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气固流化床固体浓度分布的冷模研究
第23卷第l期
2009年2月高校化学工程学报JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesNo.1、,bI.23Feb.2009
文章编号:
1003-9015(2009)01-0045-06
基于枝条形分布器的气固流化床固体浓度分布的冷模研究
蔡进1,李涛1,孙启文2,应卫勇1,房鼎业1
(1.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室大型工业反应器工程教育部工程中心,上海200237;
2.上海兖矿能源科技研发有限公司,上海201203)
摘要:
实验在内径O.284m、高度6.000him的气固流化床冷模装置中进行,采用PC6D型光纤粉体浓度测试仪来检
测固体浓度。
实验系统由有机玻璃简体、气体分布器、气体缓冲罐、冷冻干燥机、流量计、光纤测试仪和旋风分离器
组成。
使用开孔率均为0.5'/0的枝条形气体分布器,以直径为154x10“一180×10“m、密度为2550kg・m。
的砂子为固体
颗粒,压缩空气为流化气体,在静床高为0.“1.5m,表观气速为O.3~0.6m・s。
的情况下,考察了时均固体浓度在空间
的分布。
实验结果表明,表观气速的增加会使密相区的固体浓度减小。
静床高较小(O.6m和0.9m)时,床层密相区的
固体浓度的分布比较简单,随着径向位置的增加而增加,随着轴向位置的增加而减少。
静床高较大(1.2m和1.5m)时,
床层密相区的固体浓度的分布比较复杂:
径向仍然呈现中心稀边擘浓的规律;从轴向来看,整体上满足下浓上稀的分
布,但是中问存在波动,床层高度H=O.4^D.8m区域固含率的等值线近似为椭圆。
实验结果能够为工业流化床反应器
优化设计提供基础数据。
关键词:
固体浓度;气固流化床;分布器;静床高
中国分类号:
TQ051.13文献标识码:
A
SolidConcentrationDistributioninaGas-solidFluidizedBedBasedonaBranched
PipeDistributor
CAIJinl,LITa01,SUNQi-wen2,YINGWei.Yon91,FANGDing.Yel
(1.EngineeringResearchCenterofLargeScaleReactorEngineeringandTechnology,MinistryofEducation,StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai
200237,China;2.ShanghaiYankuangEnergy
aR&DCo.,Ltd.,Shanghai201203,China)Abstract:
Thesolidconcentrationdistributionin
probesasgas-solidfluidizedbedWasstudiedbyusingfiberopticalandetectingapparatus.TheexperimentalsystemWascomposedofacryliccolumnwithabranchedpipetypegasdistributor,acompressor,aseriesofknock-outdrums,afreeze
detectingsystemand
mixturea6"yer,afiberopticalprobeseriesofcyclones.Theexperimentswereconductedatambientcondition;theairandtheofsandswithdiameterof(154-180)Xl旷mandaveragedensityof2550kg・m。
wereusedasfluidizinggasandfluidizingparticlesseparately.Underdifferentoperatingconditions,suchasthesuperficialgasvelocitiesof0.3~0.6m・s~,theinitialbedheightsofO.6 ̄1.5m。
theeffectSofsuperficialgasvelocityandinitialbedheightonthesolidconcentrationdis仃ibutionalongtheradialdirectionandaxialdirectionofthecolumnweremeasuredanddiscussed.Theexperimentalresultsshowthatthetime.averagedsolidconcentrationinthedensephaseareadecreaseswiththeincreaseofsuperficialgasvelocity.WhentheinitialbedheightiSsmall(0.6~0.9m),thetime-averagedsolidconcentrationdecreasesaxiallyandincreasesradically;whilewhentheinitialbedheightishigher(1.2~1.5m),thetime—averagedsolidconcentrationstillincreasesradicallyandintheaxialdirectionitdecreasesonthewhole,butthereiS
aafluctuation,whichlcadstheequalvaluelinesofthetime.averagesolidconcentrationtoformseriesofellipticcontoursintheaxialpositionof0.4~0.8mand
收稿El期:
2007・lI-29。
修订日期:
2008・05-07。
基金项目:
博士点螫金资助工贞tr-I(20050251006)。
作者简介t椠进(1981-).男,湖北天门人,华东理1=大学博士生。
通讯联系人:
应卫勇,E・mail:
wying@ecustedu.“万方数据
高校化学工程学报
causes2009年2月providebasicdataforthisareahashigherpossibilityofappearingbubbles.Theresultsofthisstudycall
thedesignandoptimizationofindustrialfluidizedreactors.
Keywords:
solidconcentration;gas・solidfluidizedbed;distributor;initialbedheight
l前言
自1926年Winkler首次将流态化技术用于粉煤气化uj以来,气固流化床以其显著的优点引起了众多研究者的关注。
气固流化床广泛应用于颗粒混合、石油加工、冶金和矿物加工、环保、电子与光电工业、生物质转化、煤的燃烧和气化、F-T合成等方面。
气固流化床中固体浓度(或称固相体积分数=l-e,8为空隙率)的分布反映了流化床中气固流动状况和接触状况,是两相间动量传递、热量传递、质量传递的最重要的参数之一。
测量流化床中局部固体浓度的方法通常有放射性元素测量技术,电容固体颗粒浓度测量技术,光纤颗粒浓度测量技术以及高速摄像技术等。
Taghipour等【2】采用中国科学院提供的PCA型光纤颗粒浓度测试仪对高1.0m、宽O.28m、厚0.025m的二维Plexiglas床进行了研究。
Issangya等【3】研究了高6.1m、直径O.076m的提升管中空隙率的径向变化。
Xu等【4】根据在高11.Om,直径0.09m的循环流化床提升管中的数据,发展了Zhang等【51的关联式,对提升管中不同流动区域的径向空隙率分布进行了关联。
Gungor等垆J对直径O.05~0.418m、床高5~18m的循环流化床中的流体力学实验数据进行了比较和数值模拟分析。
杨虎等【71采用PC4A型光纤颗粒测速仪在直径为0.09m的流化床中测定了不同颗粒在床层不同位置处及不同表观气速下的时间序列,并对空隙率波动信号的自由度数进行了研究。
张志攀等【8】在轴对称假设的条件下,将X光成像系统用于测量气固流化床的固体浓度分布,使用新型x光探测器和改进后的回归算法对投射图像进行重构还原,得到了流化床中径向颗粒浓度分布。
Wu等【9】采用压力波动与x光CT技术对不同直径(0.1
固流化床中的时均固体浓度分布进行了测定并讨论了流化床的放大效应。
尽管研究者已经对固体浓度的分布作了大量的实验研究,提出了许多经验或半经验公式[4,10,11】。
但对气固流化床中的整体固体浓度分布进行定量描述的文献并不多见。
由于流化床中内部构件(含分布器)、流体运动以及颗粒物性的复杂性,各种条件下的固体浓度分布仍有进一步考虑的必要性。
本文对基于枝条形分布器的气固流化床中的固体浓度分布进行了实验研究,枝条形分布器采用中心对称结构,由正交的两根主管和多根支管组成,具有良好的气体分布效果。
m、0.2m、0.3m)气
2实验部分
本文所建立的实验装置
主要由供气系统、气固流化床
实验设备系统、PC6D型颗粒
浓度测量仪及计算机分析系
统组成,如图l所示。
冷模装置采用有机玻璃
材料制作,整个装置外部用钢
材料的支架支撑,高度6.0m,
内径为0.284m,上部设有高
度为0.70m,内径为0.484m2
图1实验系统
Fig.1
1.compressor的扩大段,底部设卸料口和分布器,距底部1.80m处设进
料口。
本实验中使用开孔率为
O.5%的枝条形分布器,为减少6.post-filter7.valveExperimentalsystem3.valve4.pre-filter5.freezedryer2.knock-outdrum8rotamater9.pressuregauge10.valve1Idistrtbutor14.computer12.secondarygasdistributionplate13.fiberopticprobesystem16.cyclone17.gasoutlet15.materialinlet
分布器主管和支管上部的死区,使分布更均匀,设置了孔径2xlO-3m的喷嘴。
万方数据
第23巷第1期蔡进等:
基于枝条形分布器的气固流化床固体浓度分布的冷模研究
47
实验固体颗粒为砂
子,粒度为154~180x10-6
Material
dF/m
m¨嚣。
言篡竺冀篡dpa触
,Js/kg.m~
s
仉v/m-s=1ClassificationofGeIdart
m。
静床高分别取0.6
0.9m、1.2m、1.5
m、
!
型
f!
!
竺!
!
12:
!
垒二:
!
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!
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:
丝!
:
!
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表2实验条件
堡
m,实验气体为压缩空气,表观气速取0.3-0.6
m.s一。
实验颗粒性质与实验条件分别见表l和表2。
实验气体由气体压缩机提供,经缓冲罐,再经气体冷冻1面磊丽百茹瓦丽而i广—面商丁一
黧嚣2:
裟嚣%
善亨nc“edmpe
堡坐兰坠巳堕坚!
望!
!
!
!
塑坐垡旦墅
干燥机滤除其中的水、油等杂质后由流量调节阀调节流量,
并经转子流量计计量,进入流化床的底部,将堆积于流化床』业坐盟堕出也—————她二LL一中的砂粒吹起。
流化床顶部装有旋风分离器组,以捕集从床层中逃逸的颗粒。
在流化床侧壁的不同高度
处设置探测孔,将光纤探头从探测孔处插入流化的颗粒层,通过改变探测孔的位置和探头插入的长度来测定颗粒在床层中轴向、径向不同位置的固体浓度。
3结果与讨论
3.1表观气速对固体浓度分布的影响
表观气速是气固流化床反应器最重要的操作条件之一,它的大小直接决定反应器内流体的流型,影
响流化质量。
图2所示的是在静床高疡=0.6
m,轴向
O.44
位置H=0.4m,不同径向位置(无因次半径,./R=0、0.1、O.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)处
时均固体浓度随表观气速的变化趋势。
由图2可以看出,在该测定区域,固体浓度在各个径向位置均随着表观气速的增大而减小。
这是由于该区域属于密相区,气速的增大,使得气泡通过床层的频率增大,床层中湍动程度加剧,密相区增大,密相区固体浓度减小。
3.2轴向位置对固体浓度分布的影响
早期的研究表明,固体浓度沿轴向呈上稀下浓的不均匀分布,可以用底部浓相、顶部稀相、中问有一拐点的S型分布来描述。
另外一些研究者的结果则可
o.42
’o.40
O.38
o-36
o.30o.35o.40o.45o.50o.55o.60o65
Ⅱ/m・s-1
图2表观气速对时均固体浓度的影响
Fig.2
Effectofsuperficialgasvelocity
concentranon
on
time-averagedsolid
用指数函数来表示。
图3显示了静床高凰=1.5
m时,
一-一,/R=0.0
不同表观气速(甜=0.3、0.4、0.5成绩m.s-1)下,床层巾心线上不同轴向位置处的时均固体浓度分布。
可以看出,轴向位置从O.4m增加到I.5m的过程中,固体浓度整体上呈现逐步下降的趋势,但在0.6~0.8m处存在一个波动。
这是由于在气体和固体颗粒的作用过程中,固体颗粒由于密度较大,受重力的影响显著,总是倾向于向床层底部沉降,而气体则是不断穿越床层,并通过曳力给固体颗粒提供能量。
因此随着轴向位置的增大,能够获得足够能量上升到该区域的固体颗粒减少,固体浓度也相应减小。
图3中轴向固体浓度的
十,/R=0.6
o
一v—r/R=0.3—-pr/R=0.4—H—r/R=0.5
—9一,/R=0.7
一-卜~r/R=08
r/R=0.9—一・一,/R=1.0
一。
一,/R=0l一△一r/R=02
Ⅳ=0.4m,爿i=0.6m,a=0.5%branched
pipedistributor
波动表明,在0.“0.8m处存在着一个气泡相对集中的
区域,该区域的气泡不能及时向上穿越床层,这是由
于静床高为1.5m时,由于固体颗粒储量较多,床层
图3轴向位置对时均固体浓度的影响
Fig.3
Effectofaxialdistance
On
中存在着较大的压力梯度。
当静床高为1.2m时,床
time-averagedsolidconcentration
万方数据
48高校化学工程学报2009年2月层中也存在这样一个气泡高频区;而当静床高较小(0.6m和0.9m)时,该区域不再存在,床层中轴向固体浓度呈现单调下降的趋势。
3.3径向位置对固体浓度分布的影响
图4描述了在静床高no=0.6m,轴向位置H=0.4m,不同表观气速(O.3m.S-1、0.4m.s-1、O.5m.s-1)下,床层固体浓度随着床层中径向位置的变化规律。
由图4可以看出,随着无因次半径,./尺的增大,固体浓度增加,即在床层中心位置,固体浓度较小,而边壁处固体浓度最大。
这是由于存在壁效应,使气泡在上升的过程中有向中心聚集的趋势。
结合文献资料对颗粒速度在径向位置分布的研究可知,中心处颗粒速度高,边壁处颗粒速度低,甚至会出现反方向往下流动的状况,再加上实验中所使用的气固流化床,颗粒速度总是小于气体速度,这使得颗粒沿壁面的停留时间长,轴向颗粒出现返混,从而合理解释了同体浓度随着无因次半径的增加而逐渐增加的规律。
这与大多数学者的研究结果一致。
r/R
图4径向位置对固体浓度分布的影响
Fig.4图5静床高对固体浓度分布的影响Fig.5EffectEffectofradialdistanceonofinitialbedhei【ghton
time-averagedsolidconcentrationtime・averagedsolidconcentration
3.4静床高对固体浓度分布的影响
气固流化床内的流动极其复杂,固体浓度不仅与气速、颗粒物性及床层直径,轴、径向位置等因素有关,还与固体颗粒物料的储量多少(静床高)有关。
图5显示了在轴向位置Ⅳ=0.4m的床层中心处,不同表观气速(0.3
m.S~、0.5m.s.1、0.4m.s_1)下的静床高
对固体浓度的影响。
从图5
可以看出,固体浓度随着静
床高的增加而增加。
静床高
增加,则同体颗粒的重力增
大,在床层中产生的压力增
大,在相同的实验条件下对
戍位置处固体颗粒的浓度
增加。
、毫暑
3.5静床高H0=0.6m时
的固体浓度分布
在静床高为0.6m,表
观气速为O.3m.S-1、0.4
m.S-1、O.5m.s-1的情况下,,/mr/mr/m(c)Ⅳ=0.5m.s一(a)Ⅳ=0.3m・s一1(b)“=0.4m・s-1
图6不同表观气速下的时均固体浓度分布时均固体浓度的分布分别
如图6(a)、6(b)、6(c)所示。
Fig.6
腻J=0.6mtime-averagedsolidconcentrationcontoursa2underdifferentsuperficialgasvelocitiesO.5%branchedpipedistributor万方数据
3.02.1
第23卷第l期蔡进等:
基于枝条形分布器的气固流化床固体浓度分布的冷模研究49图中,,Ⅳ分别表示径向与轴向的绝对坐标。
日=0.4m表示的是分布器上方0.4m的位置。
由图6(a)可以看出,表观气速0.3m.s~、Ⅳ=0.4m时,从床层中心到靠近壁面处,固体浓度由0.401逐步上升到0.447;日=0.6m时,从床层中心到靠近壁面处,固体浓度从O.313上升到0.422。
这主要是因为壁面效应的影响使得床层中心的阻力相对较小,气速相对较大,气体在该区域所占的体积分额较大,也就足固体浓度较小。
从轴向来看,在表观气速O.3m・s一、,.=0时,从轴向位置H=0.4m到H=0.9m,固体浓度从0.401逐步减小到0。
图6(b)、6(c)也符合同样的轴、径向分布规律。
比较图6(a)、6Co)、6(c)可以看出,随着表观气速的增加,流化床膨胀显著,床层高度呈现明显的上升趋势,从0.3m.s-1时的0.9m上升到0.5m.s-1时的1.26m。
这是由于表观气速越高,气体给固体颗粒提供的能量越大,使固体颗粒能运动到更高的地方。
比较图6(a)、6(b)、6(c)的相应位置可以发现,H=0.4m附近,气速为0.3m・s-1时,固体浓度较高;而Ⅳ=0.6m附近以及更高的区域,气速O.3m.s叫时的固体浓度相对较低。
这是由于当系统物料一定的时候,较高的气速会使床层高度增大,将位于床层下部的部分固体颗粒吹送到较高的位置,因此导致床层下部固体浓度变小;而上部固体浓度变大,但整体上仍呈现下部浓上部稀的分布。
3.6静床高凰=1.2m时的固体浓度分布
1。
2
m.s-1、o.5m.s_-的情况下,
:
言鬻嚣篇!
I喜.;毒!
j晷!
l}垂!
:
ji翥;訇L2[警善;亭爹;?
l由图7(a)可以看出,表观气¨胜:
雾划m麟繁浏¨簿刘暑}一毫;.棼f《jj?
纠
速m.s.t、胃=o.4}芦:
≤i乎乏刘≤亭二:
蔓日k;毒琴≮甏了j暑
,芋翼g}l暑囊i,耋二J
m时,逞茜I:
!
‘篡蔓j‘3
从床层中心到靠近壁面处,
霎鬣戮黠茇¨降罄.1Ii零?
Io.8陲辜.i宝鬟i露Io.8艮毒,一专’。
j司
};溪蒸剖
床层中心到靠近壁面处,固o.6
体浓度肌395上删li蔓譬一‘蓦il¨I|{誉事+挚毒≮{l隧?
浏
o.544。
从轴向来看,在表¨匿j羔二二二。
王童i隧一:
鞫睡i≥鞘o.嚯≯+:
≤≥?
毫:
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二窘.劐04匿主:
.:
:
:
盛淘¨I基墼.上.!
,i三:
!
盏隧,.:
绷万方数据
50
高校化学工程学报2009年2月
4结论
使用开孔率为0.5%的枝条型气体分布器,以直径为(154~180)×10.6m、密度为2550kg.m-3的砂子为固体颗粒,压缩空气为流化气体,在静床高为0.6~1.5ITI、表观气速为O.3卸.5m.s一的情况下,考察了不同表观气速、径向位置、轴向位置、不同静床高对流化床内时均固体浓度分布的影响。
结果表明,在实验条件范围内:
表观气速的增加会使密相区的固体浓度减小。
静床高较小(O.6in和0.9m)时,床层密相区的固体浓度随着径向位置的增加而增加,随着轴向位置的增加而减少。
静床高较大(1.2m和1.5m)时,床层密相区的固体浓度的分布较复杂:
径向仍早现中心稀边壁浓的规律;轴向整体上呈下浓上稀的分布,但中间存在波动。
床层高度H=0.6 ̄0.8m区域气泡出现的概率较大,在H=0.4 ̄o.8m区固含率的等值线近似为椭圆。
符号说明:
B~GeldartB类颗粒d一床层直径,m
日
,
占
l-z
口
一床层高度(基于分布器)。
m
一,卒隙率
一固体浓度一密度,kg・m。
一初始状态一气相
一最小流化状态一颗粒
一径向坐标(基于床中心线).m
一床层半径,m
下标
0gmfP
尺,/尺
甜
一无因次半径一表观气速,m・s。
1
一分布器开孔率
口
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ZHANG
Zhi.pan(张志攀),LIUHui—e(支UJ会娥),LUOGuo-bua(罗国华)eta1.PortableX-rayphotog
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