多层筛板流化床料层均匀性的研究

2008年第39卷第7期 《浙 江 化 工 》 文章编号:1006-4184(2008)06-0013-04 收稿日期:2008-03-21 作者简介:郝文亮(1982-),男,硕士研究生,研究方向为热质传 递及相关设备的研究。 多层筛板流化床料层均匀性的研究 郝文亮,杨阿三,孙 勤,程 榕,郑燕萍 (浙江工业大学 化学与学院,浙江 杭州 310014) 摘 要:研究了顶层进料均匀性、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;多釜串联模型可以很好的模拟多层流化床内的流动 混合情况。 关键词:多层流化床;进料进气;均匀性;停留时间 0引言 多层流化床是在单层流化床的基础上发展而 来的,与单层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[1-3],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],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,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,通过对多层流化床固体停留时间分布的研究, 得出料速、气速等因素对料层的影响,对于解决上 述问题都是非常必要的, 1实验部分 实验采用的多层流化床内径为180mm,共三层 分布板,无导流管,分布板间距 250mm,材质均为增 强聚丙烯。采用筛板型分布板,厚度 10mm,筛板孔 径 13mm,正三角形排列,开孔率 30%。固体进料采 用螺旋进料机,由调节调速电机调节进料速率。 实验流程如图1所示,在料斗中加入物料,开启 风机,调节空气流量至所需值;开启螺旋进料机,并 调节至所需转速;当气量和进料量达到稳定后,记 录各床层压降。 1-分布板;2-U型管压差计;3-风机;4-转子流量计; 5-空气调节阀;6-螺旋进料机;7-调速电机; 8-气体分配器;9-物料分配器;10-物料收集器 图1实验装置示意 Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus 13- - Vol.39No.07(2008)ZHEJIANGCHEMICALINDUSTRY 实验物料选用小米,平均粒径为 1.52mm,颗粒 密度为1120kg·m-3。流化气体选用常温空气。 固体布料器采用两种结构:(1)圆锥体;(2)圆锥 体加多孔板,见图2。并按布料器与下料管的距离分 为5种。 进气方式分为周边进气和底部中心进气两种, 结构示意见图3。 由于正常操作情况下难以测定进料分布的均 匀性,因此采用在不进气的条件下测定进料分布的 均匀性来近似代替,将顶层分布板替换隔板,板上 有6层高度为50mm、间隔为 15mm的同心圆筒。通 过测定一定进料时间内各圆环内的物料高度,得到 布料量的径向分布。实验测得的不同径向位置上物 料的高度H与单位面积物料质量M成正比,即H∝ M。布料均匀性可以用无因次方差来表示: (1) 流化床料层的高度通过 U型管压差计测量各 流化床的料层压差得到,测量点分别在分布板下沿 和稀相区,所测压差减去干板压差即为料层压差。 料层压差和料层高度的关系式为: (2) 从上式中可看出,料层压差和料层的高度成正 比。各料层高度的均匀性也用无因次方差来考察, 方差越小各料层高度越接近。 2结果与分析 2.1布料均匀性的影响 布料均匀性与布料器类型有很大关系,并与进 料速率有关,从表 1中可以看出,圆锥加上多孔板 后,均匀性有较大改善。 锥体分配器 锥体加孔板分配器 图2进料分配器示意 Fig.2SchematicdiagramofMaterialdistributor 图3气体预分布器示意 Fig.3SchematicdiagramofGasdistributor 表1布料器类型及布料径向分布方差 Table1Radialdistributingvarianceofdifferentsoliddistributors 距下料管 底面距离/cm 5 5.5 7.5 7 8 布料器 代号 1 2 3 4 5 0.52kg·m-2·s-1 0.1404 0.2433 0.9989 1.6532 1.7044 0.64kg·m-2·s-1 0.1193 0.4143 1.1505 1.7249 1.7638 0.83kg·m-2·s-1 0.0851 0.7444 1.4817 1.7208 1.7949 布料器类型 圆锥体加多孔板 圆锥体 布料分布方差 以 5种分布器分别考察了布料均匀性对上中 两料层均匀性的影响,结果见图4。从图中可以看出 上中两层料层高度方差随着布料分布方差的减小 而减小,即布料均匀性越好,上中两层料层高度越 接近。 (u=1.35m·s-1,G=0.64kg·m-2·s-1) 图4布料均匀性对上中两层料层均匀性的影响 Fig.4Varianceoftopandmiddlematerialheight (G=0.64kg·m-2·s-1) 图5气速对上中两层料层高度方差的影响 Fig.5Effectofgassuperficialvelocityonvarianceoftop andmiddlematerialheight 14- - 2008年第39卷第7期 《浙 江 化 工 》 图 5为不同布料器在不同表观气速下上中两 层料层的高度方差。可以看出布料器布料越均匀, 低气速下上中两层料层高度越接近,但随着气速的 增加,布料的均匀性对上中料层高度均匀性的影响 逐渐变小。 分析上述现象原因:多层流化床一般属于浅床 操作,物料下落会冲击流化床层对分布板区产生一 定影响,布料不均匀会导致分布板布气不均,影响 部分筛孔中物料的下落,使总体料层上升。但随着 气速的增大,流化料层增高,物料下落对分布板区 的冲击减弱,因此对料层高度影响减弱。 从图5中还可以发现,每一种布料器在一定气 速范围内上中两料层较均匀,其原因有待于进一步 研究。 布料均匀性对料层高度也有很大影响,图 6为 相同进料速率和表观气速下上层与中层料层压差 与布料方差的关系。从图中可以看出中层料层压差 随着布料分布方差增大而减小,上层料层压差随着 布料分布方差增大而增大。 2.2进气方式的影响 实验考察了底部进气和周边进气两种方式对 下中两料层的影响。由图 7可以看出在低气速下, 底部进气方式中下两层的料层均匀性明显优于周 边进气方式,但气速较大时两者差别不大。从图中 还可以看出,两种进气方式中下两层的料层均随着 进气量的增大而趋于均匀,但底部进气更易使料层 达到均匀。随着气速的增大,流化料层增高,气流预 分布对料层高度的影响减弱。 原因可能是进气预分布对底层分布板气体分 布均匀性的影响所造成。底部进气方式更易形成较 好的均匀预分布,但在较大进气量下两者差别不大。 而中层分布板由于底层分布板和流化料层的影响, 布气均匀性要明显优于底层分布板布气,因而造成 中下两料层高度的不均匀。因此要改善中下两料层 高度的均匀性,需提高进气的预分布均匀性。 底部进气时气流由底部成分散型向上流动,气 体的预分布较好,而周边进气由于离分布板距离较 近,不利于气体的预分布。 因此在设计时应使周边气室距分布板足够的 距离。 2.3固体停留时间分布 (u=1.35m·s-1,G=0.64kg·m-2·s-1) 图6布料均匀性对上中层料层压差 Fig.6differentialpressureoftopandmiddlematerial 图7不同进气方式流化床下中两层料层高度方差 Fig.7Varianceofstormandmiddlematerialheightat differentgasinlets 表2不同料速与气速下的停留时间分布参数 Table2Theresidencetimeparameteratdifferentmaterialadmissionvelocityandgassuperficialvelocity u=1.27m·s-1G =0.52kg·m-2·s-1 0.339 0.599 0.945 1.06 u=1.27m·s-1G =0.64kg·m-2·s-1 0.099 0.517 0.370 2.70 u=1.27m·s-1G =0.83kg·m-2·s-1 0.066 0.362 0.504 1.98 u=1.05m·s-1G =0.64kg·m-2·s-1 0.037 0.173 1.233 0.81 u=1.18m·s-1G =0.64kg·m-2·s-1 0.035 0.249 0.565 1.77 u=1.35m·s-1G =0.64kg·m-2·s-1 0.185 0.767 0.315 3.17 气速与料速 根据实验中观察到的实验现象、停留时间分布 测定结果和模型分析结果,采用一个多釜串联模型 来描述多层流化床内的流体流动混合情况,用以分 析该系统的流动混合性能及其随操作变量的变化 规律。 对于多釜串联模型,参数 即为反应釜的个数, 由表2可知,在低料速低气速下,反应釜的个数为1 到2,这与实验中所观察到的多层流化床在低气速 低料速下底层很难形成料层相符合;当料速与气速 在较高的情况下,反应釜的个数为3,这与实验中所 观察到的随着料速与气速的增大,底层也开始形成 料层相符合。 15- - Vol.39No.07(2008)ZHEJIANGCHEMICALINDUSTRY 3结论 (1)进料机布料越均匀,上中两料层高度越接 近; (2)气速增大,布料对上中两料层高度均匀性 的影响减小,且在一定气速范围内,上中两料层高 度均匀性较好; (3)在低气速下,底部进气方式中下两料层均 匀性明显优于周边进气方式; (4)气速增大有利于中下两层料层均匀性的提 高。底部进气更易达到较好的料层均匀性; (5)多釜串联模型模拟多层流化床中流体运动 情况是适用的。 符号说明: M各径向位置单位面积物料质量,kg Mm平均单位面积物料质量,kg H各径向位置物料高度,m Hm各径向位置平均物料高度,m σ2布料均匀性方差 △p床层料层压差,Pa ρ物料物料密度,kg·m-3 ε床层空隙率 g重力加速度,9.8m·s-2 H床层床层料层高度,m μ表观气速,m·s-1 G进料速率,g·m-2·s-1 σ21上中两层料层高度方差 σ22下中两层料层高度方差 σ2停留停留时间分布方差 tm平局停留时间,min 无因次停留时间分布方差 N反应釜数 参考文献: [1]KrishnaiahK,VarmaYBG.IndianDringofSolids[J]. Tectmol,1998,12(4):265-272. [2]N.J.RaoandN.Gopalkrishna,.IndianJ.Technol[J], 1978,16:445. [3]I.Tanaka,M.YamaguchiandH.Shinoara.Kogaku KagakuRonbunshu[J],1978,(4):317. [4]刘体锋.带导流管多层流化床流体力学特性实验研究, 浙江工业大学硕士[C],2006. StudyoftheUniformityofFluidizedMaterialinMultistageFluidizedBed HAOWen-liang,YANGA-san,SUNQin,CHENGRong,ZHENGYang-ping (CollegeofChemicalEngineeringandMaterialsScience,ZhejiangUniversityofTechnology, Hangzhou310014,China) Abstract:Thetopmaterialadmissionbalance,gasadmission,gasexhausteffectoftheuniformityoffluidized heightsinmultistagefluidizedbedwerestudied.theresultsshowedscatteringmaterialinabestbalance,thetop andmiddlematerielheightwasmorenear,andfluidizedbedtendedtoformfluidizedlayerinalowgas superficialvelocity,buteffectgraduallydieddownwithgassuperficialvelocityincreasing;gasexhaustmethod greatlyaffectedtheuniformityoffluidizedheightsofthemiddleandbottommaterielinalowgassuperficial velocity,buteffectgraduallydieddownwithgassuperficialvelocityincreasing,uniformityoffluidizedheights wasbetterinbottomgasadmission;multi-reactionkettleinseriesmodelcancommendablysimulatestreamand admixtureofmultistagefluidizedbed. Keywords:multistagefluidizedbed;materialandgasadmission;uniformity;residencetime 16- -