（化工过程机械专业论文）三相循环流化床蒸发器传热及流体力学性能研究.pdf

炎津科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对汽一液一固三相循环流化床蒸发器的特点，将其应用于葡萄糖溶 液兹浓镶蒸发避疆，黠其售熬牲裁避葶亍了理谂分掇嬲实验磺究。嚣避改变蒸 发温度、传热温差、料液流墩、料液浓度以及惰性粒子的体积分率等参数， 硬究了其在不瓣操作条锌下的健热性戆，并给出了汽一渡一弱三秘循环滚化痰 蒸发器沸腾传热的数学模型，模型预测值与实验值吻合较好。同时，对床膳 压力滕和赡、除垢情狨也进行了研究。 鬟验结果表明，汽一液一麟三相循环流纯床蒸发器其有蘸好的传热性能， 其传热系数是汽液两捆流蒸发器传热系数的1 5 倍左右；惰性固体粒子具有良 好的醣、除鳙效果，解决了设备的衣线清洗闯题。汽滚一圈三稽番螽环流化徕 蒸发器适用于葡萄糖溶液的蒸发浓缩，在食龋工业中具有一定的应用前景。 关键诩：惰性粒子 滚稼臻蒸发器 传热系数 蘧穗糖溶渡 丕堡型垫奎兰堡主堂壁笙苎 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , w ea p p l i e d t h e v a p o r - l i q u i d - r s o l i dt h r e e - p h a s ec i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e de v a p o r a t o rt oc o n d e n s eg l u c o s es o l u t i o nc o n s i d e r i n gi t sa d v a n t a g e i nt h ee x p e r i m e n t ，w ec h a n g e dt h ep a r a m e t e r ss u c ha se v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e ， d i f f e r e n c ei n t e m p e r a t u r e o ft h ef l u i d h e a t i n ga n dh e a t e d ，l i q u i df l u x ，l i q u i d t h i c k n e s sa n dt h er a t i oo fj n e r t p a r t i c l e s t o a n a l y z ea n ds t u d y 如i si d n d o f e q u i p m e n t sh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e si nd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s am o d e l w a s p u tf o r w a r da n dt h et h e o r e t i cv a l u et h a tc a l c u l a t e dw i t hi ta c c o r d e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lv a l u ew e l l a tt h es a n l et i m e ，w ea l s os t u d i e dt h ep r e s s u r ed r o po f t h eb e da n dt h es t a t u so f p r e v e n t i n ga n dc l e a n i n gf o u l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fv a p o r - - l i q u i d s o l i d t h r e e p h a s ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e de v a p o r a t o ri s 1 5t i m e so ft h ev a p o r l i q u i d t w o p h a s ee v a p o r a t o r s i n e r tp a r t i c l e sc a l lp r e v e n ta n dc l e a nt h ef o u l s t h i sk i n d o fe v a p o r a t o rf i tf o rt h ec o n d e n s i n go ft h eg l u c o s es o l u t i o na n di tm a y b eu s e d b r o a d l y i nf o o d s t u f ff i e l di nt h ef u t u r e 。 k e y w o r d s ：i n e r tp a r t i c l e s f l u i d i z e db e d e v a p o r a t o r h e a tt f a n s f e rc o e f f i e i e n t g l u c o s es o l u t i o n 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 蒸发作为一种重要的单元操作，广泛应用于化工、食品、医药、热能、 制冷等各个工程领域。在食品加工中，其常用于果汁、蔬菜汁和乳制品的浓 缩。由于料液中固体物质的析出等原因，加热壁面会存在不同程度的结垢问 题，垢层的存在不但降低了换热效率，还影响了食品的品质。因此，对液态 食品蒸发设备强化传热和防、除垢技术的研究越来越引起人们的重视。 为了加快冷热流体之间的热量传递过程，人们提出了各种各样强化传热 的方法，例如增加传热面的表面积，改善流体的流动型态等。虽然取得了一 定的效果，但是各种复杂的换热表面和内置物又增加了壁面除垢问题的难度。 如何将强化传热与防、除垢结合起来成为近年来新的研究方向。 流态化作为一种相对成熟的技术，已应用于固体物料的干燥、颗粒的涂 敷包裹、石油加工工业、生化工程及环境工程等许多工程技术领域。流态化 技术尤其是液一固及气一液一固流态化技术的不断发展为流态化蒸发浓缩设备 的研究提供了可靠的理论基础和实践经验。 本文将流态化技术应用于蒸发过程，研究了在蒸发器内加入惰性固体粒 子的情况下，汽一液一固三相流的传热特性和流体力学性能。实验以葡萄糖溶 液为物料，对不同操作条件下的传热系数和床层压降进行了比较和分析。实 验结果表明，汽一液一固三相流的传热系数明显高于汽液两相流的传热系数， 并且前者的防、除垢性能也优于后者。所以，对于液体食品物料的浓缩，汽一 液一固三相循环流化床蒸发器具有较好的应用前景。 文献综述 2 文献综述 2 1 ，葡萄糖溶液的浓缩 在许多食品工厂的生产过程中，液体食品的浓缩是一种重要的操作。食 品浓缩可以延长食品的货架期或提高食品的价值；许多食品经过浓缩可以生 产出新产品：此外，液态食品经过浓缩可以降低运输费用，最终可以通过加 水使产品复原。 在食品工业中有多种液体浓缩技术，包括蒸发浓缩、膜浓缩“1 和冷冻浓 缩“1 ，其中以蒸发浓缩应用最为广泛。 2 1 1 葡萄糖的性质和应用 葡萄糖在自由状态存在于植物的绿色部分和植物种子、水果、野果和蜂 蜜之中。是含在淀粉、纤维素、半纤维素、糖原、糊精、蔗糖、麦芽糖和其 它葡萄糖甙中的组分。 葡萄糖具有特殊的风味，甜味温和，特别是味凉，吃在口中有凉爽的感 觉。因为葡萄糖溶解时为吸热反应，l g 葡萄糖溶解时需要吸热1 0 5 j ，所以葡 萄糖特别适合于夏季食品甜味剂，如薄荷糖果，冷冻食品等”1 。葡萄糖是一 种发热量高的营养物，可以不经过消化被身体直接吸收。在疲劳过度，生病 或外伤后，它可以很快地恢复虚弱的身体机能。葡萄糖有果汁和其它饮料的 香味，所以广泛应用于生产巧克力糖果、儿童饼干、冰淇淋、水果罐头、甜 酒、烤面包。此外，它还用于生产山梨醇，抗坏血酸等川。葡萄糖经氢化生 成的山梨醇具有良好的保潮性质，作为保水剂广泛应用于食品、烟草、纺织 等工业。葡萄糖具有还原性，在中性和碱性情况下化学稳定性低，受热易分 解生成有色物质，也易与蛋白质类含氮物质起焦化反应产生棕黄色焦糖，具 有特有的风味。 葡萄糖按其用途可以分为食用葡萄糖、药用葡萄糖、工业葡萄糖。工业 上生产的结晶葡萄糖可分为含水甜葡萄糖、无水0 l - 葡萄糖和无水p 葡萄糖三 种，前一种的生产最为普遍。葡萄糖的生产按淀粉水解工艺不同可分为酸法、 酸酶法和双酶( 或全酶) 法，以最后一种应用较普遍“1 。在生产过程中，葡 萄糖分子易受热、酸、碱的各种不同作用。在酸和高温作用下葡萄糖变为糖 酸醛，形成有色的化合物。葡萄糖易溶于水中。它的溶解度取决于溶液的温 度和纯度。随温度的升高而增加，存在非糖溶质时，葡萄糖的溶解度高于在 纯水中的溶解度。 2 1 2 葡萄糖溶液的蒸发浓缩 目前在食品工业中，蒸发仍是液体浓缩的主要方法之一，主要应用于杲 2 天津科技大学硕士学位论文 蔬汁和乳制品的浓缩；有的也应用于盐或糖精制前的浓缩。 蒸发技术日益完善，在液体食品蒸发并尽可能接近地保持食品初始特性 方面已有相当好的基础和经验。真空低温蒸发降低了食品品质的热分解；除 此之外，热能回收和再利用的技术也得到了很好的发展，使运行成本更加经 济，在所有的浓缩技术中，蒸发是最经济的；蒸发可以得到高浓度浓缩物， 大部分浓缩产品的总固形物含量为6 0 8 0 。在这方面还没有其它技术能够 与蒸发竞争。蒸发浓缩应满足下列几点：传热速率高：在真空下低温操 作；有效的汽一液分离；有效的热能回收和利用。此外，为确保操作卫生， 还必须有合理的蒸发器设计和物料处理方式，因为在蒸发器中微生物在很大 程度上不会失活。 应用于食品工业的蒸发器类型有，升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、强制 循环蒸发器、刮板薄膜蒸发器、板式蒸发器等许多种，对某一特定的加工过 程，蒸发器的选择依赖许多因素，在选择蒸发器时，应当考虑最终产品的品 质和类型，此外，还要考虑所采用技术的经济效果。 以结晶葡萄糖为例“1 ，其生产过程的主要步骤如下；淀粉预处理、水解淀 粉、中和水解液、糖液净化和脱色、糖液蒸发、糖液冷却、分离糖膏、于燥、 筛分等。其中蒸发是一个比较重要的工序。 葡萄糖溶液蒸发最早采用夹套式和蛇管式蒸发器，由于传热面积小，糖 液循环不好，蒸发效率低。随着生产的发展，又先后采用自然循环式和强制 循环式蒸发器，上世纪6 0 年代开始采用膜式蒸发器，其中升膜式蒸发器的蒸 发强度较大，适于葡萄糖溶液的初蒸，降膜式蒸发器在初蒸和后蒸中都能适 用。 葡萄糖厂蒸发工艺早期是采用二次蒸发：初蒸和复蒸，即将稀葡萄糖液 送入初蒸蒸发器中先蒸发至一定的浓度后，送去过滤脱色，滤后的葡萄糖液 再进入复蒸蒸发器浓缩到需要的浓度。目前相当一部分企业仍然采用二次蒸 发的工艺。初蒸时选用三效中央循环管蒸发器，复蒸时选用三效中央循环管 蒸发器或单效升降膜蒸发器。 随着对能源认识的不断加深，节约能源已被世界各国所共识，节能技术 也因此得到了迅速的发展，节能型葡萄糖蒸发器也已在发达国家研制使用。 上世纪9 0 年代，长沙果糖厂、中原制药厂、牡丹江制药厂等企业相继购入进 口新型节能蒸发器用于葡萄糖液的蒸发，取得了良好的节能效果和蒸发效果， 从而也推动了我国葡萄糖蒸发器向高效、节能的方向发展。葡萄糖用新型节 能蒸发器大多为热泵三效降膜蒸发器( 也有少量热泵四效降膜蒸发器) 。它的 主要特点是：传热系数大，糖液在蒸发器内停留时间很短，汽耗低，国产蒸 发器为0 3 吨蒸汽吨水左右，进口蒸发器为o 2 7 吨蒸汽吨水以下。 本研究所采用的汽一液一固三相循环流化床蒸发器是近年来开发的一种新 文献综述 型蒸发设备。它具有较高的传热系数和良好的防、除垢性能，使生产能更加 稳定地进行。将此种蒸发设备用于葡萄糖溶液的浓缩，研究其在不同操作条 件下的传热性能，不但对于葡萄糖溶液的浓缩方法是一种新的尝试，而且对 于汽液一固三相循环流化床蒸发器的适用范围也是一种新的拓展。 2 2 沸腾传热的研究 沸腾传热是一种高强度的热量传递方式，在各种工程技术领域中经常会 遇到。它传热速率高，需要的传热温差小，一般用水作为沸腾介质，价廉易 得，而且其汽化热高，热容量大。因此，在核能建设、热能工程、冷冻工业、 化学工程等领域中得到了广泛应用。研究沸腾传热过程的机理与规律，以求 实现高效能的沸腾传热，对于上述工程领域均有着十分重要的意义。 2 2 1 沸腾传热的机理 沸腾是包含泡核生成、长大、脱离等一系列子过程的传热过程。沸腾首 先是要在加热壁面上生成一个沸腾泡核，由热力学分析知，要在液相介质中 生成一个蒸汽泡核，必须要有一个过热度，而沸腾的蒸汽泡核一旦形成，便 会自行长大。这时，由于它与加热壁面问形成的极薄的液体微层迅速汽化， 产生了十分显著的界面汽化热阱效应“1 ，使壁面温度迅速下降。这在m o o r e 与m e s l e r “1 所测得的单个泡核沸腾时壁温的变化曲线上可以看到。m o o r e 等 是在有人工汽化核心的镀镍表面上进行沸腾实验，用热电偶测定壁温，获得 了如图2 一l 所示的壁温波动曲线。在壁温波动的一个周期中，在沸腾开始的 2 m s 内r 可迅速下降1 1 0 1 6 6 c ，而后在1 0 2 0 m s 内又逐步曲折地回升到下 降前的水平。此时，下一个沸腾泡核又重新产生。 图2 1 壁温波动曲线 在核沸腾传热中汽泡的产生、长大、脱离和浮升引起的两相流动起着决 定性的作用。在沸腾液体中，液体要汽化为蒸汽而形成汽泡，在汽液界面处 必须具有足够的能量，如果液体预先过热，此能量就由周围的液体供给。产 生汽泡所需要的过热度由液体的表面张力来决定，在纯净液体和加热表面十 分光滑的情况下，汽化核的形成非常困难，液体会达到很高的过热度。一旦 出现沸腾之后，沸腾液体的过热度便会下降。核态沸腾换热主要有以下几种 4 天津科技大学硕士学位论文 换热机理 i o l 相变潜热传递；瞬态微对流传热：液体与加热面之间的 自然对流换热。人们已经提出了许多核态沸腾换热机理模型，推荐了各种经 验和半经验的换热关联式。现有模型特别是发展并不断修正的复合模型均全 面考虑了上面三种传热机理。 沸腾是一个瞬态随机过程，在某一个任意时刻既会有已脱离壁面的汽泡， 也会有已长大到一定尺寸并继续长大的汽泡，还会有刚刚形成的汽泡。因此， 汽泡的大小具有随机性，不可能均匀地分布在整个壁面上，而是按某一规律 在壁面上形成大小不等的汽泡分布。柴立和“在此基础上提出了计算沸腾传 热的新思路，从汽泡数目平衡的角度导出了汽泡尺寸分布函数。文献【1 2 】 的研究表明，相变潜热在核态沸腾中具有非常重要的作用，在低热流和中等 热流情况下相变潜热传递占总传热量的份额高达4 5 5 0 ，在高热流时相变 潜热传递占总传热量的份额会更多。 吴泽林“3 1 认为沸腾换热比其它对流换热强的根本原因在于沸腾换热在热 边界层内活动的是过热饱和水，过热饱和水分子的运动强烈，具有很大的分 子动能。它强有力地撞击并划过加热面，因而从加热面传过来的热量就会更 多。而分子对加热面的撞击作用还与加热面的粗糙度有关，对光滑面过热饱 和水的撞击方向主要是在垂直于加热面的方向，而粗糙面则在各个方向都会 发生撞击，即粗糙面与介质的接触面比光滑面大。所以粗糙面对过热饱和水 分子撞击加热面有利，由加热面传过来的热量多。从加热面处热辐射的角度 看，粗造面的辐射黑度大，它传过来的辐射能量多，并且被它吸收的辐射能 量也多。而光滑面的辐射黑度小，故它的热辐射交换能力不如前者。以上这 两个理由都表明粗糙面对沸腾换热有利。 2 2 2 沸腾传热的特征 沸腾传热区别于一般传热的特征是过程中产生了相的变化。这个相的变化 始于在换热壁面上产生的沸腾泡核，在泡核长大时所产生的热阱效应是沸腾 传热速率较高的一个基本原因。但由于产生界面汽化热阱效应的阶段是整个 泡核沸腾过程中较小的一部分，在沸腾传热的总过程的宏观平均值中，界面 汽化热阱效应使整个传热过程增强的作用由于平均而减低。 沸腾滞后的现象在2 0 世纪5 0 年代就已发现。近年来，在微电子设备技术 中采用高介电有机液体用沸腾传热来取出热量以强化微电子元件的冷却，而 这类液体对固体表面具有高润湿性，在核沸开始时产生严重的壁温偏离和沸 腾滞后，使放热壁面产生显著的温度波动，导致微电子器件在操作时产生噪 音，严重地影响了它们的操作性能与使用寿命。因之，从实际生产的需要来 讲，沸腾滞后和核沸开始时的壁温过冲受到了人们的关注。 尽管沸腾传热问题十分复杂，但却可看到其过程的基本特征“”： 文献综述 ( a ) 沸腾传热中包含着一系列子过程的相互交替，尤其是沸腾泡核的生长 和脱离，使过程呈现明显的波动特征。 ( b ) 在沸腾泡核成长时，形成了一个极薄的液体微层，产生十分显著的“界 面汽化热阱效应”，使传热显著增强。 ( c )沸腾中包含了液体的汽化，但汽化本身不是一种传热方式。在沸腾传 热中的传热方式还仍然是换热壁面与液相问的对流传热和导热，但在沸腾 传热中，热量的最终带出还都是由液相转变为蒸汽，以汽化热的形式与蒸 汽一起逸出系统的。 2 2 3 沸腾传热的模型 众多研究者经过几十年的探索，对流动沸腾传热的基本规律已有一定的 了解。但对不同的流道，不同的应用条件，还存在许多没解决的问题，其研 究热潮方兴未艾。 出于流动沸腾传热的复杂性，到目前为止，还没有一个完善的理论模型 可供使用只有在大量实验研究的基础上得到的一些经验或半经验计算式， 其应用条件也限于管内情况，但其理论方法可为各种流道的传热研究所借鉴。 管内流动沸腾传热的计算方法大致可以分为三类，即加和模型、渐近模型和 强化模型。 加和模型的基础是传热的双机理理论，双机理理论认为流动沸腾传热是 核沸腾与对流传热同时作用的结果。1 9 6 6 年j c c h e n “”综合了近6 0 0 个实 验数据点，成功地提出了加和模型，其数学表达式为： h i p = s h , m + f h ， ( 2 - 1 ) 该模型明确地表示出流动沸腾中核沸腾和对流两种传热机理各以一定的比例 发挥作用，两者的贡献呈一叠加关系，且两种贡献随流动条件的变化而有所 不同。比如，流速高时会抑制汽泡的长大，此时抑制因子s 变小，使核沸腾 变弱；另一方面，流速高使对流的湍动程度提高、两相流因子，增大，对流 传热增强。此模型一提出就得到广泛重视。其平均误差为1 7 ，至今在管道 内流动沸腾传热的计算方面仍占据着重要的地位。 渐近模型的基本形式为： ”= ( 矾。y + 慨y ( 2 2 ) 式中，n 为渐近指数。当n = 1 时，与加和模型相同：当n 一。时，则流动沸腾 传热系数与两项中数值较大的一项相等。n 值的选取在一定意义上是任意的， 没有理论基础。有代表性的渐近模型由l i u “”和s t e i n e r 提出，选取的n 6 天津科技大学硕士学位论文 值分别为2 和3 。 以上两种模型均以双机理为基础，将核沸腾及两相对流传热分别进行计 算。在模型中，液相单独存在时的对流传热系数h ? 用d i t t u s b o e l t e r 公式计算 效果较好，一直为研究者们所延用。核腾传热系数6 采用池沸腾中的泡核沸 鹏传热系数算式计算。这两类模型中，争议最多、修改最频繁的是两相流因 子f 和抑制因子s 。j c c h e n 由雷诺类似律出发，从理论上推导出两相流因子 应是m a r t i n e l l i 参数五的函数。在这一理论指导下，研究者们提出了许多两 相流因子表述式，且多为以下形式： f ：彳f 上丫 l z 。j ( 2 - 3 ) 式中，五，为汽液相皆为湍流时的m a r t i n e l l i 参数，a 及m 为回归参数。1 9 8 0 年，b e n n e t t 和c h e n 提出，以上结论只适用于普兰特数等于1 的情况，当流 体普兰特数较大时，应加入一个液相普兰特数的修正项，即： f = ，陇，) - p r 0 2 “ ( 2 4 ) c a r r y “7 1 等经理论分析和实验研究支持这一观点，但采用普兰持数修正时，其 指数项为1 6 。抑制因子s 是一个纯经验的修正项，没有明确的理论指导。不 同的研究者，采用的计算式有很大差别，影响抑制因子的因素众说纷纭，有 待进一步的改进和新方法的提出。 强化模型是由m m s h a n 于1 9 7 6 年提出的，并很快引起研究者的重视。 其具体形式如下： h i p = e 见 ( 2 - 5 ) 其中，液相单独存在时的对流传热系数h f 仍由d i t t u s e b o e l t e r 公式计算。当 流动沸腾以两相对流传热为主时，强化因子e 为流动数c d 的函数；以核沸腾 传热为主时，强化因子e 为沸腾数勘的函数。其中流动数的定义为： c o - ( 封。5 防s ， 与m a r t i n e l l i 参数的倒数形式相近，可见其两相对流传热的计算与双机理模型 的方法相似，而核沸腾的计算则是另辟新径，定义了沸腾数： b 0 = q m - a h 。 ( 2 - 7 ) 7 文献综述 免去了核沸腾传热系数的繁琐计算。实践证明其准确性不亚于j c c h e n 的 加和模型。 2 2 4 沸腾传热的强化 在合理利用现有能源和新能源的开发中，实现低温差的沸腾传热有着重 大的经济意义，为了减小各种类型的沸腾传热温差，已经采取了各种各样的 强化沸腾传热的方法“”。常用的方法是采用各种类型的强化传热表面。 沸腾核化的知识表明，产生汽泡核所需要的液体过热在纯净液体中可以 达1 0 0 k 以上，对于一般的工程金属表面上的泡核则只需要1 0 k 左右的壁面 过热。如果在沸腾表面上创造人工核化中心，例如各种类型的多孔表面，这 些多孔表面大量存在聚气( 汽) 的、稳定性良好的内扩展凹腔，则沸腾核化 所需要的壁面过热可以减小到1 k 左右的数量级。这样，沸腾传热系数会有很 大的提高。从造成稳定的泡核腔着眼出现的沸腾传热强化表面，已经在工程 领域中获得应用，取得了良好的经济效益。所有这些强化表面可以分为两种 类型，一类是内扩展腔彼此未连通的孤立人工汽化核心表面，另一类是内腔 间连通的表面。 而从流体本身来考虑，改善其流动形态，从而强化其传热特性的强化传 热方法也多局限于各种固定于加热器内的内置插入物和流体通道的改变。此 类方法对于蒸发浓缩过程而言，容易产生结垢，并且对压降有较大影响。本 文则从上述传统方法以外的角度进行了强化传热的研究。 2 3 流态化技术的发展 流态化技术的工业应用，迄今已有6 0 余年的历史，技术应用比较成熟。 但是，由于这过程是在多个分散相体系中进行的，再加上操作条件( 气速、 温度、压力) 千差万别，物性( 粒度、粒度分布、密度) 相差悬殊，因此， 迄今还没有形成一套完整的理论。纵观国内外的情况，过程机理的研究仍是 目前在流态化领域中比较重要的研究课题之一。国内外学者己开始用流体力 学、流变学及统计学的观点来研究流化床并取得了可喜的成绩。但是，由于 这些理论采用了过于简化的假设，因此，还没有得到广泛的应用。 2 3 1 流态化现象 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的 某些表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。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 ( 以上三者可统称为传统流态化) 、快速流态化，最终进入流态化稀相输送状 态。传统流态化体系具有以下特征“”：它能像液体一样，在重力场中具有 水平状态的上界面；它能像液体一样，从一个容器流入另一个容器，而且 天津科技大学硕士学位论文 床层中的静压仅与其所处的床层深度与密度成正比，与水平位置无关；它 能像液体一样，在两个相连通的容器问传递静压。除了由于流体操作速度的 不同所形成的两种流态化现象，既传统流态化与快速流态化现象外，还有由 于流体介质不同所形成的两种流态化现象，即以液体一颗粒体系为代表的散式 流态化体系和以气体一颗粒体系为代表的聚式流态化体系。散式流化床内颗粒 均匀分散悬浮，而在聚式流化床内，颗粒呈多样化的非均匀悬浮状态。在传 统流态化中，聚式流化床内除有颗粒均匀分散的乳相区域外，还有大量内含 少量颗粒的气泡分布在乳相中。在快速流态化状态下聚式快速流化床内，除 弥散于气流中的颗粒外，尚有大量聚集在一起的颗粒团( 絮状物) 存在。 2 3 2 液固循环流态化 a 、液固循环流化床的基本结构 液固循环流化床( l s c f b ) ，又称液固上行床或液固提升管。图2 2 中 给出了建于加拿大安大略大学的液固循环流化床设备的简图，此结构与梁五 更等所用液固流化床相似。此系统主要包括一个有机玻璃上行床，一个液固 分离器，一个颗粒储料罐以及连接上行床和颗粒储料罐的上下两根颗粒输送 管。上行床的下部有两个分布器；主水流分布器和辅助水流分布器。主水流 分布器由7 根深入上行床内的不锈钢管组成。占总床面积的1 9 5 ：辅助水流 分布器是一个多孔分布器，开孔率为4 8 。 液体从储水罐中抽出并分为两股水流，其中主水流流入管状分布器，另 一支水流则流入辅助水流分布器。在上行床的顶端，流体流回储水罐，颗粒 则在经过颗粒循环量测量器后返回颗粒储料罐。由于液体流速较高，流化床 内的颗粒被很快地夹带到上行床的顶部。于是，就需要不断地从上行床下部 入口处加入颗粒以保持稳定的颗粒量，从而形成液固循环流化床。辅助水流 的作用在于松动流化床底部的颗粒并使颗粒储料罐中的颗粒进入上行流化 床，同时起到控制颗粒流入上行床的流量的作用，因此也可看作一个颗粒流 量控制装置。辅助水流越大，流入上行床的颗粒越多，于是固体循环量也越 大。通过调节辅助水流与主水流问的比例就可以分别控制固体循环量和液体 流量。 9 文献综述 图2 2 液固循环流化床示意图 b 、液固循环流化床内的流动 长期以来人们都认为，液固流态化的流动是均匀稳定的。即颗粒在床体 内被均匀地悬浮着，所以轴、径向的固含率总是均匀的，因此液固流态化被 认为是理想的流态化。同时，实验的结果也表明，均匀流化确实存在于所有 液速低于颗粒终端速度的液固体系中。 直到近几年，除了k w a u k 曾推论在高液速下的流动也是均匀的之外，很 少有人研究高液速下的液固流态化系统。在实际操作中，当液速高于颗粒终 端速度之后，大量颗粒被夹带出流化床。此时，必须在流化床底部添加新的 颗粒并且在床的顶端回收颗粒以保持稳定的循环量，才能形成液固循环流化 床。液固循环流化床通常在高液速下操作。z h e n g 等给出了用于划分传统液固 流态化与液固循环流态化的起始循环流化液速，当液速高于此起始循环液速 时，流化床进入液固循环流态化区。实验结果表明，在高液速及形成稳定循 环量的情况下，可以明显地观察到床内空隙率、液体及颗粒速度的非均匀径 向分布。这种非均匀的流动结构与k w a u k 的预测不一致。 理想的流化状态是床层固体颗粒随着流化介质流速的增加而均匀地膨 胀，固体颗粒间的距离随着流体流速的增加而均匀地增加，使颗粒在流体中 始终保持均匀的分布。这种颗粒的均匀悬浮使所有颗粒都有均衡的机会和流 体接触，也使所有的流体都流经同样厚度的颗粒床层，因而颗粒和流体之间 有充分且均等的接触机会。这对化学反应和物理操作都是十分有利的，因为 均匀的流化保证了全床中均匀的传质和传热，以及均匀的流体停留时间。这 种理想的流化状态，我们称之为散式流态化。用液体作为流化介质的固体流 化床一般均比较接近于这种理想化的流态化，其原因是由于液、固间的密度 差相对来说比气、固间的密度差小得多。当液、固间的密度差加大时，比如 l o 天津科技大学硕士学位论文 用水来流化密度很大的铅颗粒时，也能观察到类似气固的典型的聚式流态化 现象。 2 3 3 流化床换热器的发展 据统计，9 0 以上的换热设备中，存在着不同程度的加热壁面结垢的问题， 为了防止或减少在加热面上的结垢，前人采取了诸如加入防垢剂，适当改变 操作条件等措施。上世纪7 0 年代初，流化床换热器在防、除垢方面的优点开 始受到各国科学家的重视。美国科学家在六七十年代首先把流化床换热器应 用于海水淡化，并在7 0 年代末对其在地热中的应用进行了研究“”。荷兰科学 家也于7 0 年代把流化床换热器应用于海水的多级闪蒸装置中，并在8 0 年代 初应用于其它行业。他们成功地开发了流化床多级闪蒸器，该闪蒸器结构与 普通换热器基本相同，唯一的区别是管内加入惰性粒子，并使粒子在管内保 持流化。g s p a n b a n k “比较了普通的多级闪蒸器与流化床闪蒸器，认为流化 床闪蒸器不需要加入任何化学添加剂来控制污垢，并且对管子的腐蚀也低。 a 。w v e e n m a n “”研究了流化床换热器的传热特性，当流化床闪蒸器传热管内 表观速度为0 1 o 2 m s 时，其传热系数相当于普通换热器表观速度为1 8 m s 时所能达到的相应水平。 d g k l a r e n “等对流化床换热器进行了进一步的研究，他认为控制固体 粒子在管束中的分布是流化床稳定操作的关键，并在普通换热器的基础上， 设计出了单根下降管的内循环流化床换热器。提出在进口管箱与粒子分布管 箱之间设置一个液相分布器，以保证流体经此分布器以后，使固体粒子在粒 子分布管箱中保持散式流态化。 j s t k o l l b a c h “”等利用饱和硫酸钙为工质，分别在普通换热器和流化床换 热器中操作，发现前者的总传热系数低于后者，在普通换熟器中，由于在壁 面上产生了污垢，其传热系数在数小时内迅速下降，而流化床换热器的总传 热系数较高且保持不变。他们操作十多天，也没有发现壁面污垢和磨损，同 时发现，原来产生的污垢，在加入固体粒子以后，逐渐减少和消失。 r 。r a n t e n b a c h “在单通道管壳式换热器的基础上进行了结构改进，设计 了多根下降管的内循环流化床换热器，并且比较了流体粘度对流化床换热器 与普通换热器的影响，发现流化床换热器的传热系数与粘度的0 2 次幂成反 比，而普通换热器的传热系数与粘度的0 4 次幂成反比。这说明，流化床换热 器对粘度的变化不敏感，甚至当粘度为1 0 0 c p 时，流化床换热器壁面边界层 仍受到固体粒子的有效干扰与破坏。 钱伯章“”提出了在化工和炼油工厂润滑油装置上流化床换热器可以替代 传统刮刀式套管结晶管，用于海水脱盐。 文献综述 2 3 4 汽一液一固三相流化床蒸发器 关于固体粒子在沸腾传热系统中对传热性能的影响，人们已作过一些研 究，并提出了传热模型。g a b o r “7 1 等把固体粒子加入池沸腾的水中，发现固 体粒子在加热表面处的存在，使汽泡更容易脱离。后来，d h i r “钉和j o n e ”o 证实了在加热表面处固体粒子层形成了气体通道，壁面所产生的气泡和形成 的自然对流导致壁面处的粒子层流化。y k c h u a c h 和v p , c a r e y 3 ”用玻璃粒子 和铜粒子研究了自由粒子层对池沸腾传热的影响，他们提出了粒子对沸腾传 热的影响机理：粒子的加入增加了汽化核心：促进了加热壁面处的液体对流 强度；同时改变了工质的导热能力。y u m i n 和j e rr u m a a ”研究了固体粒子 悬浮在池沸腾液体中的传热。结果表明，在沸腾的液体中加入固体粒子能大 幅度提高系统的传热性能，并且当粒子的大小一致时，粒子浓度越高越好。 n i s y r o m y a t n i k o n 2 1 等则研究了在液固流化床中固体粒子对内置加热表面沸 腾传热的影响。他比较了流化床和非流化床的数据，发现在相同热通量的情 况下，流化床的加热壁面温度较低，认为这是由于流化床的高湍流所导致的 效应，并利用k w t a t e l a d z e 的渐进模型给出了如下流动沸腾的传热系数。 鼍：瓣 ( 2 8 ) 其中，一总的传热系数，w ，( m 2 k ) ； h 曲一液体泡核沸腾传热系数，w ，( m 2 - k ) ； h ，一液体对流传热系数，w ( m 2 k ) ： 弹一其值由实验数据回归得。 d e c h e r ”3 1 基于h i g b i e 的表面更新理论和k o l m o g o r o f f 的各向同性湍动理 论，把汽一液两相传热系数归结于流动微旋涡的表面更新，并表示为： h = c t 嘛p ，印，s e ) 啦= c t 陋，p ，c p f ( p r ，) 】啦 ( 2 9 ) 式中，h 一总的传热系数，w i ( m 2 k ) 。 c ，一系数，无因次； k l 一液体的导热系数，w ( i n - k ) g f 一液体的定压比热，j ( k g k ) p r 一普朗特准数，无因次： 一舍伍德准数，无因次； ，一粒子半径，l r l 。 1 2 天津科技大学硕士学位论文 而对于三相流系统，由于粒子的运动，更增强了微旋涡的表面更新，当粒子 在流化床中运动时，在液固相界面处的液体与粒子一起运动，这样初始的临 界表面随粒子的运动而改变，因此它的温度不易突变，为了计算由于粒子加 入而引起的表面更新，= - - * h 流传热系数可以修正如下： 矗= c i ( k ，p ，c ) i + c ：k ，p ，c s ，) ；( 2 - 1 0 ) 一表面更新率( 由粒子引起的) ，无因次。 可以认为是粒子特性速度与粒子特性尺寸的比值，即： 式中，可以表示为 s po c 等 ，：c a p , d ，, p 占j3 其中，c 一系数，无因次： 蛾一粒子的球形度，无因次； 岛一粒子分率，无因次； d 0 一粒子的水力直径，m 。 而粒子平均速度地与液体流速u t n l l 流化速度“埘的差值成比例 综上所述有 “j o c u t u t , n f ( 2 - 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 即： ( 2 一1 3 ) s ，* 毛；0 ，一“。，) 扣，d ，) ( 2 1 4 ) 李修伦、闻建平等研究了铜粒子对沸腾传热的影响。他们认为采用导 热性能好的铜粒子比采用导热性能差的玻璃粒子所获得的传热系数要大，并 以双机理法为基础得出了适用于铜粒子的传热计算公式。其主要特点是利用 y k c h u a c h 和v e c a r e y 所提出的自然粒子层对沸腾传热的影响参数代替固体 粒子校正参数，以使其公式应用更广泛。他们指出在三相流沸腾中惰性固体 粒子不仅具有强化传热作用，而且具有良好的防、除垢效果。 李修伦、刘绍从“”研究了在垂直管内流动沸腾系统中加入惰性固体粒子 的传热，开发了汽一液一固三相流化床新技术。他们的研究表明：三相流沸腾 文献综述 传热系数较汽液两相流沸腾传热系数增大，并且传热过程的稳定性明显提高， 汽一液一固三相流化床沸腾传热过程中，固体粒子的存在能防止和减少传热壁 面上产生污垢。他们同样认为，固体粒子的加入提供了汽化核心，强化了壁 面的对流传热和改变了工质的导热能力，这些是强化传热的主要原因。李修 伦、闻建平”进一步研究了垂直管内三相流化床沸腾传热的特性，发现三相 流沸腾传热系数随着粒子直径的增加而减小，随着粒子的体积分率、密度、 导热系数的增大而增大。 张利斌、张金钟、李修伦“结合气一液一固快速流化床和汽一液一固三相流 化床的特点，开发了一种新型蒸发器：汽一液一固三相循环流化床蒸发器，用 于盐卤工业，取得了比较理想的效果。 于志家、徐维勤、沈自求通过在垂直套管环隙内沸腾的液体中加入少 量惰性气体与固体颗粒，形成气一液一固三相流动沸腾。实验结果表明：少量 惰性气体与固体颗粒的加入显著强化了传热，降低了料液在加热壁面上的过 热度，具有良好的防垢、抗垢性能。他们分析认为传热得到强化的原因主要 有以下几个方面：a 、惰性气泡与流态化固体颗粒显著地增强了流体的湍动而 使传热强化；b 、惰性气泡、流态化固体颗粒与液体间均存在速度差，惰性气 泡在实验段内向上流动过程中，排开其前方的液体微元并使该液体微元产生 一个径向速度，气泡过后又有液体微元补位，从而形成径向液体交换流。液 体绕过固体颗粒向上流动的过程中也会产生液体的径向交换，这种液体的径 向交换流可加速传热边界层内流体更新而使传热强化；c 、在惰性气泡与沸腾 液体接触的最初时刻，存在一个气液相界面上的液体向惰性气泡内快速汽化 的过程。其汽化潜热来自于界面流体，从而使气液界面上的液体温度迅速降 低，在气泡周围的一层液体内形成温度梯度，这种流体内部的传热推动力对 传热也具有明显的强化作用。流态化固体颗粒的扰动可减薄加热壁面传热边 界层与惰性气体周围具有温度梯度的液体薄层，而使这种传热作用进一步加 强；d 、流态化固体颗粒频繁地直接撞击加热表面，使传热边界层的层流亦遭 破坏，使传热强化。 于志家、徐维勤、沈自求“进一步研究了垂直套管环隙内汽一液一固三相 流动沸腾传热，他们引入固体粒子，形成外部自然循环型汽一液一固三相流态 化沸腾，对其传热性能进行研究。他们基于边界层理论，认为当液体绕过固 体颗粒向上流动时，将发生边界层分离，而使流体湍动加剧。同时，液体绕 过固体颗粒的流动产生一个径向力，从而形成一个流体的径向脉动流。这一 脉动流可促进传热边界层内流体更新而使传热强化。而流态化固体颗粒杂乱 无章的运动可直接撞击加热表面，破坏传熟边界层，是使传热得以显著强化 的一个更重要的原因。随着固体颗粒含量的增加及粒径的增大，流体内的湍 动、流体径向脉动的频率与强度及撞击加热壁面的频率与能量均大为增加， 1 4 天津科技大学硕士学位论文 从而对传热有显著的影响。在垂真列管式液体沸腾装景中引入流态化固体颗 粒，可显著强化传热，降低料液在加热壁面处的过热度，有利于热敏性及具 有负溶解度物料的蒸发与沸腾过程。他们通过实验数据得出了经验关联式为： n u = 9 1 8 r c ：i o p r o , 0 2 b o _ o 0 3 l ( 1 6 5 占，1 ”8 ( 2 1 5 ) 式中 n u = h d k # ： r e p 2 d 萨似一h b p r = c p _ 6 u l ，k l o b o = q 脚_ ) ，) 。 其中h 为传热膜系数，d 为实验段当量直径，k l 为导热系数，以为粒子直径， p t 为液体密度，即为固体颗粒与液相的滑移速度，f f 为液体粘度，g ，为液体 比热，g 为热通量， 为液体汽化潜热，岛为固体粒子体积分率。 张利斌、张金钟”等以盐化工为例，研究了蒸发沸腾换热过程中的传热 强化与防、除垢问题，对流化床技术在传热强化与防、除垢方面的应用进行 了综述，指出三相循环流化床对于易结垢的换熟过程及沸腾蒸发过程是种 良好的在线除垢设备，工业前景应用广泛。 任斌们将惰性粒子流化床蒸发器应用于茶叶浸提液的浓缩，研究了其传 热性能和流体力学性能，建立了如下所示的传热准数关联式： 删一o - 秘”( 豺”7 州”( 圹”f 鲫( 警厂“，a ， 适用范围：1 6 0 0 0 2 ，w 2 是组分2 的重量分数，n 是混合常数，其值大约从0 1 到1 0 以上。当5 = 0 时，k 是重量分数平均值。对一般有机液体可取5 = 0 ，其误 差不超过4 。对于有机液体的水溶液，可由a = 0 时求得的k ，再乘以0 9 来确定。 ( 3 ) 葡萄糖溶液表面张力的计算 a 、纯液体表面张力的计算 m a c l e o d “”曾于提出下式： 1 0 - 一4 = p 】- 如一a ) ( 4 5 ) 其中： 【p 】- 一等张比容，可由结构加和法计算，无因次； n 一液体密度，g m o l c m 3 ； 凤一气体密度，g - m o l c m 3 ； 0 - 一表面张力，d y n c m 。 对于葡萄糖，其等张比容为3 3 1 7 。 b 、水溶液表面张力的计算 根据t a m u r a 方程d ”： 实验装置与方法 丘：y ：盯。丘+ 孵盯。丘( 4 6 ) 式中，下标暇o 分别代表纯水和纯有机物在表面层内的比体积分数。由下列 各式联立求出： 肚l g 螳( 4 - 7 ) b = b + w( 4 8 ) 6 _ l g 崞 ( 4 9 ) _ o 4 4 1 罟f 碰- a w v w