馬小林， 張亞新

（新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，烏魯木齊830046）

0 引 言

鋯作為一種戰(zhàn)略性新興礦產(chǎn)資源，廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、核工業(yè)、電子、建材、醫(yī)藥、紡織以及日用品等領(lǐng)域［1-2］。鋯資源選礦產(chǎn)品統(tǒng)稱為鋯英砂（ZrSiO4），是生產(chǎn)金屬鋯的主要來(lái)源，其中，四氯化鋯（ZrCl4）作為重要的中間產(chǎn)物，是制備海綿鋯、氧氯化鋯等鋯產(chǎn)品的主要原料，我國(guó)是世界上鋯資源消費(fèi)大國(guó)，也是鋯資源進(jìn)口大國(guó)［3-5］。目前，我國(guó)主要采用鋯英砂直接氯化法生產(chǎn)鋯產(chǎn)品［6-9］，氯化法工藝是一個(gè)連續(xù)性的生產(chǎn)過(guò)程，氣固兩相在高溫（1 100℃）下發(fā)生氯化反應(yīng)；因流化床反應(yīng)器傳熱傳質(zhì)效率高，廣泛應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)中［10-12］；但常規(guī)的流化床反應(yīng)器一般是間歇性的，且流化床內(nèi)固體顆粒作為催化劑，反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)大量消耗，但氯化反應(yīng)過(guò)程中，鋯英砂作為反應(yīng)物參與反應(yīng)。

本文設(shè)計(jì)了一種在流化床頂部持續(xù)加料的流化床反應(yīng)器，以鋯英砂為原料，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，模擬研究流化床內(nèi)氯化過(guò)程中顆粒流態(tài)化行為和特性，從而為設(shè)備的工業(yè)放大提供參考。

1 流化床實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖，圖2為流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由流化床床體、供氣裝置、加料裝置以及數(shù)據(jù)采集與分析單元組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1.1 流化床床體

流化床床體由有機(jī)玻璃制成，主要由均風(fēng)器、反應(yīng)段、分離段、擴(kuò)大段以及用于增高的活筒組成。通過(guò)均風(fēng)器的氣體均分作用實(shí)現(xiàn)氣體在進(jìn)口截面速度均勻；當(dāng)氣體通過(guò)預(yù)裝在反應(yīng)段內(nèi)的粉體堆積層，隨著氣速增大，大部分顆粒在反應(yīng)段懸浮，較細(xì)小的顆粒被氣體攜帶至分離段和擴(kuò)大段。由于變徑，氣體速度降低，氣體的夾帶能力不足，因此實(shí)現(xiàn)了氣固分離的效果。

均風(fēng)器的作用是使流化床反應(yīng)器內(nèi)的氣體均勻分布，提高鋯英砂與反應(yīng)氣體的接觸面積。本文所設(shè)計(jì)的均風(fēng)器中心處設(shè)有中心管，作為排渣和進(jìn)氣孔；內(nèi)部填充拉西環(huán)的氣體分布器，上、下兩端設(shè)有氣體分布板，一方面起到支撐固體顆粒物料的作用；另一方面使物料處于均勻流態(tài)化狀態(tài)。

氣體分布板中心開(kāi)孔，與中心管套接，便于物料的卸載物料；氣體分布板開(kāi)孔率為15%，直徑為2 mm的圓孔開(kāi)在以分布板中心為圓心，繪制的同心圓上；填料為瓷質(zhì)的拉西環(huán)，尺寸為3 mm×3 mm×1.6 mm，裝填高度為100 mm，使3股進(jìn)氣均勻分布。

1.2 供氣裝置

供氣裝置主要為鋯英砂粉體提供流態(tài)化的動(dòng)力，以模擬鋯英砂在反應(yīng)過(guò)程中的流態(tài)化狀態(tài)。氣體經(jīng)過(guò)螺桿壓縮機(jī)壓縮輸出較高壓力氣體，背壓閥控制氣路壓力上限，氣體再由緩沖罐穩(wěn)壓，經(jīng)由渦輪流量計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)校正的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，從底部均風(fēng)器進(jìn)入到床體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)物料的流態(tài)化。其中螺桿壓縮機(jī)可控制氣體流量，量程為0 ～ 1.2 L／min。

1.3 加料裝置

加料裝置主要由料倉(cāng)、電動(dòng)機(jī)、螺旋加料器以及變頻器等組成。料倉(cāng)底部與螺旋加料器連通，由變頻器控制的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將物料從料倉(cāng)推動(dòng)到流化床頂部送入到床體內(nèi)，并與從底部的氣體相遇，實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加料量的控制。

1.4 數(shù)據(jù)采集與分析

數(shù)據(jù)采集與分析主要是通過(guò)傳感器采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表。壓力傳感器與溫度傳感器按一定間距分布在流化床床體的一側(cè)；現(xiàn)場(chǎng)儀表主要用于與計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，壓力傳感器量程為0～0.1 MPa；溫度傳感器量程為0～100℃；渦輪流量計(jì)量程為5～60 m3；輸出電信號(hào)均為4～20 mA電信號(hào)。數(shù)據(jù)分析主要利用WinCC軟件，軟件操作界面如圖3所示；該軟件實(shí)時(shí)記錄和輸出壓力、流量、溫度數(shù)據(jù)。

2 裝置的操作方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 操作步驟

鋯英砂粉體粒徑分布較粗，需要對(duì)不同粒徑的鋯英砂粉體進(jìn)行篩分，得到不同分級(jí)的粉體，從而開(kāi)展鋯英砂粉體的流態(tài)化特性的研究。

圖3 WinCC軟件界面

（1）篩分顆粒。選取20～200目的篩子，利用振篩機(jī)對(duì)鋯英砂粉體進(jìn)行篩分分級(jí)，分別貼好標(biāo)簽備用。

（2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。打開(kāi)預(yù)裝軟件，檢查是否能正常接收數(shù)據(jù)信息。

（3）調(diào)節(jié)背壓閥的壓力設(shè)定，將壓力值設(shè)置為0.1 MPa。

（4）物料填充。稱取一定質(zhì)量已篩分好的鋯英砂粉體，堆積到流化床內(nèi)，使其均勻的堆積在分布板上方，記錄此時(shí)的初始堆積高度。

（5）啟動(dòng)壓縮機(jī)。啟動(dòng)螺桿壓縮機(jī)，氣體經(jīng)由背壓閥進(jìn)入到緩沖罐內(nèi)，觀察緩沖罐壓力表示數(shù)，壓力穩(wěn)定在0.1 MPa左右。

（6）開(kāi)啟進(jìn)氣閥。當(dāng)緩沖罐壓力穩(wěn)定后，打開(kāi)緩沖罐出氣閥，氣體經(jīng)由轉(zhuǎn)子流量計(jì)以及渦輪流量計(jì)進(jìn)入到流化床內(nèi)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門，調(diào)節(jié)增量為0.2 m3／h，直到最大量程（升速曲線），并記錄物料膨脹高度。

（7）同步驟（6），在量程最大時(shí)，以調(diào)節(jié)增量為0.2 m3／h 反向調(diào)節(jié)，直到0（降速曲線），并記錄物料膨脹高度。

（8）打開(kāi)加料器開(kāi)關(guān)，向床內(nèi)送入一定質(zhì)量的鋯英砂粉體，重復(fù)上述步驟（5）～（7）。

（9）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉氣體壓縮機(jī)，開(kāi)啟卸料閥，更換下一組鋯英砂物料，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（4）～（8）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

目前流化床內(nèi)顆粒流態(tài)化機(jī)理，相關(guān)判據(jù)大多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行判定，通過(guò)阿基米德數(shù)Ar、顆粒雷諾數(shù)Repmf等［13］結(jié)合歐根方程來(lái)描述顆粒流態(tài)化過(guò)程：

式中：ρ為氣體密度，kg／m3；ρp為固體顆粒密度，kg／m3；μ 為氣體黏度，Pa·s；g 為重力加速度，m／s2；dp為顆粒等效直徑，m；Umf為起始流化速度，m／s。

根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式［13］：

判定起始流化速度的半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Δp為床層壓降，Pa；ε為床層空隙率，%；u為表觀氣速，m／s；L 為床層高度，m。

3 裝置在氯化鋯生產(chǎn)中的應(yīng)用

影響鋯英砂顆粒流態(tài)化的因素分為兩個(gè)方面：一方面為操作參數(shù)的影響；另一方面為結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

3.1 氣速對(duì)顆粒流態(tài)化特性的影響

氣固系統(tǒng)中，初始狀態(tài)下固體顆粒保持不動(dòng)，此時(shí)為固定床階段［14］。隨著氣速的增加，固體物料層狀態(tài)開(kāi)始變化，如圖4所示。隨著氣速的增加，流化床內(nèi)顆粒流態(tài)將從固定床階段轉(zhuǎn)變?yōu)樯⑹健⒐呐?、?jié)涌、湍動(dòng)直至氣力輸送過(guò)程。

圖4 流化床流態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖

氣速影響的因素主要包括床層壓降與膨脹高度。通過(guò)調(diào)節(jié)表觀氣速，測(cè)定床層壓降來(lái)確定物料的起始流化速度。根據(jù)不同高度的壓降計(jì)算流化床軸向固體體積分?jǐn)?shù)；在不同氣速下，測(cè)定床內(nèi)物料膨脹高度。

3.2 流化床床高對(duì)顆粒流態(tài)化特性的影響

反應(yīng)段是氯化反應(yīng)發(fā)生的主要場(chǎng)所。在流化床中，帶出床層表面的固體顆粒是由于通過(guò)床層上升的氣泡在床層表面破裂時(shí)而濺出的，其中大部分顆粒的沉降速度遠(yuǎn)大于操作氣速，因此這些顆粒在達(dá)到一定高度后就會(huì)重新沉降落回到床層中［15］。本文制作了3個(gè)高度為300 mm的活筒，在原有流化床高度的基礎(chǔ)上，通過(guò)在流化床上增加筒節(jié)的數(shù)量，探究流化床床高對(duì)顆粒膨脹高度的影響。

3.3 均風(fēng)器及噴動(dòng)流化床的影響

為探究均風(fēng)器形式對(duì)顆粒流態(tài)化的影響，設(shè)計(jì)了填料式與不銹鋼過(guò)濾芯式的氣體分布器，通過(guò)分析均風(fēng)器壓降以及進(jìn)氣孔數(shù)量，進(jìn)而探究其影響程度。

通過(guò)對(duì)進(jìn)氣方式的修改，將均風(fēng)器中心管（直徑φ30）作為噴動(dòng)流化床的噴動(dòng)氣進(jìn)口，底部3個(gè)孔作為流化氣進(jìn)口。中心管為高速氣流進(jìn)口，中心管與床體外壁形成的環(huán)隙空間為流化風(fēng)進(jìn)氣，進(jìn)而形成中心噴動(dòng)，環(huán)隙流化的狀態(tài)，其中環(huán)隙流風(fēng)使顆粒松動(dòng)，由噴射流夾帶，增加氣固間的接觸面積。

試驗(yàn)過(guò)程中，可以獲得該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的最小噴騰速度；調(diào)節(jié)氣速，改變噴射流夾帶能力，顆粒達(dá)到最高點(diǎn)，噴騰作用不再維持，此時(shí)的床層高度為最大噴騰高度；其次，床層壓降、底部死區(qū)高度以及物料回落區(qū)高度也是研究的關(guān)鍵。

3.4 頂部持續(xù)性加料的影響

由圖1可知，物料顆粒在擴(kuò)大段由螺旋加料器送至流化床中心，重力作用下沉降，在反應(yīng)段與底部初始填充的物料相遇混合并流化。粒徑較大的顆粒聚集在反應(yīng)段底部，較輕的顆粒經(jīng)由氣體夾帶，進(jìn)入旋風(fēng)分離器中并收集；大部分顆粒處在流化床密相區(qū)內(nèi)；通過(guò)調(diào)節(jié)受變頻器控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加料量的控制。研究與常規(guī)流化床不同，本試驗(yàn)平臺(tái)采用螺旋加料器從頂部持續(xù)性向流化床內(nèi)送入物料。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)搭建的鋯英砂流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有科研與教學(xué)兩用的特點(diǎn)：一方面，在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，可以開(kāi)展不同操作參數(shù)、物料特性對(duì)流化床內(nèi)顆粒起始流化速度、膨脹率以及床層壓降等特性的影響，實(shí)驗(yàn)所得操作參數(shù)可以為工業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)放大提供有效參考；另一方面，學(xué)生可以利用該裝置進(jìn)行普通的流化床實(shí)驗(yàn)以及噴動(dòng)流化床實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)透明的有機(jī)玻璃床體直觀地看到粉體在不同工況下的流態(tài)化特點(diǎn)，有效地加深學(xué)生對(duì)粉體流態(tài)化的進(jìn)一步理解。