丁 潔

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

?

氣-液-固三相逆流化床熱量傳遞研究

丁 潔

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

摘 要：在內(nèi)徑0.152 m，高2.5 m的氣-液-固三相逆流化床中系統(tǒng)研究了熱量傳遞特性特性。獲得了氣體和液體速度及聚乙烯和聚丙烯顆粒密度對(duì)內(nèi)置加熱器與床層間熱量傳遞系數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明密度相對(duì)高的聚乙烯顆粒的逆流化床的熱量傳遞系數(shù)比密度相對(duì)低的聚丙烯顆粒的逆流化床的熱量傳遞系數(shù)大；隨著氣體速度的增加，熱量傳遞系數(shù)增加。然而，隨著液體速度增加，熱量傳遞系數(shù)具有最大值。在熱量傳遞系數(shù)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的液體速度隨著顆粒密度或氣體速度的增加而降低。

關(guān) 鍵 詞：逆流化床；傳熱系數(shù)；傳遞

逆向流化過(guò)程是一個(gè)非常重要的研究技術(shù)，目前在生物化工、生物過(guò)程、食品、環(huán)境以及石油化工過(guò)程等領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速?gòu)V泛的關(guān)注［1-3］。然而，對(duì)于兩相和三相逆流化床，關(guān)于熱量傳遞方面的研究與動(dòng)力學(xué)方面研究相比更少［4］。近幾年，兩相和三相逆流化床在生物過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的關(guān)注，在生物反應(yīng)器或生物過(guò)程中準(zhǔn)確控制和維持溫度，為微生物提供良好的環(huán)境顯得至關(guān)重要［5］。為了進(jìn)一步豐富兩相和三相逆流化床在生物化工的應(yīng)用理論，系統(tǒng)研究三相逆流化床傳熱規(guī)律，為了設(shè)計(jì)和放大該類型反應(yīng)器奠定基礎(chǔ)。

在本文中，系統(tǒng)研究了兩相或三相逆流化床熱量傳遞現(xiàn)象規(guī)律，獲得了氣體和液體速度及顆粒密度對(duì)內(nèi)置加熱器與床層間熱量傳遞系數(shù)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為內(nèi)徑0.152 m和高2.5 m的有機(jī)玻璃塔，見(jiàn)圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

液體分布器安裝在主反應(yīng)器的頂部。液體由儲(chǔ)水槽經(jīng)過(guò)內(nèi)徑2.54 cm的管子通過(guò)液體緩沖部分進(jìn)入反應(yīng)器。液體分布器安裝在主反應(yīng)器和不銹鋼盒子間以保證液相往下流動(dòng)。在反應(yīng)器底部，氣體通過(guò)四個(gè)均勻間隙6.35 mm的管式氣體分布器進(jìn)入塔中，該管式氣體分布器含有孔徑1 mm的28個(gè)孔組成。

1.2 測(cè)試方法

氣體和液體流速由流量計(jì)測(cè)量，其數(shù)值大小利用在進(jìn)料和旁路管線的球形閥控制。

在逆流流化床的中心處，垂直安裝一個(gè)管殼式加熱器（內(nèi)徑25.4 mm×1.5 m長(zhǎng)度）。利用（J型）鐵-康銅熱電偶測(cè)量加熱器表面和流化床床體的溫度，這些熱電偶以15 cm的高度間隔安裝在塔中［6］。

根據(jù)外界提供熱量和加熱器表面與流化床床體間溫度差，利用下面方程確定熱量傳遞系數(shù)［7］。

式中:h — 熱量傳遞系數(shù)，J/（m2·K·s）；

Q — 熱量流量，J/s；

A — 加熱器表面積，m2；

Th和TB— 分別表示加熱器表面溫度和床層溫度，K。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水為連續(xù)液相，壓縮過(guò)濾空氣為氣相，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）珠為固相，它們密度分別為966.6和877.3 kg/m3，粒徑為4 mm。應(yīng)用Erma型接觸角測(cè)量?jī)x（model G-1， Japan）測(cè)量每個(gè)顆粒與水的接觸角。PP和PE顆粒的接觸角分別為84°和85°。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固逆流化床傳熱系數(shù)（h1）的研究

以PE和PP為固相，系統(tǒng)考察了不同液速對(duì)逆流化床傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2結(jié)果可見(jiàn)，隨著液體速度增大傳熱系數(shù)增大，然而，進(jìn)一步增大液體速度，傳熱系數(shù)減小，對(duì)以PE 和PP顆粒為固相的流化床，傳熱系數(shù)有一個(gè)極大值。該傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)流化床的變化趨勢(shì)非常相似［6］。傳熱系數(shù)隨著液體速度的變化具有最大值的原因是由于固含量和固體流動(dòng)行為的變化引起的。在較低液體速度范圍內(nèi)，顆粒不能充分流化，不能對(duì)熱量傳遞產(chǎn)生足夠湍動(dòng)。這樣，增加液速導(dǎo)致湍動(dòng)增加，從而引起傳熱系數(shù)的增加。然而，在較高液體速度范圍內(nèi)，進(jìn)一步增加液體速度，固含量降低很明顯。由于流化顆粒的存在，降低了湍動(dòng)程度。隨著液體速度進(jìn)一步增加，傳熱系數(shù)降低。

圖2 液體速度對(duì)液-固逆流化床傳熱系數(shù)（h1）的影響Fig.2 Effect of liquid velocity on hlin liquid-solid inverse fluidized beds

由圖2還發(fā)現(xiàn)，以PE為固相的傳熱系數(shù)比以PP為固相的傳熱系數(shù)高。這表明具有相對(duì)高密度的顆粒對(duì)傳熱更有效。

2.2 間歇三相逆流化床傳熱系數(shù)（h2）的研究

以PE和PP為固體顆粒，考察了不同氣體速度對(duì)間歇三相逆流化床傳熱系數(shù)（h2）的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 三相逆流化床氣體速度對(duì)傳熱系數(shù)（h2）的影響Fig.3 Effect of gas velocity on h2in three-phase inverse fluidized beds（UL=0）

在間歇過(guò)程（UL=0），顆粒僅僅通過(guò)氣體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)流化。由圖3可見(jiàn)，由于隨著氣體速度增加湍動(dòng)程度增加，所以，隨著氣體速度增加兩種顆粒條件下的傳熱系數(shù)均增加，且以PE為固相的傳熱系數(shù)比以PP為固相的傳熱系數(shù)高。隨著氣體速度增加氣泡大小和上升速度均增加，導(dǎo)致床層的湍動(dòng)強(qiáng)度隨著氣體速度增加劇烈增加。然而，間歇系統(tǒng)得到的傳熱系數(shù)（h2）值比連續(xù)系統(tǒng)得到的傳熱系數(shù)（h3）略低。

2.3 三相逆流化床傳熱系數(shù)（h3）的研究

圖4給出了氣體速度對(duì)三相逆流流化床中傳熱系數(shù)（h3）的影響規(guī)律。

由圖4結(jié)果可見(jiàn)，隨著氣體速度增加，傳熱系數(shù)（h3）幾乎呈線性增加。由于隨著氣體速度增加，鼓泡現(xiàn)象變得更加劇烈，氣泡與顆粒間傳質(zhì)傳熱阻力降低，增大了傳熱系數(shù)?？梢岳斫鉃椋弘S著氣體速度增加，三相床中氣固相間湍動(dòng)強(qiáng)度增加，增加了氣泡和氣泡聚并體的破裂程度，使得氣泡的數(shù)目增加，導(dǎo)致氣含率增加。為了強(qiáng)化傳熱，在條件允許的情況下，盡可能增加氣體的流量。

圖4 三相逆流化床氣體速度對(duì)傳熱系數(shù)（h3）的影響Fig.4 Effect of gas velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

圖5給出了液體速度對(duì)三相逆流流化床中傳熱系數(shù)（h3）的影響規(guī)律。

圖5 三相逆流化床液體速度對(duì)傳熱系數(shù)（h3）的影響Fig.5 Effect of liquid velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

由圖5可以看出，隨著液體速度增加，傳熱系數(shù)（h3）有一個(gè)最大值。與傳統(tǒng)三相流化床相比，三相逆流化床的傳熱系數(shù)（h3）的變化趨勢(shì)非常相似。這由于固含率降低及固體顆粒流型轉(zhuǎn)變?cè)斐傻摹Ｒ簿褪钦f(shuō)，在較高液體速度范圍內(nèi)，隨著液體速度增加，固含率降低非常明顯，導(dǎo)致流化顆粒與加熱器表面接觸概率下降，且接觸不充分，這樣，加熱器表面周圍液體薄膜不能有效破壞。所以，進(jìn)一步增加液體速度，導(dǎo)致傳熱系數(shù)（h3）降低。此外，在較高液體速度范圍內(nèi)，固含率降低勢(shì)必將減少散式流化范圍內(nèi)的湍動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)施干擾三相流化床中液相連續(xù)流動(dòng)的流體單元和上升氣泡措施，使得流化顆粒具有一個(gè)較大的湍動(dòng)勢(shì)能。

3 結(jié) 論

（1）以相對(duì)高密度的PE為流化顆粒的兩相或三相逆流化床中，傳熱系數(shù)大于以相對(duì)低密度的PP為流化顆粒的逆流化床。

（2）隨著氣體速度增加傳熱系數(shù)增加；然而，在液-固和三相逆流化床中，隨著液體速度增加，傳熱系數(shù)具有一個(gè)最大值。

（3）在兩相和三相逆流化床中，增加顆粒密度或氣體速度，傳熱系數(shù)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的液體速度降低。

參考文獻(xiàn)：

［1］Beristain-Cardoso R， Texier A C， Sierra-álvarez R， et al . Simultaneous sulfide and acetate oxidation under denitrifying conditions using an inverse fluidized bed reactor［J］. Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2008， 83（9）：1197-1203.

［2］Rajasimman M， Karthikeyan C . Performance of inverse fluidized bed bioreactor in treating starch wastewater［J］. Frontiers of Chemical Engineering in China，2009，3（3）：235-239.

［3］Sokol W， Woldeyes B . Evaluation of the inverse fluidized bed biological reactor for treating high-strength industrial wastewaters［J］. Advances in Chemical Engineering and Science， 2011， 1（5）：239-244.

［4］劉明言，孫冰峰，林瑞秦 . 三相流化床傳熱模型與計(jì)算式分析［J］.化學(xué)工程，2006， 34（1）：12-15 .

［5］劉明言，聶萬(wàn)達(dá)，姜峰，等 . 中藥更年安浸取液汽液固三相流自然循環(huán)蒸發(fā)濃縮［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2003，54（7）：1029-1131.

［6］Kang Y， Sun I S， Kim S D . Heat transfer characteristics of three-phase fluidized-beds［J］. Chemical Engineering Communication，1985，34（1）：1328-1332.

［7］林誠(chéng)， 林春深， 張濟(jì)宇 . 三相流化床間歇反應(yīng)器中固體軸向濃度分布［J］. 化工學(xué)報(bào)，2001，2（52）：3-7.

Study on Heat Transfer in Gas-Liquid-Solid Three Phases Inverse Fluidized Bed

DING Jie
（Qingdao Technical College， Shandong Qingdao 266555， China）

Abstract:A gas-liquid-solid three phases inverse fluidized bed with 0.152 m diameter and 2.5 m height was employed to investigate the characteristics of heat transfer. Effect of gas and liquid velocities and particle density （polyethylene and polypropylene） on the immersed heater-to-bed heat-transfer coefficient was determined. The results show that the heat-transfer coefficient in two- and three-phase inverse fluidized beds with relatively high density particles （polyethylene） is higher than that in the beds with relatively low density particles （polypropylene）. The heat-transfer coefficient increases with increasing of gas velocity. However， it exhibits the maximum value with increasing of liquid velocity in liquid-solid as well as three- phase inverse fluidized beds. The liquid velocity decreases with increasing of particle density or gas velocity when the heat-transfer coefficient reaches to the maximum value.

Key words:Inverse fluidized bed； Heat-transfer coefficient； Transfer

中圖分類號(hào)：TQ 051.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0253-03

收稿日期：2015-09-26

作者簡(jiǎn)介：丁潔（1967-），女，山東省濰坊市人，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于青島科技大學(xué)無(wú)機(jī)化工專業(yè)，研究方向：從事化工工藝開(kāi)發(fā)工作。E-mail：Dj5791@163.com。