單調(diào)遞減規(guī)律，上部最高處則受擴(kuò)大段影響會出現(xiàn)相對濃相段[10]。圖2(b-d)為不同軸向高度處的顆粒速度徑向分布，圖中可以看到兩個(gè)明顯的減速區(qū)的存在，分別是上部出口4.6 m 附近以及過渡段上部1.3 m 附近。兩減速區(qū)之間的顆粒逐漸加速到達(dá)充分發(fā)展，過渡段減速區(qū)以下為受濃相控制的高固含率區(qū)域，更低位置處則受到分布板的影響。因此，從顆粒速度分布的角度又可以將湍動床分成分布板影響區(qū)、濃相區(qū)、過渡段減速區(qū)、加速區(qū)、充分發(fā)展區(qū)、出口減速區(qū)這6 個(gè)區(qū)域。同樣，依據(jù)顆粒速度所劃分的6 個(gè)區(qū)域也與操作條件等因素相關(guān)聯(lián)，下文將詳細(xì)闡述。

圖2 截面平均固含率軸向分布與顆粒速度徑向分布Fig.2 Axial distribution of solid concentration and radial distributions of solid velocities

兩個(gè)減速區(qū)中的出口減速區(qū)即是上部出口附近相對濃相段，這一區(qū)域在出口為強(qiáng)約束的前提下才會出現(xiàn)。這一區(qū)域的形成機(jī)理相對簡單，可類比于提升管中的對應(yīng)區(qū)域[2,8,11,12]。提升管頂部直角轉(zhuǎn)彎等強(qiáng)約束出口會使上升顆粒驟然減速，形成內(nèi)循環(huán)，與下方的顆粒動量交換，造成下方區(qū)域顆粒濃度上升，速度下降。湍動流化床中的擴(kuò)大段也起到令顆?；亓鞯淖饔?，因此這一減速區(qū)形成機(jī)理與提升管類似。

過渡段減速區(qū)的形成機(jī)理則相對復(fù)雜一些。關(guān)于床層下部的顆粒減速現(xiàn)象，文獻(xiàn)所談甚少。Wang等[12]、He 等[13]與Mathiesen 等[14]分別在關(guān)于快速流化床、噴動床與湍動床的研究中，發(fā)表了顆粒減速現(xiàn)象的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但并未對其作出說明。Zhu 等[15]將湍動流化床下部減速區(qū)歸因于該位置下方分布板效應(yīng)與上方氣泡破碎夾帶顆粒造成該區(qū)域兩端顆粒速度相對較高，而中間區(qū)域受分布板與氣泡影響較小，顆粒速度相對較低。漆小波[9]在快速流化床中對粗重河沙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，壓差測量結(jié)果間接證明了下部減速區(qū)的存在，他將減速歸結(jié)為所采用的噴管型氣體分布器與粗重的河沙顆粒所致。作者在對湍動床過渡段的研究[4]中，基于實(shí)驗(yàn)測量與CFD 模擬，提出了一種新的解釋，認(rèn)為在湍動床濃相區(qū)中上部，固含率沿床高急劇降低[圖2(a)]使得氣體流速也隨氣含率增大而降低，分布也趨于平坦，導(dǎo)致固體在這一區(qū)域跟隨氣相一同減速。而在更高處，稀相單顆粒受到的曳力加大，顆粒又重新加速，直到充分發(fā)展。這一減速區(qū)的影響因素及其變化規(guī)律以往考慮甚少，需要更多的研究。

2.2 流化段高度的影響

95 mm 直徑湍動床中，靜床高為0.3 m，表觀速度1.25 m/s 時(shí)不同高度下的顆粒速度徑向分布如圖3所示。從圖3可以看到下部0.478 m 與上部0.898 m 處兩個(gè)減速區(qū)。與圖2相比較，床層中段存在明顯差異：顆粒在經(jīng)過下部減速區(qū)后在0.618 m 位置開始加速，尚未到達(dá)充分發(fā)展就因擴(kuò)大段的作用而在0.758 m 處提前開始減速，到0.898 m 位置減速現(xiàn)象已十分明顯，床中心出現(xiàn)向下運(yùn)動的顆粒流。充分發(fā)展段的消失與P?rssinen 等[8]所報(bào)道的提升管中因床段較短導(dǎo)致稀相區(qū)缺失的機(jī)理相似。因此，上部出口減速區(qū)會隨著流化段高度的減小而下移，進(jìn)而導(dǎo)致充分發(fā)展區(qū)與加速區(qū)依次縮短乃至消失，而下部減速區(qū)則受影響不大。

圖3 不同軸向高度處的顆粒速度徑向分布Fig.3 Radial distributions of solid velocities at different axial levels

2.3 靜床高的影響

圖4為95 mm 直徑湍動床中相同表觀氣速時(shí)不同靜床高下的顆粒速度分布。由圖4可見，隨著靜床高的增加，0.478 m 處顆粒速度顯著降低，而0.198 m 處顆粒速度則逐漸升高，導(dǎo)致三個(gè)位置中顆粒速度最小的區(qū)域從0.198 m 變化到0.478 m，表明下部減速區(qū)的位置隨靜床高的增加逐漸升高。根據(jù)作者此前測量的湍動流化床固含率分布[4]，隨靜床高的增加，固含率單調(diào)增加，徑向分布變陡，濃相段逐漸向上擴(kuò)展，由于過渡段減速區(qū)是由局部固含率下降帶來的氣相速度降低所造成，因此低固含率區(qū)域的上移使得減速區(qū)也隨之上移。

圖4 不同靜床高下的顆粒速度徑向分布Fig.4 Radial distributions of solid velocities under different static bed heights

2.4 表觀氣速的影響

圖5為相同靜床高時(shí)不同表觀氣速下顆粒速度徑向分布的比較。由圖5可知，隨著表觀氣速的增加，顆粒速度均升高，但變化速度不同，其中0.478 m 處的顆粒速度增長最快，0.198 m 處則增長最為緩慢，由此導(dǎo)致3 個(gè)位置中顆粒速度最小的區(qū)域從0.338 m 變化到0.198 m，表明隨著表觀氣速的增大，下部減速區(qū)位置逐漸下移。這一現(xiàn)象依然與局部固含率的變化緊密相關(guān)：隨著表觀氣速的提升，局部固含率單調(diào)減少[4]，濃相段下移，因此低固含率區(qū)域的下移導(dǎo)致了減速區(qū)位置的降低。從圖4(a)、(b)的比較可以看出，靜床高的影響要比氣速顯著，原因即是主導(dǎo)減速區(qū)位置的固含率分布對靜床高的變化更為敏感。

圖5 不同表觀氣速下的顆粒速度徑向分布Fig.5 Radial distributions of solid velocities under different gas velocities

圖5為相同靜床高時(shí)不同表觀氣速下顆粒速度徑向分布的比較。由圖5可知，隨著表觀氣速的增加，顆粒速度均升高，但變化速度不同，其中0.478 m 處的顆粒速度增長最快，0.198 m 處則增長最為緩慢，由此導(dǎo)致3 個(gè)位置中顆粒速度最小的區(qū)域從0.338 m 變化到0.198 m，表明隨著表觀氣速的增大，下部減速區(qū)位置逐漸下移。這一現(xiàn)象依然與局部固含率的變化緊密相關(guān)：隨著表觀氣速的提升，局部固含率單調(diào)減少[4]，濃相段下移，因此低固含率區(qū)域的下移導(dǎo)致了減速區(qū)位置的降低。從圖4(a)、(b)的比較可以看出，靜床高的影響要比氣速顯著，原因即是主導(dǎo)減速區(qū)位置的固含率分布對靜床高的變化更為敏感。

3 結(jié) 論

采用PV6D 型光纖探針對2 套湍動床冷模裝置中的顆粒速度與濃度分布進(jìn)行了測量，觀察到湍動流化床中存在上下兩個(gè)顆粒減速的特定區(qū)域。其中，上部減速區(qū)是由于擴(kuò)大段導(dǎo)致局部流速降低、顆粒濃度增大而產(chǎn)生的，與提升管頂部強(qiáng)約束型出口產(chǎn)生的減速區(qū)情況類似。流化段的高度決定了出口減速區(qū)的位置，進(jìn)而影響充分發(fā)展區(qū)與加速區(qū)的長度甚至存續(xù)與否。而下部減速區(qū)的產(chǎn)生源于過渡段固含率沿床高急劇降低，氣體流速隨氣含率增大而降低所導(dǎo)致的固體減速效應(yīng)。下部減速區(qū)的位置受靜床高與表觀氣速兩者影響，其變化規(guī)律與過渡段位置的升降趨勢一致。

符號說明

Ci——顆粒擬瞬時(shí)速度，m/s

D——床徑，m

H——距分布板高度，m

H0——靜床高，m

L——光纖探針兩光纖陣列間距，m

N——一次采樣的數(shù)據(jù)分段數(shù)

R——床體半徑，m

r——徑向位置，m

Ui——顆粒擬瞬時(shí)速度，m/s

Um——顆粒時(shí)均速度，m/s

ug——表觀氣速，m/s

εs——固含率

τ——顆粒渡越時(shí)間，s

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