（化学工程专业论文）多层筛板流化床流化均匀性研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 多层筛板流化床流化均匀性研究 摘要 多层流化床的顶层不容易形成稳定理想的流化层，经常出现流化床层过高，严 重时还会出现类似气液塔的液泛现象。而最底层分布板，在操作中则刚好相反，常 出现流化床层过低，严重时不能形成流化床层，出现类似气液塔的干板现象。 本论文通过测定流化床料层压差研究了多层流化床顶层进料均匀性、进气及排 气方式对多层流化床流化料层高度均匀性的影响。结果表明，布料越均匀，上中两 料层高度越接近，且在低气速下易于形成较良好的流化层，但随着气速增大，其影 响逐渐减弱；在低气速下进气方式对中下两料层均匀性有较大影响，但随气速增大 影响也减弱，底部进气方式更易达到较好的料层均匀性；流化床的排气方式对流化 料层基本无影响。因此均匀的布料和较均匀的进气预分布有助于均化各料层高度， 并拓宽多层流化床的操作弹性。 本论文还采用盐水浸泡小米作为固体示踪剂，通过分别测定螺旋进料机和系统停 留时间分布，计算得到多层流化床的停留时间分布。考察了进料速率、表观气速等不 同因素对物料在多层流化床内停留时间分布影响。结果表明，多釜串联模型描述多层 流化床内的流体流动混合情况是合适的；表观气速和进料速率较小时，多层流化床返 混严重，接近于单个全混流，随着气速和进料速率增大，返混减小，釜数增大；多层 流化床返混与料层高度直接相关，料层越高，釜数n 越大，返混越小；表观气速对返 混的影响比进料速率更明显。 关键词：多层流化床，均匀性，停留时间分布 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo ft h ef l u i d i z a t i o nu n i f o r m i t y i nam u l t i s t a g ef l u i d i z e db e d a b s t r a c t a tt h et o pp l a t eo ft h em u l t i s t a g ef l u i d i z e db e d ，i tw a sn o te a s yt of o r m as t a b l ea n ds u i t a b l es o l i d s f l u i d i z a t i o nh e i g h t ，f r e q u e n t l yah i g hl a y e r f l u i d i z e db e d ，a n ds e r i o u s l yi tw i l lo c c u rt h es o l i d sp a n - t o w e rp h e n o m e n o n s i m i l a rt ot h el i q u i dp a n t o w e ri ng a s l i q u i dt o w e r s o p p o s i t l y ，a tt h eb o t t o m p l a t e ，i to r e na p p e a r st o ol o wl a y e rt of o r maf l u i d i z e db e d ，w h i c ho c c u r s d r yp l a t ep h e n o m e n o ns i m i l a rt ot h el i q u i dp a n - t o w e r i nt h i s p a p e r , i tw a ss t u d i e db ym e a s u r et h ep r e s s u r e so ff l u i d i z e d m u l t i p l eb e d st h a tt h es o l i d si n p u td i s t r i b u t i o n ，g a si n l e ta n dg a se x h a u s t e f f e c t e do nt h eu n i f o r m i t yo ff l u i d i z e db e dh e i g h t si nt h em u l t i s t a g e f l u i d i z e db e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n p u ts o l i d sd i s t r i b u t i o nw a sm u c h m o r eu n i f o r m ，t h et o pb e dh e i g h t sw a sm u c hm o r en e a rt h em i d d l eb e d h e i g h t s ，a n d f l u i d i z a t i o nw a sf o r m e dm u c hm o r ee a s i l yi nal o wg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t y ，b u tt h e e f f e c tg r a d u a l l yd i e dd o w nw i t ht h eg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t yi n c r e a s e d t h em o d e so fg a si n l e tg r e a t l ya f f e c t e dt h e u n i f o r m i t yo ff l u i d i z e dh e i g h t so f t h em i d d l ea n db o s o ms t a g e si nal o wg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t y ，b u t t h ee f f e c tg r a d u a l l yd i e dd o w nw i t ht h eg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t yi n c r e a s e d t h eu n i f o r m i t yo ff l u i d i z e db e dh e i g h t sw a s i i 浙江工业大学硕士学位论文 b e t t e rb yt h eb o t t o mg a si n l e tt h a nb yt h es u r r o u n d i n gg a si n l e t ，b u tt h eg a s e x h a u s th a df e wi n f l u e n c ef o rt h ef l u i d i z e d l a y e r t h e r e f o r ee q u a b l y s c a t t e r i n gs o l i d sa n dg o o dg a sp r e - d i s t r i b u t o rc a nh e l pt ou n i f o r mt h es o l i d s h e i g h ti na l ls t a g e s ，a n de n l a r g em a n i p u l a t i o ne l a s t i c i t yo ft h em u l t i s t a g e f l u i d i z e db e d t h er t do ft h em u l t i s t a g ef l u i d i z e db e dw a sc a l c u l a t e db yt h er t do f t h es c r e wf e e d e ra n dt h es y s t e mw h i c hw e r em e a s u r e db yt h es o l i d sp u l s e t r a c e rm e t h o d t h es o l i d st r a c e rw a sm i l l e t - s e e dm a r i n a t e db yb r i n e ，w h i c h c o n c e n t r a t i o nw a sd e t e r m i n e db ym e a s u r e m e n te l e c t i cc o n d u c t i v i t yo ft h e s o l u t i o n i tw a ss t u d i e dt h e s o l i d sf e e dr a t ea n dg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y a f f e c t e ds o l i d sr t di nt h em u l t i s t a g e lf u i d i z e db e d t h er e s u l t ss h o w e dt h e t a n k s - - i n - s e r i e sm o d e lw a ss u i t a b l et os i m u l a t et h er t do fm u l t i s t a g e f l u i d i z e db e d w h e nt h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n ds o l i d sf e e dr a t ew e r e l o w e r , t h eb a c k m i x i n go fm u l t i s t a g ef l u i d i z e db e dw a sm u c hm o r es e r i o u s ， w h i c h w a sa l m o s ts i n g l ec s t r w h e nt h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n ds o l i d s f e e dr a t ei n c r e a s e d ，t h eb a c k m i x i n gw a sm i n i s h e da n dt h en u m b e ro ft a n k s w a se n l a r g e d i ta l s ow a sf o u n d e dt h a tt h eb a c k m i x i n go fm u l t i s t a g e f l u i d i z e db e dw a sd i r e c t l yc o r r e l a t e dw i t ht h es o l i d sh e i g h ti nt h eb e d ，w h i c h t h eh e i g h ti sh i g h e r ，t h en u m b e ro ft a n k si sb i g g e ra n dt h eb a c k m i x i n gi sl e s s ， b u tt h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t yh a do b v i o u s l ym u c hm o r ei n f l u e n c et h a nt h e s o l i d sf e e dr a t e k e yw o r d s ：m u l t i s t a g ef l u i d i z e db e d ，u n i f o r m i t y ，r t d i i i 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 m 各径向位置单位面积物料质量k g 坂平均单位面积物料质量k g 日各径向位置物料高度m 以各径向位置平均物料高度m 仃2 布料均匀性方差 卸床层料层压差p a 锄料物料密度k g 一 g 床层空隙率 g 重力加速度9 8 m s 吨 层床层料层高度m “表观气速m s - 1 g 进料速率g i n - 2 s q 仍e 中两层料层高度比 仍下中两层料层高度比 仃2 停留停留时间分布方差r a i n 2 乙斗局停留时间 m i n 刃无因次停留时间分布方差 ，电导率 反应釜数 v i 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章前言弟一早日i j 甬 多层流化床是在单层流化床的基础上发展而来的，与单层流化床相比气体与固 体颗粒完全实现了逆流流动，热质传递更加充分，具有能量单程利用率高、产品湿 含量( 或转化率、温度等) 均匀等特点【l 铆，目前已在化工、轻工、医学、食品以及 建材等领域得到了较广泛的应用。 在多层流化床运行过程中，经常会出现顶层流化物料过高，底层过低，不同床 层的流化物料存在高度差，影响了床层正常的流化状态 4 1 。对于伴有传热或其它反 应过程，这种不正常流态化现象的出现，势必会影响最终产品收率，同时也给多层 流化床的设计放大造成了困难。目前，常用的方法是通过改变筛板的开孔率来调整 各层的物料流化高度，但此种方法不能从根本上解决该问题，实际应用存在一定困 难。根据分析，造成顶层和底层流化高度异常可能是由于顶层进料和底层进气所引 起。因此考察进料和进气均匀性对多层流化床各层物料流化的影响，对于解决上述 问题是非常必要的。 为了了解多层流化床中颗粒的具体运动情况，对多层流化床中固体停留时间分 布进行了实验研究，得出料速、气速等因素对其的影响，并建立多釜串联模型来描 述多层流化床内颗粒的流动混合情况。 浙江工业大学硕士学位论文 2 i 多层流化床基础理论 2 1 i 流态化技术简介 第二章文献综述 帚一早义陬琢硷 在现代石油、化工、能源、轻工、冶金、材料、环保工业中，有大量的颗粒和 粉末状的固体物料被作为原料、催化剂及能源使用。这些散状固体物料在加工、贮 存、输送过程中与气体和液体物料相比有诸多的不便之处，如何使上述散状固体物 料也具有一定的流动性能，是许多工程技术人员的愿望。 早在天工开物( 宋应星1 6 3 7 ) 中就记载了采用不断颠簸的方法，大幅度的 减少粒子间的内摩擦力的作用，使谷物具有一定的流动特性，达到与沙粒分离的目 的。这一原理至今仍在摇床选矿过程中得到应用，可以称为固体流态化技术的雏形。 近代固体散料的流态化技术是把固体散料悬浮于运动的流体之中，使颗粒与颗 粒之间脱离接触，从而消除颗粒间的内摩擦现象，达到固体流态化的目的，但是由 于悬浮的条件不同，使得固体散料悬浮的状态也不同，即出现种种不同的流态化现 象。随着作用于颗粒群的流体流速的逐步增加，流态化将从散式流态化，历经鼓泡 流态化、湍动流态化、快速流态化，最终进入流化稀相输送状态。 2 1 1 1 流态化技术的发展沿革及其工业应用 流态化技术的首次大规模地在现代工业上的重要应用，是由w i n k l e r 用于粉煤 气化的气一固流化床开始的。这一方法在1 9 2 2 年获得专利，其第一台煤气发生炉已 有较大规模的( 炉高1 3 m ，截面积1 2 m 2 ) 。1 9 2 7 年德国又开发了以褐煤生产机动车 燃料油的b e r g o m - p i e r 气一固一液三相流化床技术，并达到2 8 0 0 桶d 的规模。但是 由于当时这些过程在技术上尚不完备，又恰逢人们对能源的利用正转向石油，使得 这些技术的应用逐渐中断。 第一套石油催化裂化流化床反应器于1 9 4 2 年在美国建成，处理能力为1 7 0 0 t d 。 由于其技术上的合理性及大量的工业需求，该反应器很快在全世界范围内普及，它 2 浙江工业大学硕士学位论文 的改型体至今仍是最有价值的工业流化床反应器之一，并且被广泛借鉴应用于其它 领域。 我国对于流态化的技术的最早的研究是汪家鼎院士关于流化床褐煤低温干馏 技术的研究。有关该研究的报道亦成为我国学术刊物上最早介绍流化床技术的研究 论文，也是世界上将流态化技术的开发转向煤化工的先驱之一。当时对流化床技术 的优势( 如：设备内温度均匀，可以使用细小颗粒，易于连续操作等) 和发展前景 已有了相当深入的认识。而1 9 5 5 年南京化工公司的黄铁矿焙烧生产二氧化硫1 9 5 7 年葫芦岛流化焙烧精锌矿，以及萘氧化生产苯二甲酸酐等技术是我国最早使用的流 化床反应器的工程实例。目前流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国民经济的 许多部门，在化工、炼油、冶金、能源、原子能、材料、轻工、生化、机械、环保 等各领域中都可找到它的卓越贡献。 流态化的物理过程应用常见于干燥。现阶段的许多生产部门，在其物料或制成 品的工艺加工过程中一般都需经过干燥处理。单层流化床干燥的缺点在于干燥后所 得产品湿度不均匀，为了改正此缺点，出现了多层流化床干燥器。多层流化床干燥 器是广泛使用的一种干燥设备，是耗能的主要工序。它采用多块气体分布板，将流态 化颗粒分隔成若干层，用以实现气、固逆流操作，增加过程的推动力。由于气体分布 板抑制了床内气体及颗粒的混合，改善了气相与颗粒的停留时间分布，气体的再分 布使大气泡变小。从而实现了降低扩散阻力，强化传热、传质过程，提高产量和干燥 质量，节约能源的目的。对于多层流化床干燥器而言，颗粒可认为是理想混合，层间 基本上没有或仅有很少量的颗粒返混。在结构上讲，其结构紧凑，占地空间小，设备 成本降低。但是多层流化床干燥器也有自身的缺点，其每一流态化层均有稀相分离 空间及浓相流态化区构成，因而床层有效空间较小，设备利用率较低，当每一流态化 层中浓相区增高时，床层稳定性变差。目前还没有统一的多层流化床干燥设备的设 计系统及其传热传质理论的体系解释。 2 1 1 2 流态化技术与其它同类技术的比较及其优缺点 ( 1 ) 流化床的优点 由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流一固相界面积大( 可 高达3 2 8 0 至1 6 4 0 0 m 2 m 3 ) ，有利于非均相反应的的进行，提高了催化剂的利用率。 浙江工业大学硕士学位论文 而固定床与移动床所使用的固体颗粒要大很多( 大约两个数量级) ，因此单位体积 设备的生产强度要低于流化床。 由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与 内浸换热表面间的传热系数很高( 2 0 0 至4 0 0 w ( m 2 k ) ) ，全床热容量大，热稳定性 高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化 床的重要原因之一。 流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量的从装置中移出，引入，并 可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应一再生、吸热一放热、正反应一逆 反应等反应耦合过程和反应一分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程 中使用。 流体与颗粒之间传热、传质速率也较其他接触方式为高。 由于流一固体系中空隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致 在很宽的范围内均能形成较浓密的床层，所以流态化技术的操作范围宽，单位设备 生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。 正因为有以上显著的优点，所以流态化技术在许多情况下是不可取代的，并且 得到越来越广泛的应用。 ( 2 ) 流化床的缺点 多相流系统规律复杂，过程的工程发达技术难度较大。 经常采用的传统流态化反应器中，大气泡的的存在易造成气体短路，再加上 床内返混明显，是气体严重偏离活塞流。在要求气体转化率高时，对反应的影响较 为明显。 固体颗粒在传统流化床中混合激烈( 近似为理想混合) ，所以在固体连续移 出、引入时，其停留时间分布不均，降低了固体的出口平均转化率。 采用高速操作的快速循环流态化技术可以使许多上述缺点得到改善，但是由 于块床中两相接触时间变短，故只适用于反应速率高的过程。又因为快速床内颗粒 浓度较低，使热量移出、移入的能力下降。 有颗粒磨损现象，细颗粒容易被气流夹带，需要有较强的流、固分离能力的 的装置与之匹配，在用贵金属作催化剂时，需要格外慎重地选择有效的分离器。 4 浙江工业大学硕士学位论文 颗粒对设备有一定的腐蚀作用，特别是采用硬度大，非球形矿石操作时，尤 其要加以注意。 上述这些缺点有些正是移动床和固定床的主要优点，所以上述三种不同接触方 式的装置得以共存。 另外，上述流化床的这些缺点大部分可以针对特定的工艺要求，通过选择适当 的流型( 如湍动床、快速床等) ，适当的反应器结构( 如加入各种形式的内构件等) ， 适当的操作方式( 如多层、多级、逆流、错流等) 或能量引入的办法来加以克服， 这也就是不同工艺的流化床反应器结构和操作条件千变万化的原因【5 】。 2 1 2 多层流化床简介 单层流化床中，物料处于完全混合状态，物料与容器之间、物料之间碰撞严重， 对物料表面性能影响大。在单层流化床中部分物料从加料口到出料口，可能走短路 而直接飞向出口，而部分物料则在设备内停留时间过长，这就造成了物料在流化床 中传热、传质不均匀。为了改善物料在单层流化床中停留时间的不均匀性出现了多 层流化床。多层流化床与单层相比，在停留时间分布上较单层均匀，因此实际需要 的停留时间远比单层的少，在相同条件下设备体积可相应缩小，产品较为均匀，产 品质量也较好控制。多层流化床采用多块气体分布板，将流态化颗粒分隔成若干层， 用以实现气、固逆流操作，增加热质传递过程的推动力。由于气体分布板抑制了床 内气体及颗粒的混合，改善了气相与颗粒的停留时间分布，气体的再分布使大气泡 变小。从而实现了降低扩散阻力，强化传热、传质过程，提高效率，节约能源的目 的。多层流化床在结构上讲，其结构紧凑，占地空间小，设备成本降低，类似板式 樾【6 1 8 】 ，日 o 2 1 2 2 多层流化床的分类 ( 1 ) 溢流管式 溢流管式多层流化床可分为内置溢流管式和外置溢流管式两种。 内置溢流管式多层流化床在许多文献已有报道【9 d 3 1 ，图2 一l 中所示的就是该流 化床的一种。这是借安装在每一层内的溢流管，使物料从上一床层移动至下一床层 5 浙江工业大学硕士学位论文 的连续多层型流化床。流化床层内物料按溢流管与床层间的压差，通过溢流管进入 下一层。气体的吹入与排出则分别在每一层进行。 图2 - 2 中所示的就是外置溢流管式流化床的一种。外置溢流管式多层流化床是 把溢流管设置在流化床体外而形成的。在对双层流化床的研究中发现，外溢流管的 设置，增加了双层流化床的操作稳定性，表现在当上下两层密相高度相同时，可以在 一定范围内改变气速，而密相高度及其压降不发生变化。这种调节能力在一定范围 内随溢流管与床直径之比的增加而增加。在双层流化床中操作，存在上层密相高度 低于或等于下层密相高度的两种稳定状态，以及上层密相高度高于下层密相高度或 下层不存在密相的两种不稳定状态。通过控制气速，可使双层流化床处于适当的操 作状态。 掌 图2 - 1 内置溢流管式多层流化床的一种 f i g2 - 1m u l t i s t a g ef l u i d i z e db e dw i t h i n t e r n a ld r a f tt u b e s 图2 - 2 外置溢流管式多层流化床的一种 f i g2 - 2m u l t i s t a g ef l u i d i z e db e d w i t h e x t e r n a ld r a f tt u b e s 对于外置溢流管式流化床，这种型式的特点是，由于连接上下两层的物料排出 斗和旋转阀与进气不接触，所以不会因粉尘造成故障，但存在流化床分布板堵塞和 旋转阀的气封等问题。 最通常的一种阀是l 阀，如图2 - 1 所示。它实际上是用一段水平管将密相下料 管与稀相提升管连接起来，然后在靠近l 形的下端附近送入辅助气( 或称松动风) ， 结构十分简单。郑恰时等【1 4 】曾对l 阀内的两相流动特性进行了研究，认为当松动风 6 浙江工业大学硕士学位论文 量超过一定值后颗粒才被输送，而在正常流动工况下固体流率随松动风量( 或阀压 降) 成线性关系变化。但如气量太大，则会在水平管部位出现活塞状脉动流，影响 操作的稳定性。许国良等【1 5 】的研究亦指出l 阀的辅助气量存在最小临界值。及最 大临界值q 嘲。，超过吐后，颗粒流量不再随辅助气流量的增加而增加。 另一种气控阀为v 形阀，图2 2 中所示的就是该阀的一种1 1 6 1 ，此种结构的基本 原理是在溢流管中，通入流化气体，形成流化床或移动床，向上输送颗粒物料，排 出溢流管。其特点如下：物料在溢流管中呈流化状态，因而不易出现架桥、卡料 等现象。当不加料时，溢流管里不排料状态，多层床仍能维持正常操作，此时料 斗呈浓相床，形成料封，阻止流化床中气体窜入溢流管；在一定的溢流管气体量 条件下，加料速率有较宽的范围；该溢流管无机械传动部件，适于高温操作。但 采用此装置运转的条件范围不宽。王正南【1 7 】曾将进入的辅助气流分成二路，一路送 入立管，另一路斜向送入出料管的上升段，效果有所改进。 辅助气 l 阀 图2 - 3l 形阀的一种 f i 9 2 - 3 l v a l v e ( 2 ) 穿流板式 稀相提升管 提升气 图2 - 4v 形阀的一种 f i 9 2 - 4 v v a l v e 穿流式多层流化床在许多文献中已有报道【1 8 。2 9 】，图2 5 中所示的就是该流化床 的一种。该装置在沿轴向上等间距地装设孔径为物料粒径几倍的多孔板，并在多孔 板上形成流态化层。物料通过多孔板的孔落下，进气则通过同一多孔板的孔吹入上 一层。气体由下一层床层的下部送入，在每一层中与物料逆流接触，形成流化床， 7 浙江工业大学硕士学位论文 并由器顶逸出。另一方面，从器顶最上一层加入的物料，则由多孔板中落下，一面 依次向下一床层移动，并由最下一层床层作为产品排出。对于这种形式来说，各层 床层形成流化床的风速随粒径等的变化不大，故与粉状物料相比，粒状物料更易稳 定运行。 图2 5 穿流式多层流化床的一种 f i g2 - 5 d u a l f l o wm u l t i s t a g ef l u i d i z e db e d ( 3 ) 多层串联式 多层串联式是将连续单层流化床串联起来，目前在国外已得到了应用【3 0 4 5 1 。与 连续单层型的不同点是，由于装有搅拌流态化床层的装置，故毋需将湿物料预干燥， 可直接加入流化床。同时，因可防止颗粒物料返混，故滞留时间分布窄，具有前述 多层流化床同样的优点。 2 1 2 3 多层流化床的不足 单层流化床总的来说是一个很好的混合系统，近似于全混流。当一个系统需要 气体与固体逆流流动时，就要采用几个串联的单层床。在采用多层流化床时有着显 著的优点，同时也会存在一些不足，主要有以下三个方面： ( 1 ) 固体循环 在单层床中，由于气泡的喷爆把固体射进自由空域以及细物料的直接夹带，造 成了相当数量的固体带出，但是床层还能顺利运转，截面积比床层大的、比较深的 自由空域能够减少带出量。 在多层流化床中，因为装置的总高度有限，所以每一个床层上面的自由空域不 8 浙江工业大学硕士学位论文 能象单层流化床那么深。除非在层与层之间安装旋风分离器，不然固体往往就顺着 气流而运动，造成各个床层之间的固体循环，恶化了多层床的效果。 ( 2 ) 分布器堵塞 气流里夹带的固体粉末沉积在邻近床层的分布器上就会造成许多困难，使得分 布器的压降逐渐升高，等到系统的总压降超过鼓风机的能力时候，就不得不停车清 理。在某些情况下，多层床层之间的旋风分离器对于减轻分布器堵塞与固体循环是 有效的。 ( 3 ) 层间固体传递 早期的多层流化床装置往往沿用蒸馏塔的经验，用围堰和溢流管固体从一层传 递到另一层。在装置启动的时候，这种技术是有问题的，因为在围堰和溢流管里， 气体上升优于固体下降，同时，采用这种结构的装置在运转过程中改变床层间固体 高度是有困难的。 2 1 2 4 多层流化床的应用 多层流化床广泛适用于化工、轻工、医药、食品、塑料、粮油、矿渣、制盐、 烟糖等行业的粉状、颗粒状物料的干燥、冷却、增湿等作业，同时还可用于干燥， 具体物料如：柠檬酸、味精、硼砂、硫铵、复合肥、萝卜丝、豆粕、酒糟、种子、 矿渣、砂糖等5 7 1 ，多层流化床应用于干燥其主要特点是： ( 1 ) 被干燥物料与干燥气体依次在多个流化床进行充分接触； ( 2 ) 物料与气体接触均匀，提高了物料干燥程度。它能大大缩短烘干时间； ( 3 ) 干燥气体在穿过多层流化床时，其热能能逐级得到重复利用，可显著降低 干燥机的能源消耗； ( 4 ) 干燥质量高，流化床内温度分布均匀，避免产品的任何局部过热。物料 在床层中形成活塞流，克服了普通流化床的反混现象，使物料干燥均匀。 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 多层流化床固体停留时间分布基础理论 2 2 1 流化床停留时间分布的背景 由于流体在流化床中流速分布的不均匀、流体的分子扩散和湍流扩散、搅拌而引 起的强制对流、以及由于设备设计和安装等问题而产生的死区、沟流和短路等原因， 流体粒子在系统中的停留时间有长有短，有些很快便离开了系统，有些则经历很长一 段时间后才离开，从而形成了停留时间分布( r t d ) 。关于流化床中颗粒混合的研究， 由于其实验技术的困难性，目前发表的实验结果甚少，表2 - 1 列出了主要的研究成果。 表2 - 1 流化床中颗粒混合的研究 t a b2 - 1 s t u d yo fs o l i d sm i x i n gi nf l u i d i z e db e d l o 浙江工业大学硕士学位论文 关于流化床固体停留时间分布的研究主要集中在二十世纪六十年代至七十年代， 研究对象主要是气固流化床。p a t i e n c e ( 1 9 9 1 ) 采用放射性砂作为示踪剂，脉冲注入 得到停留时间分布曲线，并且建立了一个一维扩散模型描述循环流化床内固体颗粒停 留时间分布；魏飞等采用磷光颗粒示踪法对内径1 4 0 m m 、高l o m m 的循环流化床提升管 内固体颗粒停留时间分布进行了实验研究：王勤辉等在2 0 0 r a mx2 0 0 m m 气固循环流化 床试验台上利用脉冲示踪剂法进行了固体颗粒停留时间分布实验，并基于循环流化床 内特殊的核心边壁区流体动力结构，建立了用于描述循环流化床内气固流动结构 特征的停留时间分布模型。许国军等基于对液固流化床流动特性的观察，从二相流理 论出发，提出了液体流动和颗粒循环模型，并在中1 0 4 m m x1 5 0 0 m m 的流化床内进行停留 时间分布实验证实了模型的可行性【5 8 1 。 流化床停留时间分布的应用主要是两个方面：一是对已有的操作设备进行停留时 间分布的测定，以分析其工况，提供改进操作性能的有用信息。这方面的应用是诊断 性的，对操作性能不佳的设备可能提供某些改进方向和措施。例如可通过通过对r t d 数据的分析可以了解到流化床内可能存在的沟流、死区、短路等非正常流动现象。另 一方面的应用是通过对物料在流化床内r t d 的测试建立合适的流动模型，作为进行物 料、热量以及动量衡算的基础，为流化床合理设计提供理论基础。 2 2 2 流化床停留时间分布的影响因素 对流化床停留时间分布的影响因素有流化气速、物料流量、床高、粒径等，以下 是对各因素的介绍： ( 1 ) 流化气速： m o r r i s 在2 2 8 6 m m ( 9 i n ) 的柱形流化床内，粒度为1 5 0 至u 3 0 0 um 的玻璃球，测定 床内的r t d 。根据流化气速的不同将颗粒在床内的r t d 分为两种类型。( 1 ) 当u 1 5 u 村时，颗粒在床内的运动近似为 全混流，只有少数粒子短路。t a i l b y 的设备为3 2 m 的柱形流化床，物料为玻璃球。虽 没给出物料的粒度范围，但给出了起始流化速度为0 0 0 7 6 m s ( 0 0 2 5 f t s ) ，可以肯定 浙江工业大学硕士学位论文 为小颗粒物料。在气速6 1 2 u 耐的范围内，气速增加对颗粒在床内的流动没有太大的 影响。由此可见，对于小颗粒流化床而言，在起始流化速度附近，随气速的增加，颗 粒在床内的流动状态变化很大，继续增加气速，颗粒在床内的混合仍在加剧，但其变 化趋势减缓。 ( 2 ) 物料流量： t a i l b y 的实验结果表明，物料流量对流动形式有显著的影响。随着流量的增加， 趋向于活塞流。m o r r i s 的研究表明流量对r t d 影响可以忽略，其原因主要是m o r r i s 所 取的流量相对于床内持料量来讲较小，其床内持料量为0 0 3 m 3 - o 2 m 3 ，物料流量为 0 0 0 1 0 0 0 2 m 3 m i n 。 ( 3 ) 床高： m o r r i s 实验结果表明，在顶部进料、底部出料的情况下，随着床高的降低，物料 短路的比例增加。t a i l b y 的实验结果表明，在高径比4 - 1 6 的范围内，床高的变化对颗 粒在床内的流动形式影响很大。随着床高的增加，床内的流动趋向于活塞流。 ( 4 ) 粒径： n i l s s o n 在纵向流动流化床内( 2 i m x o 。2 m ) 对四种不同粒径( 0 。1 - 4 m m ) 的物料r t d 进行测定，并用一维纵向扩散模型，较好的拟合了实验数据。扩散系数由实验数据的 标准偏差求得。随着粒径的增加，扩散系数变小。纵向混合程度降低。n i l s s o n 认为 由于随着粒径的增大，气泡相的流率下降，而气泡是引起物料在床内混合的主要因素 0 9 6 0 1 。 2 2 3 流化床停留时间分布的定量描述 停留时间是指流体粒子从进入系统起到离开系统止，在系统内所停留的时间。流 体粒子在系统中的停留时间分布是一个随机过程，按照概率论，可用两种概率分布规 律来定量描述在流动系统中的停留时间分布，这就是停留时间分布密度函数与停留时 间分布函数【6 1 1 。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 。 图2 - 6 停留时间分布函数 f i g 2 - 6r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v e 对于脉冲法，在时间t = o 时输入脉冲示踪剂，连续检测反应器出口流体中示踪剂 的浓度，可以得到一条连续的停留时间分布曲线，如图2 - 6 所示。其中斜线所示的面 积e ( t ) d t ，表示在时间t 和，t + d t 之间离开系统的粒子占t = o 时进入系统的流体粒子的 分率。根据概率论可知，e ( t ) d t 表示停留时问介于t 到t + d t 之间的流体粒子在系统内 的概率。由此可见e ( t ) 是停留时间的函数，和系统的性质有关。叫做停留时间分布密 度函数，公式为： 肌卜茹 弦1 ) 其单位为时间的倒数。 如果将e ( ，) 对t 从o 积分至t ，可得：f ( f ) = e ( t ) d t ( 2 2 ) 在图2 1 中积分值f ( t ) 等于从o 到t 之间曲线下的面积。由上式可知，f ( t ) 的意义 就是停留时间小于t 的流体粒子所占的分率，为一无因次量，叫做停留时间累计分布 函数。 2 2 4 流化床停留时间分布的统计特征值 由e ( t ) - t 曲线的形状可以对流动状况作出定性的比较。为了定量地对比不同流动 状况下的停留时间分布，常用停留时间分布的特征值予以说明。最常用的两个特征值 浙江工业大学硕士学位论文 是平均停留时问t m 和方差仃2 。 ( 1 ) 平均停留时间0 平均停留时间0 可以理解为全部流体微元通过反应器的时间平均值， 。：甓：胁) 防 (23)e 上( t ) d t 棚 0 的因次为时间，是停留时间t 这个随机变量的分布中心。在几何图形上，是e ( t ) 曲线与横轴间的这一平面的重心在横轴上的投影。 ( 2 ) 方差仃2 停留时i 司分布函数的另一特征值为方差。它是各微元停留时间和平均停留时i 司之 差的平方的平均值，即： 仃2 = j c o ( f 一乙) e ( t ) d t ( 2 4 ) 方差表示停留时间分布曲线的离散度，其因次为时间的平方。方差越大，则分布 越宽，对于停留时间分布，也就是说停留时间长短不一参差不齐的程度越大。因此， 光靠平均停留时间的对比，还不足以比较不同的停留时间分布，必须再比较其方差才 能给出较确切的结论。 相应的无因次方差为：司= 等= 7 1j c o o 一乙) 2 e ( f ) 魂 ( 2 5 ) m册 相应的无因次停留时间分布函数为：e ( 乡) ：乙e ( f ) ：粤 ( 2 6 ) j c ( t ) d t 相应的无因次停留时间累计分布函数则为：f ( 秒) = f 口e ( p ) 抬 ( 2 7 ) 2 2 5 流化床停留时间分布的测试方法 r t d 的测定主要有脉冲法和阶跃法。示踪剂的选取以及示踪剂浓度的测定是一个 关键环节。在流化床中r t d 的测量研究中发展了诸如染色颗粒、盐颗粒、磁性颗粒、 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 放射性颗粒及热( 冷) 颗粒等众多的示踪方法。o r m o s 选择了放射性同位素示踪技术。 m o r r i s 将部分实验物料染色作为示踪剂，用光学比色的方法测量示踪剂的浓度。 n i l s s o n 用k ：s 作为石英砂的示踪剂，用测量k 。s 溶液电导率的方法来测定k 。s 浓度。对 大颗粒物系如磷灰石，将物料染色作为示踪剂，直接用手捡的方法测定浓度。总之， 示踪剂必须和被测物料有相似的流化性能，同时示踪剂的浓度便于用简便的物理、化 学方法测量【6 2 】。 实验采用脉冲法来测定流动系统中的停留时间分布，所以下面就对脉冲示踪法作 一个简单的介绍。 、，、 系统q 图2 7 脉冲不踪法测定停留时间分布不葸 f i g 2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fp u l s et r a c ei n p u tt om e a s u l er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n 脉冲法的实质是在极短的时间内，在系统入口处、向流进系统的流体中加入一定 量的示踪剂，同时在系统出1 3 处检测流体中示踪剂浓度c ( t ) 随时间的变化。图2 7 为 脉冲法测定停留时间分布的示意图。 出口流体中示踪剂浓度c ( t ) 与时问t 的关系曲线称为示踪响应曲线，由响应曲线 即可计算得出停留时间分布曲线。根据停留时间分布密度函数e ( t ) 的定义有： e ( f ) ：q c ( t ) ( 2 8 ) m 式中：o 为流体流量； m 为示踪剂的加入量。 示踪剂的输入量。有时不能准确地知道，可通过下式计算： 浙江工业大学硕士学位论文 朋2 j ：q c ( t ) d t ( 2 9 ) 若q 为定值，将( 2 9 ) 式代入( 2 8 ) 式可得： e ( f ) ：粤 ( 2 1 0 ) j ：c ( t ) d t 由( 2 1 0 ) 式可知，如果系统出口检测的不是示踪剂的浓度而是其它物理量，那么 只要这些物理量与浓度成线性关系，就可以直接将响应测定值代入( 2 8 ) 式或( 2 1 0 ) 求e ( ，) ，无需换算成浓度后再代入。 2 2 6 流化床停留时间分布的数学模型 v e r l o o p 根据模型假设的不同，将描述流化床r t d 的模型分为5 类： ( 1 ) 颗粒在床内运动为平推流、全混流、短路、死区等几种形式的组合； ( 2 ) 颗粒在床内的运动为若干个全混流的串联； ( 3 ) 颗粒在床内的运动可以通过混合系数或扩散系数来表征； ( 4 ) 颗粒在床内以循环流为主； ( 5 ) 床内分为若干层，每层有不同的流动特性。 以上每一种模型都有确定的数学表达式，每种都有各自的适用范围，有一定的物 理意义。由于模型参数大多需要估算或用实验数据拟合，因此为半理论半经验模型。 2 261 理想反应器的停留时间分布和流动模型 平推流和全混流是两种理想的流动现象，从系统停留时间分布的角度看，它们属 于两种极端的流动情况。以平推流或全混流来描述其流动状况的反应器，均称之为理 想反应器。 ( 1 ) 所谓平推流，就是垂直于流体流动方向的横截面上所有的流体粒子的年龄 相同，同时进入系统的流体粒子也同时离开系统。 ( 2 ) 流体由于受搅拌作用，进入反应器的流体粒子可能有一部分立即从出口流 出，以致停留时间极短，也可能有些粒子到了出口附近，刚要离开又被搅了回来，致 使这些粒子在系统中的停留时间极长。所以，流体粒子在连续釜式反应器中的停留时 间将是参差不齐的，有长有短。于是在反应器中就存在程度不同的返混，即不同停留 时间的流体粒子之间的混合。这种参差不齐的程度与搅拌作用有关，搅拌越强烈，这 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 种参差不齐的程度越大，也就是说返混越严重。当返混程度达到最大时，则反应器内 的物料浓度处处相同，不同停留时间的流体粒子间达到最大的返混，这就是全混流模 型。 2 2 6 2 非理想反应器的停留时间分布和流动模型 平推流和全混流是两种理想流动状况，然而实际反应器的流动状况均介于这两者 之间，有些与其相近，有些则偏离较大。凡不符合于理想流动状况的流动均称为非理 想流动。实际反应器的流动模型是建立在理想流动模型的基础之上的。