劉阿珍, 張衛(wèi)義, 李漢勇, 李星波
(1. 北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部, 北京 100124; 2. 北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 北京 102617)
液-固流化床具有操作簡(jiǎn)單、 接觸效率高、 傳質(zhì)性好、 強(qiáng)化傳熱、 易于維護(hù)和控制等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在固體分離與分級(jí)[4]、 離子交換、 催化裂化、 濕法冶金、 污水處理[5]、 食品技術(shù)、 傳熱[6]和生物技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。液-固流化床的流體力學(xué)特性受流化床物料的性質(zhì)和流化速度等設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的影響[7-8]。在液-固流化床中,當(dāng)床層開(kāi)始膨脹或床層中全部顆粒與相鄰顆粒連續(xù)移位時(shí),液體的表觀速度為顆粒的最小流態(tài)化速度,也可以認(rèn)為是固定床向流化床過(guò)渡的速度[9]。通過(guò)測(cè)量床層壓降與液體表觀流速,并繪制出曲線,兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液體表觀流速即為顆粒的最小流態(tài)化速度。顆粒的最小流態(tài)化速度是液-固流化床設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。張衛(wèi)義等[10-11]以粒徑為0.7~2 mm為主,補(bǔ)充研究了計(jì)算顆粒最小流態(tài)化速度和終端速度的計(jì)算公式,結(jié)果顯示,對(duì)于粒徑小于2 mm的顆粒,其計(jì)算公式精度更高。沙杰等[12]研究了液-固流化床顆粒分選行為和顆粒特性,其中主要對(duì)粒徑為0.25~1.4mm的低密度煤和高密度的矸石進(jìn)行了顆粒在流化床中的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,顆粒的初始流態(tài)化速度隨著粒度和密度的增大而增大,與顆粒的靜床層高度無(wú)關(guān)。近年來(lái),國(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬仿真研究也探討了液-固流化床管徑和床層高度,與其內(nèi)部極細(xì)顆粒的最小流態(tài)化速度的關(guān)系[13],然而,鮮有對(duì)液-固流化床中,粒徑大于2 mm的較粗顆粒的最小流態(tài)化速度及影響因素的實(shí)驗(yàn)研究。
粒徑較大的顆??梢蕴峁└蟮膭?dòng)能, 從而減少顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。 在污水處理、 流化床換熱器除垢[14-15]等過(guò)程中, 常用粒徑較大的高耐磨性、 耐腐蝕性顆粒作為循環(huán)顆粒。 本文中選用的粒徑為1~3 mm的氧化鋁、 氧化鋯、 軸承鋼顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究不同粒徑的固體顆粒的最小流態(tài)化速度,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顆粒粒徑、顆粒密度對(duì)顆粒最小流態(tài)化速度的影響。并將實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,在Chen公式的基礎(chǔ)上,提出一組新的修正系數(shù),用于計(jì)算粒徑為2~3 mm顆粒的最小流態(tài)化速度,且精度更高。
實(shí)驗(yàn)裝置采用的是外徑為60 mm、 高度為1.45 m的單管液-固流化床,流化床管道為圓柱形有機(jī)玻璃立管,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)的流化介質(zhì)為液態(tài)水,顆粒加入到流化床底部,在流體的攜帶作用下沿流化床向上移動(dòng),形成顆粒流化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用3個(gè)浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)入口流量,2個(gè)壓力變送器測(cè)量入口和出口壓力,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)。利用該裝置進(jìn)行顆粒流態(tài)化實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集,研究液-固流化床顆粒的最小流態(tài)化速度。實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。保持初始床層高度不變(玻璃管高度的30%),對(duì)于每種材料進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn),得到 5種不同顆粒的最小流態(tài)化速度。
1、 3、 5—球閥; 2、 4、 6—浮子流量計(jì); 7—流化床; 8—壓力計(jì); 9—計(jì)算機(jī); 10—分布器; 11、 13—離心泵; 12—水槽。圖1 液-固流化床實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram of liquid-solid fluidized bed
表1 實(shí)驗(yàn)材料
顆粒之間的相互作用不能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)上的量化,因此,最小流態(tài)化速度目前大部分是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的。在眾多的經(jīng)驗(yàn)公式中, Ergun[16]提出一個(gè)固定床壓降的綜合關(guān)聯(lián)式,
(1)
式中:p為床層壓降, Pa;ε為空隙率;g為氣體重力加速度,m·s-2;μf為流體動(dòng)力黏度, Pa·s;d為顆粒直徑, mm; φ為顆粒形狀系數(shù);L為固定床層高度, m;ν為流體流速, m·s-1;ρf為流體密度, kg·m-3。當(dāng)流體速度達(dá)到最小流態(tài)化速度時(shí),床層壓降保持恒定,即
p1=L(1-ε)(ρ1-ρs)g,
(2)
式中ρs為固體顆粒密度,kg·m-3。
達(dá)到最小流態(tài)化的速度時(shí),式(1)、 (2)的壓降應(yīng)該相等,且ν=νmf、ε=εmf則有
(3)
式中:a1=150;a2=1.75;Remf為速度νmf對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù);Ar為阿基米德數(shù)。
引入新的參數(shù)C1與C2后可化簡(jiǎn)為
(4)
其中
(5)
(6)
隨后, 眾多的學(xué)者對(duì)式(4)進(jìn)行了修正, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了不同的C1、C2,其中比較有代表性的是Wen & Yu公式[17]中提出的C1=33.67,C2=0.040 8;由Chen公式[10]中提出的C1=33.8,C2=0.383; Richardson & Jeromino公式[18]中提出的C1=25.7,C2=0.036 5;可以采用上述經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)不同顆粒的最小流態(tài)化速度進(jìn)行理論計(jì)算。
圖2為不同顆粒床層壓降隨流體流速的變化曲線。取固定床壓降斜線和流化床壓降水平線的交點(diǎn)為最小流態(tài)化速度。由圖可以看出,在固定床階段,流化床內(nèi)的壓降與流體速度成正比。一旦床層到達(dá)流化床狀態(tài),壓降將保持不變,固定床壓降擬合線與流化床壓降擬合線的交點(diǎn),即為顆粒的最小流化速度νmf。在保證顆粒初始加入量相同的條件下,對(duì)每種顆粒進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn),對(duì)5組實(shí)驗(yàn)所得的最小流態(tài)化速度求取平均值,作為每種顆粒的最小流態(tài)化速度實(shí)驗(yàn)值。結(jié)果得出,粒徑為2 mm的氧化鋁、 氧化鋯、 軸承鋼顆粒的最小流態(tài)化速度分別為0.021 6、 0.036 7、 0.055 5 m/s,粒徑分別為1、 2、 3 mm的軸承鋼顆粒最小流態(tài)化速度為0.029 3、 0.055 5、 0.079 9 m/s。
5種不同顆粒的最小流態(tài)化速度實(shí)驗(yàn)值與Wen & Yu、Chen、Richardson & Jeromino公式計(jì)算值,如表2所示。計(jì)算得出的實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值吻合度較好,誤差在20%以內(nèi)。
a)氧化鋁(d=2mm)b)氧化鋯(d=2mm)c)軸承鋼(d=2mm)d)軸承鋼(d=3mm)圖2 不同顆粒床層的壓降隨流體流速的變化曲線Fig.2 Thevariationcurveofbedpressuredropwithfluidvelocityofdifferentparticles
表2 不同顆粒最小流態(tài)化速度的實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比
2.3.1 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比
粒徑為1、 2、 3 mm軸承鋼顆粒最小流態(tài)化速度的實(shí)驗(yàn)值,與Wen & Yu、Richardson & Jeromino和Chen經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比如圖3所示。實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值吻合度較好,誤差在20%以內(nèi)。Wen & Yu公式是多數(shù)理論公式的基礎(chǔ),在大多數(shù)情況下都適用,然而,當(dāng)d>1.5 mm,Remf>75時(shí),采用Wen & Yu公式誤差較大,需根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域選用修正的理論公式。Chen公式在Wen & Yu經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上提出修正,由圖3可知,在顆粒粒徑為1.5~2.5 mm以內(nèi),100
a)直徑對(duì)最小流態(tài)化速度的影響b)雷諾數(shù)對(duì)最小流態(tài)化速度的影響圖3 不同粒徑軸承鋼顆粒最小流態(tài)化速度的實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比Fig.3 Comparisonbetweenexperimentalvalueandcalculatedvalueofempiricalformulaofminimumfluidizationvelocityofparticleswithdifferentparticlesizes
針對(duì)以上現(xiàn)象, 對(duì)于粒徑較大的顆粒, 根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及課題組之前所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(直徑為2.6、 3.6 mm的硫酸鈣顆粒、以及直徑為2、 3、 4 mm的鑄鐵顆粒),采用最小二乘法,在Chen經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,提出C1=33.72,C2=0.421,計(jì)算公式為
(7)
實(shí)驗(yàn)得到粒徑為2.6、 3.6 mm硫酸鈣顆粒的最小流態(tài)化速度分別為0.029 6、 0.038 6 m/s,粒徑為2、 3、 4 mm鑄鐵顆粒的最小流態(tài)化速度分別為0.060 3、 0.084 7、 0.099 2 m/s。式(7)、 Wen & Yu、 Chen公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差及均方差,如表3所示。由表3可以看出,Chen公式對(duì)于粒徑較大的顆粒均方差較大,式(7)與Wen & Yu公式整體均方差相差不多,但當(dāng)顆粒粒徑大于2 mm時(shí),式(7)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相比誤差更小。
表3 d≥2 mm時(shí)公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差及均方差
通過(guò)式(7)和各經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得出不同粒徑軸承鋼顆粒的最小流態(tài)化速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖4所示。由圖可以看出,當(dāng)d>2.5 mm、Remf>175時(shí),Wen & Yu公式偏離實(shí)驗(yàn)值較大,式(7)的誤差更小。對(duì)于d>2.5 mm、Remf>175的顆粒,可以采用式(7)計(jì)算顆粒的最小流態(tài)化速度。
a)直徑的影響b)雷諾數(shù)的影響圖4 不同粒徑軸承鋼顆粒的最小流態(tài)化速度實(shí)驗(yàn)值與式(7)和各經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比Fig.4 ComparisonofexperimentalvaluesandcalculatedvaluesofEquation(7)andeachformulaofminimumfluidizationvelocityofbearingsteelparticleswithdifferentparticlesizes
2.3.2 顆粒粒徑、密度的影響
1)顆粒粒徑對(duì)最小流態(tài)化速度的影響。圖5為軸承鋼顆粒粒徑對(duì)最小流態(tài)化速度的影響。從圖可以清楚地看到,當(dāng)軸承鋼粒徑為1 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的顆粒流態(tài)化速度約為0.03 m/s;當(dāng)粒徑增大為3 mm時(shí),顆粒的最小流態(tài)化速度增加到接近0.08 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相一致,即床層高度及其他條件一致時(shí),同一種顆粒,隨著顆粒粒徑的增加顆粒的最小流態(tài)化速度增加。
2)顆粒密度對(duì)最小流態(tài)化速度的影響。圖6為顆粒密度對(duì)最小流態(tài)化速度的影響。由圖可知,當(dāng)顆粒的密度為2 364 kg/m3時(shí),5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的顆粒最小流態(tài)化速度為0.017~0.024 8 m/s;當(dāng)顆粒密度為4 123 kg/m3,顆粒的最小流態(tài)化速度為0.351~0.380 m/s;當(dāng)顆粒密度增加到7 729 kg/m3,顆粒最小流態(tài)化速度增加達(dá)到0.05~0.06 m/s。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了隨著顆粒密度的增大顆粒的最小流態(tài)化速度增大這一理論結(jié)果。
圖5 顆粒粒徑對(duì)最小流態(tài)化速度的影響Fig.5 Effectofparticlediameteronminimumfluidizationvelocity圖6 顆粒密度對(duì)最小流態(tài)化速度的影響Fig.6 Effectofparticledensityforminimumfluidizationvelocity
通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不同粒徑、不同密度的常用顆粒在液-固流化床中的最小流態(tài)化速度,并與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比并修正,得出如下結(jié)論:
1)實(shí)驗(yàn)得到粒徑為2 mm的氧化鋁、 氧化鋯、 軸承鋼顆粒的最小流態(tài)化速度分別為0.021 6、 0.036 7、 0.055 5 m/s,粒徑分別為1、 2、 3 mm的軸承鋼顆粒最小流態(tài)化速度為0.029 3、 0.055 5、 0.079 9 m/s, 并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了顆粒的最小流態(tài)化速度與顆粒粒徑、顆粒密度成正比這一結(jié)果。
2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值相對(duì)比得到,當(dāng)d<2.5 mm時(shí),顆粒的最小流態(tài)化速度的實(shí)驗(yàn)值與Wen & Yu、 Richardson & Jeromino和Chen等經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值相比偏差較小,都保持在20%以內(nèi);但當(dāng)d>2.5 mm時(shí),公式計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值,且誤差相對(duì)較大,因此,在Chen公式的基礎(chǔ)上,文中提出了一組新的修正系數(shù),即C1=33.72,C2=0.421,并與使用范圍較廣的Wen & Yu公式進(jìn)行對(duì)比得出,對(duì)于d>2.5 mm,Remf>175的顆粒,此修正系數(shù)具有更高的計(jì)算精度。