（动力工程及工程热物理专业论文）液固流化床中流体动力特性的研究.pdf

classified index:tk224 udc: 621.18 dissertation for the master degree in engineering study on hydrodynamics characteristics of the flow in a liquid-solid fluidized bed candidate： liu xing supervisor： prof. lu huilin academic degree applied for： master of science in engineering specialty： engineering thermophysics affiliation： department of energy science & eng. date of oral examination： july, 2009 university： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 液固流化床反应器具有良好的混合、传热、传质等优点，已经被广泛应 用于化工、能源、轻工、冶金、材料、医药、食品和环保等诸多领域。目前 对于气固流化床的研究比较系统、深入，而对于液固流化床的研究较少。而 且由于流化床内颗粒流体系统的非线性、结构的不均匀性和流域的多态性， 迄今为止仍然没有一套完整的理论体系来描述流化床内流动特性，因此国际 上此领域的研究仍然非常活跃。 本文采用欧拉-欧拉双流体模型，应用标准 k-模型求解粘性项的方法 来模拟二维液固流化床内液固两相流动，研究了其床层动态特性、不同操作 条件对流动的影响、除曳力外的其它作用力（虚拟质量力）对流动的影响 等，得到了相关流动规律，充实了液固流化床的研究成果。 模拟结果显示，颗粒初始堆积高度、液体入口速度、颗粒直径都对流动 有一定的影响，但速度、浓度分布整体趋势是比较一致的，模拟中选用不同 的曳力模型，也会对结果造成影响。液固间的其它作用力虚拟质量力对 流动也有一定的影响，为了让模拟结果更可信，当液固密度相差较大时、液 相入口速度较大时，应该考虑虚拟质量力的影响。当流体速度突变后，液固 流化床从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡。当液体速度减小时，床层表 面及分隔界面的变化与理论模型预测一致；由于重力不稳定性的影响，当液 体速度增大时，床层表面稳定上升但与时间不呈线性关系，且分隔界面难以 分辨。尽管床层收缩时间明显小于实际膨胀时间，但是与预报的理想膨胀时 间比较接近。模拟结果与前人的实验研究和理论分析相吻合，表明多相流 cfd 模拟可以很好地预测液固流化床的床层动态行为。 关键词关键词：液固流化床；动态特性；虚拟质量力 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract liquid-solid fluidized bed reactor has an excellent merit of mixing, transferring heat and materials. it has been largely used in many fields, such as, chemical industry, energy, light industry, metallurgy industry, material, medicine, grocery and environmental protection. nowadays, the research on gas-solid fluidized bed is relatively systematic and in-depth. however, on the other hand, the investigation on liquid-solid fluidized bed is comparatively less. what is more, owing to the non-linear of the fluid system, the inhomogeneity of the structure and the polymorphism of drainage area in the particles of the fluidized bed, theres still not a complete theoretical system to describe the fluid character of the fluidized bed. consequently, the research on this field in the world is still very active. the euler-euler two-fluid model is used in the simulation of two- dimensional liquid-solid two-phase in circulating fluidized bed boiler including the cyclone. and the standard k- model is also used for the solution of the viscous item. having investigated on the influence of fluid by dynamics character of the bed, different operation terms and other force(virtual mass force) with the exception of the drag force, this article acquires some relative fluid discipline to enrich the research outcome on the liquid-solid fluidized bed. simulated results show that initial accumulation height of particles, inlet velocity of liquid and particle diameter all have a certain impact on the flow. however, the overall trend of the speed and concentration distribution is consistent. moreover, different drag force models also influence the consequence. furthermore, other force between liquid and solid, virtual mass force, also has some impact on the flow, but its very small. in order to make the imitating results more credible，its better to take virtual mass force into account when theres a relatively great gap on density between liquid and solid or inlet velocity of liquid is large enough. when the liquid velocity mutates greatly, the liquid-solid fluidized bed will transfer from one equilibrium to another. when the liquid flux is decreased, the change of the bed surface and the internal surface are the same as the prediction of theoretical models. as for the gravitational instability, with the speed increasing, the bed surface arises stably, but is nonlinear to the time. what is more, its difficult to tell where is the isolation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - interface. although the bed contraction time is obviously shorter than the actual expansion time, its still comparatively close to the predicted idealized expansion time. simulated results coincide with previously experimental research and theoretical analysis, which shows that the commercial computational fluid dynamics(cfd) can be adept at predicting the dynamic behavior of the liquid- solid fluidized bed. keywords: liquid-solid fluidized bed, dynamics character, virtual mass force 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目录目录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 流态化概述 . 2 1.2.1 流态化现象 . 2 1.2.2 流态化体系流型的划分及其相互转变 . 2 1.2.3 流态化技术的发展 . 5 1.3 液固两相流的研究进展 . 6 1.4 流化床径向流动结构的研究进展 . 8 1.5 液固流态化流动行为研究状况 . 10 1.5.1 起始流化速度 mf u . 11 1.5.2 最小带出速度 me u . 12 1.5.3 床层的流化特性 . 13 1.6 本文研究的主要内容 . 15 第 2 章 液固两相流模型及研究方法 . 16 2.1 引言 . 16 2.2 研究方法 . 16 2.2.1 颗粒轨道模型 . 16 2.2.2 多相流模型 . 17 2.3 液固两相流动模型 . 18 2.3.1 基本方程 . 18 2.3.2 k-模型 . 20 2.4 虚拟质量力 . 20 2.5 边界条件 . 21 2.5.1 进出口边界及初始条件 . 21 2.5.2 壁面边界条件 . 21 2.6 小结 . 21 第 3 章 液固流化床床层动态特性的研究 . 22 3.1 引言 . 22 3.2 液体速度突变时床层动态特性的理论分析 . 22 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.3 数值方法 . 26 3.3.1 计算对象 . 26 3.3.2 计算网格的划分 . 26 3.3.3 模拟参数的设定 . 27 3.4 计算结果分析 . 28 3.4.1 液体速度突变时的床层动态特性 . 28 3.4.2 界面高度的确定 . 29 3.4.3 床层收缩过程 . 29 3.4.4 床层膨胀过程 . 31 3.4.5 与高晓根等模拟结果的比较 . 32 3.5 小结 . 33 第 4 章 液固流化床中流动特性的研究 . 34 4.1 引言 . 34 4.2 数值方法 . 34 4.2.1 计算对象 . 34 4.2.2 计算网格的划分 . 34 4.2.3 模拟参数的设定 . 35 4.3 计算结果分析 . 35 4.3.1 液固流化床内液固两相的流动行为 . 35 4.3.2 不同的初始颗粒堆积高度对流动的影响 . 40 4.3.3 不同的流体入口速度对流动的影响 . 44 4.3.4 不同颗粒的直径对流动的影响 . 46 4.3.5 不同曳力模型的选用对模拟结果的影响 . 49 4.4 虚拟质量力对流动的影响 . 52 4.5 小结 . 61 结 论 . 62 参考文献 . 63 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 68 致谢 . 69 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 流态化是固体流态化的简称，即依靠流体流动的作用使固体颗粒悬浮在流 体中或随流体一起流动的过程 1。流态化技术现已普遍应用于固体燃料的燃 烧、煤的气化与焦化及化工生产中的气固相催化反应、加热与冷却以及固体物 料的输送等领域，成为跨学科发展的应用技术。 流化床首次在工业的应用是温克勒(fritz winkler)发明的煤的流态化气化 法 2，此法于 1922 年获得德国专利。这个方法是将颗粒状的褐煤或半焦在流化 床中进行氧化，制造发生炉煤气。它不但可以利用一般煤气发生炉所不能应用 的粉煤，而且大大地提高了发生炉单位断面积的处理量，使它有可能超过当时 一般煤气发生炉的三倍。但此后的二十年中，这门技术并未得到任何方面的重 视，直至第二次世界大战中期，为了解决对汽油的需求，美国的石油工业在进 行石油的催化裂化反应中采用了流态化技术，并获得了巨大的成功 3。此后便 出现了一个研究流态化技术的热潮，石油加工工艺在此新技术的基础上也获得 了空前的发展。 从 40 年代中期开始，美国和加拿大等地出现了流态化焙烧装置，用于黄 铁矿、石灰石等物料的焙烧或缎烧，这可视为流态化燃烧技术的开始。近几十 年以来，流态化技术的应用与研究更趋于广泛，不仅应用于石油炼制，而且还 在化工、冶金、制药、燃烧与动力、环保等领域均得到了广泛的重视和开发应 用 4。 50 年代初期，我国便开始对流态化技术进行研究，并在流态化的工业应用 方面做了许多工作。例如：1955 年南京化工公司采用流态化技术焙烧黄铁矿以 产生二氧化硫并制造硫酸；1957 年在葫芦岛流态化焙烧精锌矿生产氧化锌和二 氧化硫获得成功。这是我国流态化技术发展史上两个最早的例子。根据气体和 固体颗粒间两相换热的研究，我国在 1967 年成功地发展了在工业规模的流态 化焙烧炉中焙烧汞矿以提取金属汞的过程。目前在设备设计和操作技术上都取 得了成功的经验。 生产实践表明，流化床用于反应器具有很多优点 5。例如：宏观混合程度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 高；轴向反混能力强；在全混流有利于反应时，可以提高转化率；可在无外加 措施的条件下获得均匀的温度分布，由于流态化具有迅速混合和传热的特征， 许多在一般反应器内难以进行的过程可通过流态化技术而获得解决；热量引入 方便，移出容易；温度控制方便；催化剂易于更换和液体分布不均匀程度最低 等等。 液固流化床反应器具有良好的混合、传热、传质等优点，已经被广泛应用 于化工、能源、轻工、冶金、材料、医药、食品和环保等诸多领域 6。目前对 于气固流化床的研究比较系统、深入，而对于液固流化床的研究较少。利用流 化床的优点，将其应用于液固反应体系之中，有必要对液固流化床内的流动规 律特别是固体流场及固含率的分布进行考察。而且由于流化床内颗粒流体系统 的非线性、结构的不均匀性和流域的多态性 7，迄今为止仍然没有一套完整的 理论体系来描述流化床内液固两相体系的动态特性，更缺乏反应器放大与设计 的普遍方法，因此国际上此领域的研究仍然非常活跃 811。 1.2 流态化概述 1.2.1 流态化现象 固体流态化现象是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层带动固体颗 粒流动而使其具有一般流体性质的现象。与传统固定床相比，流化床采用的固 体颗粒尺寸要小得多，相际接触表面积大为增加，而且悬浮在流体中的颗粒处 于强烈的湍动，从而强化了热、质传递，提高了生产效率，加之能像流体一样 的自由流动，便于物料转移和控制，实现自动化操作。这些特性对大规模现代 化生产具有诱人的吸引力，得到工业部门的广泛应用。流态化技术不仅适用于 颗粒物料的加热、冷却、物料输送、矿物的分选和产品的分级、粉料制粒、表 面浸渍和包膜、干燥脱水、工件恒温热处理等物理过程，而且还适用于催化和 非催化、吸热和放热多种化学过程，在能源转换、石油化工、生物化工、化工 冶金、功能材料、环境防治等工业部门中已经开发了多种流态化新工艺、新设 备12。 1.2.2 流态化体系流型的划分及其相互转变 按构成物系之异，流态化可分为液固流态化、气固流态化和气液固三相流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 态化等。液固流化床中固体颗粒可均匀地分散在流体中，一般称之为散式或理 想流态化。气固流态化与液固流态化存在很大差别。研究发现，气固流态化存 在两个重要特征：在低气速条件下，气体凝并成气泡，即气泡现象；在高气速 条件下颗粒易于聚集成颗粒团，即颗粒团聚现象。因而，在总体上表现出明显 的不均匀性或非理想性。wilhelm 和郭慕孙最早将这类有别于散式流态化的气 固流态化统称为聚式或非理想流态化。近年来，附加外力场（磁场、电场、惯 性力场、振动力场、脉动流场等）的液固、气固和三相流态化已有不少研究， 形成了流态化技术发展的新领域13。 以气固流态化为例，在把流化床中气固运动形式进行区分时，大致是依照 气体操作速度为主线进行的，随气速不断提高，逐次划分为固定床、初始流 化、鼓泡流化、湍动流化、快速流化和稀相输送等操作状态。同时在上述操作 条件下又可根据物系性质的不同，进一步进行区分，在较低速操作时，可分为 散式流化和聚式流化。在较高气速条件下，由于床径和粒径的不同，床内又有 产生或不产生节涌、噎塞和絮状物等现象的区别14。 （1）临界流态化 对于固定床阶段流体向上通过颗粒床层，开始时床层的压降将随流速增加 而增大，当流速增到某一值 mf u时，流体通过床层的压强等于单位床面积上颗 粒的重量与浮力的差时，床层即处于悬浮状态，这时的速度称为起始流化速 度，是判断固定床操作和流化床操作的重要判据。 （2）散式流态化和聚式流态化 颗粒与流体之间的密度差的大小决定了绝大多数的液-固流化属于散式流 化，气-固流化则属于聚式流化，但这并不是绝对的，当固体颗粒粒度和密度 都很小，而气体密度很大时，气-固系统的流化可能出现散式流化；当固体密 度很大时，液-固流化也可能为聚式流化15。关于散式流态化和聚式流态化的 区分，目前已经有了一系列判据来指导生产和科研。然而，严格地讲，散式流 态化和聚式流态化是逐渐过渡的，两者间的划分也应是相对的。因为在流态化 中，过渡状态是普遍存在的。首先，无论是液固流态化还是气固流态化，其本 身都是一个渐变的过程。既存在着“均匀流态化群”也存在着“不均匀流态化 群” ，其流动形态既不具有稳定均匀流态化的性状，也不具有完全不均匀流态 化的性状，具有“亦此亦彼”和“非此非彼”的性质。其次，聚式流态化和散 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 式流态化之间的转换，也是一个过渡过程，而不存在明确的分界线。已有一些 预测，当采用性质介于液体和气体之间的超临界流体作为流化介质时，流化床 的状态将表现为处于聚式和散式之间的一种过渡状态。再次，流态化的影响因 素繁多，流体及颗粒特性、设备结构和操作参数等都对流化床中相结构的构成 有重要影响，而迄今为止的研究结果，还远未达到认清这些影响因素的地步， 故床中两相结构的划分边界常常产生漂移16。 （3）鼓泡流态化 在气速超过临界鼓泡速度 mb u之后，气-固床层进入典型的聚式流化区，在 此区域内，大部分的气体以气泡形式穿过床层，气泡呈球冠形，其大小随气速 的增加而增大，而且气泡在上升过程中不断聚并。气泡的出现对床层操作性能 的影响具有两重性。首先大部分气体以气泡形式通过床层，使得床层可以在远 远大于单颗粒带出速度下操作，而且气泡尾迹对颗粒的携带作用是造成颗粒大 量返混的主要原因，这时颗粒激烈湍动，使得床内温度均匀并具有很高的换热 能力。但是气泡也造成气体大量短路，使得气固接触条件恶化。 （4）湍动流态化 在鼓泡流化区内，随着空床线速的增加，气泡急剧合并，因而气泡尺寸不 断增加，床层不均匀程度加大，但在气速超过某一临界值后，由于气泡破碎速 度超过合并速度，随着空床线速的提高，床层压力脉动幅度和气泡尺寸反而不 断减小床层趋于平稳，这就是鼓泡流化向湍动流化过渡的开始，在湍动区内， 气泡处于不断地急剧合并和破碎的过程中，因而气泡外形不再具有典型的球盖 形，平均尺寸减小且在床内径向与轴向的分布基本保持稳定，从而流化行为得 到改善。 （5）节涌流态化 如果流化床高径比较大，且颗粒直径也较大时，床层可能进入节涌流化操 作在此区域内气泡迅速长大，达到床径的尺寸而形成气节，这时沿床高相继出 现气节和分散相。气节由于受到床壁的影响，其上升速度要比气泡低。要判定 鼓泡床向节涌床转变是相当困难的，这是由于颗粒特性、气速和床径之间的相 互影响颇为复杂的原故。 （6）快速流态化 由于湍动流态化，表观气速进一步增大，颗粒带出速率逐渐增加，在一定 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 条件下，颗粒带出速率突然增大，达到气体的饱和携带能力。在没有颗粒补入 或循环的情况下，床层颗粒即被全部带出；相反，若以与颗粒带出相等的速率 补入颗粒，则形成一种不同于传统密相流化床的流化状态，此即快速流态化。 （7）稀相输送 由快速流态化进一步提高气速，床层最终进人稀相输送状态，此时颗粒几 乎均匀地分散在气体中，气固沿轴向近于平推流流动，气固间滑落速度接近于 单一颗粒终端速度，床层流化行为类似于散式膨胀。 1.2.3 流态化技术的发展 随借用流态化方法处理固体物料的记录可追溯到古代。在中国，明代(公 元 13681644 年)宋应星所著天工开物中生动而形象地记载了数百年前人 类使用“淘金盘”从矿物中富集金属进行冶炼，以生产武器、农具和工艺品 等。也记载了利用风力扬场除去混在谷物中的杂物等流态化实例。前者属现代 所谓的液固流态化，后者属气固流态化。在西方，1556 年 agricola 所著冶金 术中也记载过跳汰选矿的液固流态化方法。1879 年世界上第一个流态化技术 专利问世。上世纪 20 年代初，德国 basf 公司设计建造了世界上第一个流态 化工业装置，即 winkler 煤气化炉，以生产煤气，开始了流态化技术的应用尝 试。二次大战期间，由于汽油和合成橡胶需求的激增，美国美孚石油公司与麻 省理工学院的 lewis 和 gilliland 等人合作开展流态化基础研究，并成功地开发 了流态化石油催化裂化新工艺。开创了现代流态化技术工业应用的新时期。随 后，采用流态化技术的新工艺、新设备不断涌现，有关流态化的基础研究蓬勃 发展，气固多相流及其传递成为跨越不同行业的前沿研究领域。1956 年美国人 othmer 总结了当时基础和应用研究成果，发表了世界上第一部流态化专著， 为流态化技术的进一步发展铺上了一块闪光的基石。 1940 年以来，流态化技术的发展历程可粗略地分为两大发展阶段：前 25 年，以研究液固散式流态化和气固鼓泡流态化及其应用为主要内容；后 25 年，颗粒团聚型气固流态化和三相流态化的研究占有格外醒目的地位17。 二十世纪五十年代以前，传统的液固流化床及气固鼓泡流态化得到了广泛 的研究18-20。之后，国内外学者的研究集中到液固循环流化床、气液固三相循 环流化床以及快速流态化等方面21-23，如郭慕孙，李佑楚等人对无气泡气固接 触进行了研究；清华大学的梁五更和 western ontario 大学的祝京旭等学者对液 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 固循环流化床和气液固三相循环流化床在动力学方面进行了广泛研究24-26。祝 京旭等人用玻璃珠和塑料珠为固相研究了液固循环流化床径向结构；梁五更等 人用玻璃珠为固相研究了液固循环流化床的流动特性以及气液固三相循环流化 床液相流动情况和返混；郑颖等人研究了全床压降平衡和系统稳定性问题等。 1.3 液固两相流的研究进展 液固两相流动广泛存在于自然界和许多工业部门，在诸如环保、水利、电 力、化工冶金工程等领域均可遇到，研究液固两相流动规律具有重要的意义， 因此很多学者做了大量的工作。 jenkins 和 savage27,28在假定颗粒之间的碰撞近乎弹性和无摩擦的基础 上，提出了描述颗粒相运动的颗粒流方程。但方程仅适用于低浓度固液两相流 中的均匀球形颗粒，适用范围较窄。savage 等在将分子运动论引入颗粒流研究 并对快速颗粒流和慢速高浓度颗粒流的流动机理进行系统研究后，又探讨了颗 粒大小不同时两组分混合颗粒流在明槽中的分选现象。 krieger i m29等学者首先注意到高浓度固液两相流的流动和输运特性与低 浓度固液两相流有着很大的不同，高浓度挟沙水流经常表现出非牛顿流体的特 性。spalding30在计算不可压单相流体的 simple 算法的基础上提出了适用于 两相流动 ipsa(inter-phase-algorithm)算法。但 ipsar 算法仅考虑了速度修正 值而得到了浓度加权压力修正方程，没有考虑浓度修正值的影响，然而当颗粒 相浓度较高时，由于颗粒之间作用增强，颗粒浓度变化也较大，浓度分布很不 均匀，从而容易导致数值求解的发散，因此该算法只适用于浓度变化不大的流 动。 chen31-33就含有粘性颗粒的高浓度固液两相流，提出了关于屈服应力和宾 汉粘性系数的经验表达式，表达式中采用颗粒浓度和反映颗粒大小组分的变 量。并且 chen 建立了高浓度液固两相流的理论模型。虽然该模型能够合理地 描述流体和颗粒的宏观运动特性，但不能充分解释颗粒与颗粒的相互作用，更 不能描述颗粒运动的微观特性。 倪晋仁、王光谦等34-36利用固体颗粒运动的动理论，通过改变颗粒浓度可 以考察非粘性颗粒在水流中运动的典型微观和宏观运动特性。本文分别对微观 的颗粒速度分布函数变化和由此衍生的诸如颗粒平均速度、颗粒脉动速度和单 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 位体积颗粒数垂线分布等宏观变量的变化进行了系统比较。提出了动理论能够 比传统理论获得更详细的微观和宏观信息，也更适合研究高浓度固液两相流运 动特性，颗粒运动微观和宏观特性在颗粒浓度超过一定阈值后会发生本质的变 化，但临界颗粒浓度值(阈值)在不同的计算和实验条件下会有一定的差别。倪 晋仁还建立了颗粒分选模型，并提出了关于固液两相流中颗粒浓度分布规律的 统一公式。 韩文亮等37提出了固液两相流的不稳定方程，并对水击的压力进行了验 证。结果表明： （1）两相流伪均质流的连续方程和一相流连续方程，形式基本 一致，其差别主要是水击压力波的波速为伪均质流的波速； （2）两相流伪均质 流的运动方程和一相流运动方程基本形式也相似，但阻力项不同于一相流运动 方程，由于流体中大量固体颗粒的掺入，一般情况大于一相流的阻力，因而阻 力损失和一相流相比，增加了固体颗粒引起的附加阻力； （3）固液两相流不稳 定流方程在形式和一相流基本相似，当固体颗粒的浓度趋于零时，等于清水的 不稳定流方程，但在固体颗粒浓度高时，它不同于清水的水击方程在计算两相 流管道的水击压力时具有更高的精度。 王长安38也借用了 simpler 算法的思想，对 ipsa 进行了改进，提出了 ipsar（ipsa-revised）算法。ipsar 算法同样也存在着 ipsar 的问题。姜培 正等39又在 ipsar 算法的基础上，考虑浓度变化的影响，推导了适用浓密液 固两相流动的 dipsar（dense-ipsar）算法，在浓度加权压力修正方程中引 入了由于浓度修正值所导致的附加项。其改进后的 dipsar 算法可适用于浓密 液固两相流动的计算。同时，为了较准确估计颗粒浓度分布，在颗粒的浓度控 制方程中计入了颗粒湍流强度梯度传输的影响，接近工程实际的应用。刘大 有、路展民40利用激光多普勒分相测量技术，考察了液固两相自下而上通过竖 直矩形管时，固液两相流的时均速度、流向及横向的脉动强度和颗粒项的相对 浓度分布，证实了颗粒浓度的横向分布主要取决于颗粒的横向脉动强度分布。 魏进家等41全面地考虑了流体相和颗粒相的湍流流动及单颗粒随机脉动， 建立了适用于稠密液固两相湍流流动的 ket 模型，对竖直上升管道中稠密液 固两相湍流进行数值模拟，所得结果表明，其模型能够较准确计算出颗粒相的 湍流脉动，其它物理量预测也与实验值吻合较好，他们的模型可用于描述稠密 液固两相湍流流动特性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 1.4 流化床径向流动结构的研究进展 上世纪 50 年代以来，国内外学者对不同流化床的径向流动结构，包括液 体流速，固体颗粒速度，床层空隙率，局部气/固含率等流化床参数的径向分 布进行了大量的研究。1954 年，richardson 和 zaki 对传统的液固流化床进行 了研究，建立了描述液速和床层空隙率的关系式42。后来，kwauk 研究认为 r-z 关系式可用于并流和逆流的液固流态化体系。richardson 和 kwauk 等认为 传统的流化床中固体颗粒分布十分均匀，轴径向局部固含率处处相等。这是传 统流化床的理想状态，与实际情况有所差别。近年来，国内外学者对气固流化 床、液固流化床和气液固三相流化床等不同类型的流化床的轴径向分布进行了 大量的研究，得到不同操作条件下局部相含率的轴径向分布，并建立了相应的 关系式。 液固流化床由液体和固体两相组成，通常以水作为液相。与气固床相比， 液固两相之间的密度差异较小，所以液体对固体颗粒的作用力不仅体现在液体 与固体颗粒之间的相对速度差引起的曳力上，还表现在液体对固体颗粒的浮力 上。早在 1954 年，richardson 和 zaki42便对传统的液固流化床进行了研究， 认为传统的流化床中固体颗粒分布均匀，轴径向局部固含率处处相等，并以此 为理论依据建立了描述液速和床层空隙率的关系式，这是传统流化床的理想状 态，与实际情况有所差别。但在后来的研究中，为简化模型假设，常常认为传 统流化床局部固含率的径向分布均匀一致，因而很少有文献对传统流化床的径 向分布进行研究。近年来，国内外学者将注意力集中到循环床上，对液固循环 流化床进行了大量的研究。liang 等43,44在高为 3 m，直径为 140 mm 的液固循 环流化床中，分别以平均粒径为 0.405mm、密度为 2460 kg/m3的玻璃珠和平均 粒径为 0.385mm、密度为 1380kg/m3的硅胶颗粒为固相，采用电导探针测量局 部相含率的轴径向分布，对液固循环流化床的流动结构进行了研究，建立了描 述该现象的环核模型。研究发现：固体颗粒在床中心处含量较少，在壁面处含 量较多，呈现出沿径向逐渐增加的趋势。造成这种径向分布不均匀的原因在于 液体流速的径向不均匀性分布，使得床中心液体流速高，固体颗粒少，而近壁 面处液体流速低，固体颗粒多，导致了局部固含率的径向分布；zheng 等45分 别以平均粒径为 508m、密度为