气-固流化床鼓泡-湍动流型转变特性及流动控制研究

摘要

传统气固流化床因其具有较高的传质传热效率、能够处理大量颗粒以及操作不同粒径分布的颗粒系统等优势已被广泛应用于食品、冶金、能源、生化、环保等领域。其中，湍动流化床是工业应用最广泛的操作流型，然而目前对该流型的界定仍有较大的不确定性。流化床的优化设计、放大、稳定运行均受气-固流动形态的制约，深入理解流化床中气固两相的流动及相互渗透行为且通过计算有望实现流型转变特征的定量分析。基于此，本论文采用一种典型的GeldartA类颗粒-FCC颗粒，系统研究了流化床中鼓泡-湍动流型转变特性及气体分布器、内构件、流化床构型等对气固两相分散行为的影响，为探索气固两相的转换机制和动态变化以及此类反应器的优化设计和高效控制提供了理论依据和应用指导。　　针对气固两相混合的动力来源于气泡这一特性，本文首先在较低表观气速下（Ug=0~15mm/s）的鼓泡床流型中，在不同直径的流化床（ID=0.152m、0.267m）内研究了气固两相分布及其影响因素，探究了水平网式内构件对气固两相分布的影响，提出了浓相沉积速率随初始床高的变化方程，发现内构件使床层塌落过程中的线性脱气阶段起始时间延迟1.5~2倍。随后，通过瞬时压降（频率f=1000Hz）和瞬时固含率（频率f=20000Hz）的高频信号进一步研究了气固两相的混合特征，发现鼓泡-湍动流型转变属于局部气固两相的混合行为，且气固两相在湍动床流型中已分化为具有连续浓度梯度的浓相和稀相，据此本文创新地提出并验证了能够判断鼓泡-湍动流型转变的湍动指数（TI）法，有效地表征了流型转变过程中浓相和稀相之间的动态转换行为。　　其次，考虑到气泡在上升过程中不断聚并长大会极大地影响气固混合效率，本文通过研究微孔板（孔径1~2μm）和多孔板（孔径2mm）两种气体分布器和水平网式内构件的开孔率（50%、70%、90%）对气泡运动及分布的影响，分别从源头及流化过程中探究了控制气泡行为及两相混合的方法。研究发现，微孔板气体分布器（产生小气泡）使FCC颗粒的最小流化气速从2.05mm/s降低至1.9mm/s，并提高了气固流动的稳定性，多孔板气体分布器（产生大气泡）使流型转变提前发生且促进了气体的径向分散。局部固含率信号表明，网式内构件开孔率越小，流化床中心区域和底部区域稀相和浓相间的转换频率越高，小气泡的出现的几率越大，气相分布越均匀，且70%开孔率的内构件不但可以促进气固两相的均匀分布，而且对气固流动的阻滞作用也较小。　　最后，结合工业应用中存在不同结构床型这一实际情况，本文对比研究了圆形流化床（ID=0.267m）和方形流化床（S=0.368×0.368m）中鼓泡-湍动流型转变过程中局部气固流动结构的变化，分析了放大效应及床型结构对床层平均压降和瞬时固含率波动的影响。研究发现，尺寸较大的方形流化床中从中心到边壁具有更大的固含率梯度（-εs=0.15~0.5）、较高的相变频率（f=8~15）以及更稳定的流型转变过程。

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