第二章 氣液固三相流化床反應(yīng)器 反應(yīng)工程（南京工業(yè)大學）

1、氣液固三相流化床反響器 主要內(nèi)容三相流化床簡介、結(jié)構(gòu)及工作原理 三相流化床流體力學的研究三相流化床傳質(zhì)的研究三相流化床傳熱的研究三相流化床新領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用 三相流化床簡介氣-液-固三相反響工程是化學反響工程領(lǐng)域中最令人感興趣的領(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)的氣-固相催化反響器相比，在氣-液-固三相反響器中，由于有液相作為熱載體和對固體催化劑的懸浮作用，使反響和傳遞性能有很大的改進。三相流化床具有高效傳質(zhì)的特點，適用于化學吸收、除塵等多種場合。在流化床反響器中，液體自下而上運動，會同氣體的懸浮作用，使固體顆粒在反響器內(nèi)呈均勻流動狀態(tài)。 三相流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理流化床氣液固三相反響典型流程 2.恒溫糟 3.供

2、氣系統(tǒng) 4.碳酸鈣粉末添加裝置 5.多孔擋板 6. 補料槽 7.蠕動泵 8.出氣并出料口圖1 三相流化床生物反響器三相流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理 1. 液相自循環(huán)三相流化床 液相自循環(huán)三相流化床三相反響器是由氣、液分布板 ,三相流化床層 氣、液、固別離室和液相自循環(huán)管 4局部組成 (見圖 2)。圖2 液相自循環(huán)三相流化床反響器示意圖1-氣、液、固別離室; 2-三相流化床層 ;3-氣、液分布板 ; 4-液相自循環(huán)管三相流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理工作時，氣體從塔底進入，經(jīng)氣、液分布板進入三相流化床層與液相和固相充分接觸,當上升到氣、液、固別離室后，別離氣體從頂部排出。由于氣泡的存在,使反響塔內(nèi)氣液固三相流

3、體的表觀密度小于循環(huán)管內(nèi)液固兩相流體的表觀密度,由此表觀密度差,使物料自塔底而上,進入別離室后溢入循環(huán)管,形成液相自循環(huán)流,此自循環(huán)流與氣體共同進入底部，經(jīng)氣、液分布板，使分布板上方的固體顆粒不斷懸浮流化，在床層內(nèi)，由于自然層析作用，形成固體顆粒上稀下濃、上輕下重的分布狀態(tài)，輕的固體顆粒被帶入氣、液、固別離室，別離氣體后的液流進入自循環(huán)管返回底部，周而復始地工作，依靠氣提原理進行自循環(huán)，無需外加動力。 三相流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理2.氣升式三相流化床 圖3 氣升式三相流化床三相流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理3.三重環(huán)流三相流化床 圖4 三重環(huán)流生物三相流化床結(jié)構(gòu)示意圖三相流化床流體力學的研究三相流化床流

4、體力學研究，是在冷態(tài)條件下模擬三相床反響器中流體流動方式，考察了各種因素對氣含率、床層壓降及起始流化速度的影響，用以作為三相床反響器的研究根底。并用多元逐步線性回歸法關(guān)聯(lián)了各影響因素之間的關(guān)系。實驗結(jié)果可為三相床反響器的開發(fā)提供研究依據(jù)。實驗流程反響裝置如右圖1所示。反響器為一直徑，高的透明有機玻璃塔，在處設(shè)有45o錐角，高度的錐體；以上為直徑的擴大段。冷態(tài)實驗中氣相為空氣，液相為水，因相為100180目的砂子。實驗時按事先所確定的因含率參加適量的砂子。氣體那么由一臺小型風機經(jīng)緩沖計量后由反響器底部側(cè)面進入，并通過氣體分布板進入反響器，在反響器上端擴大段(使氣液兩相易于別離)氣液別離后放空。液

5、體經(jīng)流量計計量后，由反響器底部經(jīng)分布器進入反響器并與氣體并流，在反響器上端擴大段，經(jīng)溢流口過濾后排出。實驗條件 本實驗采用單變量實驗方法。因為該實驗是為以后的工業(yè)生產(chǎn)而進行的根底研究，考慮到工業(yè)中實際應(yīng)用，設(shè)計實驗條件如下： (1)表觀氣速(ug)：0.48cm/s，設(shè)置12個水平，由低到高上行后，再由高到低下行，以提高實驗數(shù)據(jù)的精確度。(2)固含率(s)；(1040)%，以5%的量遞增，共設(shè)置7個水平。(3)表現(xiàn)液速(uL)：0.1440.808 cm/s，設(shè)5個水平。測試方法 1.固含率s 以100 g水中砂子的質(zhì)量為基準 測試方法2.氣含率: g是氣應(yīng)體體積占整個反響器體積的分量。本實驗

6、采用床層膨脹法來測量，即通過靜止床層的高度與氣體通過時的膨脹高度之差求得平均氣含率，其計算式為： 測試方法3.床層壓降：床層壓降p是通過反響器上下測壓點以斜管與水平呈30o角法測量的，兩測壓口間的距離為，故其計算公式為：操作條件對壓降的影響 1.表觀氣速對壓降的影響 在固含率s和表觀液速uL不變的條件下，壓降p隨著表觀氣速ug的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，圖2所示為不同uL的實驗結(jié)果。在未通入氣體前，固體顆粒沉積于床層底部，形成一個相對固定的床層，待通入氣體后，氣體作用于這個床層，并逐步使固體流化須首先消耗一定的能量，一旦床層完全流化，床層混合平均密度下降，p開始下降。同時ug的增大，勢

7、必造成床層阻力增加，但實驗結(jié)果說明，床層混合平均密度下降對p影響程度比ug增大的影響要大，故隨著ug的增加，p出現(xiàn)一個最大值后開始下降。在不同表觀液速條件下，這一床層的疏松度也不同，而uL越大，表現(xiàn)液速對液化過程的作用越大。從而最高值越小。 操作條件對壓降的影響L對壓降的影響 圖3顯示了在幾種氣速下不同的uL對的影響。從圖中可以看出，在其它條件不變的情況下，p隨著uL的增加而略有下降。由于液體與氣體并流，所以液體對固體顆粒的流化起到了促進作用，uL值越大，促進作用越強，相對來說氣體對流化作用就有所減弱，而床層流化程度的上升必定造成p的下降。同時流化程度的增加，使得氣泡聚并的時機減少，那么氣含率

8、就會有所增加，引起床層混合平均密度下降，也造成床層壓降的降低。 操作條件對壓降的影響s對p的影響 床層固含率s的增大，勢必使床層混合平均密度增大，從而使p增大。圖4為s與p之間關(guān)系的變化趨勢，在不同的氣速條件下的實驗結(jié)果是一致的。 操作條件對氣含率的影響 1.表觀氣速對氣含率的影響表觀氣速是影響床層氣含率最主要的因素。固定s和uL不變，逐步增加表觀氣速，表觀氣速的增大那么單位時間內(nèi)流人整個床層的氣體的量增加，在氣泡的尺度與分布正常的情況下，即氣泡間無明顯的聚并時，床層內(nèi)氣泡數(shù)量隨著氣速的增大而增加，故氣含率。氣含率逐步增大。2.表觀液速對氣含率的影響是隨著uL的增加氣含率略有增加。3.固含率對

9、氣含率的影響是，固含率的增大，使得床層內(nèi)固體顆粒的數(shù)量增多，使得氣泡聚并的時機增多，從而形成到氣泡的可能性較大，故而引起氣含率的下降。固含率、表觀液速對起始流化速度的影響 固含率的增大，那么氣體使床層流化的阻力增加，要使床層開始流化那么需要更大的氣速但由于液體對流化的促進作用，故在高表觀液速時起始流化速度較低表觀液速的Uc小。因為氣液并流，兩相對固體顆粒均有流化作用，隨著表觀液速的提高，床層趨于疏松，那么Uc必呈下降趨勢回歸結(jié)果通過以上所得結(jié)果，對影響床層壓降P、氣含率g及起始流化速度UC的各種因素的實驗數(shù)據(jù)進行了回歸，采用的方法是多元線性逐步回歸法，所得各關(guān)聯(lián)式為:結(jié)論 1.三相流化床的壓降

10、由于有液體與氣體的同時流動而略有減少，操作能耗隨之減小，但液體的流動須消耗一定的功耗。 s是影響床層壓降最主要的因素，直接影響操作的能耗，而s另一方面又涉及到反響器的處理能力，故確定合理的因含率是十分必要的。 3.三相流化床由于液相的循環(huán)流動而涉及氣液別離的問題，特別是在高表觀液速和高固含率的情況下，別離問題更顯重要。 三相流化床的體積傳質(zhì)系數(shù)KLa 實驗?zāi)康模貉芯咳嗔骰卜错懫鲀?nèi)固體粒子的粒徑大小,氣體速度,液體速度等對體積傳質(zhì)系數(shù)KLa的影響。實驗方案：采用 285mm的有機玻璃塔作為三相流化床,用壓縮空氣來解吸水中的溶解氧,采用一維軸向擴散模型來處理數(shù)據(jù)。 實驗流程圖示為實驗流程示意圖

11、,主體設(shè)備三相流化床為內(nèi)徑285高為4100的有機玻璃塔,在塔的底部裝有氣液分布器;次要設(shè)備吸收塔為內(nèi)徑200,高4000的有機玻璃塔,內(nèi)填巨鞍形不銹鋼填料,采用亂堆方式裝入,以利于氧氣被水充分吸收到達飽和。實驗流程流程說明:氣相:經(jīng)緩沖罐來的壓縮空氣經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計計量后,在流化床的底部經(jīng)氣體分布器后進入三相床內(nèi),呈氣泡形狀上升,解吸水中的氧氣后在塔頂放空,在計量后進塔前裝有壓力表和溫度計,用來測量入塔空氣的壓力和溫度。液相:水槽內(nèi)的自來水由吸收塔的頂部進入,與來自鋼瓶由塔底進入的純氧進行逆流吸收,變成富氧水后由吸收塔底部排出,由清水泵打入流量計,經(jīng)精確計量后進入三相床底部的預(yù)分布段,經(jīng)過分

12、布器進入塔內(nèi)。被空氣解吸氧后的水在塔頂經(jīng)過篩網(wǎng)進行液固別離后進入水槽循環(huán)使用。固相:采用定量間歇的方法參加流化床內(nèi),被空氣和富氧水流化,但在篩網(wǎng)的作用下而不會被帶出。實驗結(jié)論 通過對實驗數(shù)據(jù)的分析和整理,我們得到如下一些影響傳質(zhì)系數(shù)的因素:1.分布板效應(yīng)及塔高對傳質(zhì)系數(shù)的影響實驗結(jié)果說明在分布板附近KLa急劇下降,然后沿床高的增加KLa的降低速度變慢,隨著流速的增加KLa增加,但氣速的影響比液速的要大,可見塔高和分布板對KLa具有一定的影響。2.粒子對KLa的影響 傳統(tǒng)理論認為隨著粒徑的增大和裝量的增加KLa均有所減小。實驗結(jié)果說明，宜采用的粒徑小于1,一般認為粒子主要是影響氣泡行為,通過改變

13、氣泡的聚并破碎現(xiàn)象來影響KLa的。 實驗結(jié)論3.氣速對KLa的影響大量的實驗己經(jīng)說明, KLa總是隨著氣速的增加而增加,傳統(tǒng)認為主要原因是氣速的增加使塔內(nèi)的氣含率增加,而且也使相接觸面積增加,特別是大粒子時的增加更為顯著。4.液速對KLa的影響液速對三相流化床的傳質(zhì)系數(shù)的影響一般認為比較復雜,且一般的結(jié)論為隨液速的增大KLa也相應(yīng)增大,但其影響沒有氣速的影響明顯。綜合起來看,液速對KLa的影響在小粒徑時要比大粒徑敏感,一般認為這與氣泡的聚并現(xiàn)象有關(guān)。本實驗說明,隨著液速的增大, KLa值也隨著增加,通常認為液速增加起穩(wěn)定氣泡及抑制氣泡聚并破碎的作用,使氣泡在塔內(nèi)分布均勻,氣泡的穩(wěn)定性增加,從而

14、改變了床層內(nèi)的相含率,也就是間接增大了相間接觸面積,從而可以提高KLa的值。實驗結(jié)論5.其它因素對KLa的影響大量的文獻說明KLa的數(shù)值與實驗所用的方法介質(zhì)等有很大的關(guān)系。一般說來用吸收法和解吸法所得到的結(jié)果是不完全一樣的。 KLa值隨液體粘度和外表張力的升高而升高，同時KLa值還與介質(zhì)的密度、溫度等有關(guān); KLa值的大小還與取樣的位置有關(guān),認為在塔內(nèi)中心位置的值要比塔壁等其它地方的值要大。由于實驗條件的限制這些因素沒有進行。實驗結(jié)論綜上所述,三相床內(nèi)的體積傳質(zhì)系數(shù)KLa與塔的分布板,固相粒子的粒徑及裝量，氣、液速等許多因素有關(guān)系。在實驗數(shù)據(jù)的根底上,還可進一步回歸整理出包含這些參數(shù)的KLa的

15、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式如下: 式中為系數(shù),為指數(shù),均由實驗測定的數(shù)據(jù)回歸而得到,如在均勻鼓泡域可得:,=0.8043,等。三相循環(huán)流化床氣液傳質(zhì)的研究傳統(tǒng)三相床主要應(yīng)用于低液速及粗、重顆粒體系。隨著新的生物化工及能源加工過程的興起，細、輕顆粒床的應(yīng)用越來越多。因此，針對細輕顆粒體系夾帶率大的特點，梁五更等提出了有顆粒外循環(huán)的氣液固三相循環(huán)流化床反響器，進而研究了在高液速、具有顆粒夾帶條件下的床層流體力學特性。結(jié)果說明，三相循環(huán)流化床作為一種新型的反響器具有良好的潛在應(yīng)用前景為了實現(xiàn)三相循環(huán)流化床的優(yōu)化設(shè)計及操作，需要對三相循環(huán)流化床的氣液傳質(zhì)行為及規(guī)律進行深入系統(tǒng)的實驗研究。實驗裝置及測試方法實驗在內(nèi)徑為

16、140 mm、高為 3 m的有機玻璃塔中進行，實驗裝置如圖1所示氣、液。固三相分別為空氣、水和粒徑為的玻璃珠水分兩路引人床中：主水由塔底進入，經(jīng)管式分布器均勻分布后用于流化顆粒；二次水從塔側(cè)部引入，經(jīng)板式分布器均布后用來改變固相入口阻力，從而調(diào)節(jié)顆粒的循環(huán)量。氣、液、固三相并流向上，空氣由塔頂放空，液固混合物經(jīng)重力沉降別離后返回貯液罐循環(huán)使用，顆粒那么在重力作用下在儲料筒內(nèi)向下移動，實現(xiàn)顆粒的連續(xù)循環(huán)。實驗采用9070型溶氧儀測量床層主體區(qū)域溶氧濃度的軸向分布，采用軸向擴散模型進行回歸得到氣液體積傳質(zhì)系數(shù)KLa。沿床體軸向位置設(shè)置7個采樣孔，待操作穩(wěn)定后，用25 ml的三角瓶同時取樣用溶氧儀測

17、量樣品溶氧濃度的同時，測量樣品的溫度以確定氧氣的亨利常數(shù)在貯液罐中用氮氣對自來水進行氣提，以降低人口水的溶氧濃度實驗結(jié)果與討論 1.表觀氣速Ug對KLa的影響 由右圖可見，在氣液固三相循環(huán)流化床中，表觀氣速對氣液體積傳質(zhì)系數(shù)的影響比較顯著在一定操作液速條件下，隨著表觀氣速的增大，氣液體積傳質(zhì)系數(shù)KLa也明顯增大，且在實驗表觀氣速范圍內(nèi)， KLa隨表觀氣速Ug的變化近似線性。 Ug對KLa的影響規(guī)律可根據(jù)表觀氣速的增大將增加氣液傳質(zhì)相界面積及增強液相湍動程度來解釋實驗結(jié)果與討論2.表觀液速UL對KLa的影響右圖為表觀液速對KLa影響的實驗結(jié)果?？傮w上講，增大液速有利于改善氣液相際傳質(zhì)，即KLa隨

18、表觀液速的提高而增大。從圖 中可看出，在不同 Ug條件下，表觀液速對 KLa的影響程度不同。 Ug較小時， UL對KLa的影響較小.而隨著Ug的增大， UL對KLa的影響程度逐漸增大由此可以得出結(jié)論，當氣液固三相流化床在較大氣體通量條件下操作時，采用較高表觀液速的三相循環(huán)流化床，可大大改善汽液相際傳質(zhì)能力。 實驗結(jié)果與討論3.顆粒循環(huán)速率對KLa的影響右圖所示為在一定表觀液速條件下顆粒循環(huán)速率及Ug與KLa的關(guān)系。由圖可以看到，顆粒循環(huán)速率對KLa的影響存在一個極值點。根據(jù)對KLa影響規(guī)律的實驗結(jié)果，三相循環(huán)流化床可以通過調(diào)節(jié)Gs，使床層在適宜的固相含率條件下操作，以使床層具有最大的氣液傳質(zhì)能

19、力。因此，與傳統(tǒng)三相流化床相比，三相循環(huán)流化床具有較大的操作彈性，并具有更好的氣液相際傳質(zhì)特性。結(jié)論 采用溶氧法實驗測量了三相循環(huán)流化床的體積傳質(zhì)系數(shù)，考察了主要操作條件對氣液體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，得出以下規(guī)律：1KLa隨表觀氣速的增加而增大；2KLa隨表觀液速的增加而增大；3顆粒循環(huán)速率對KLa的影響存在一個極值點4與傳統(tǒng)三相流化床相比，三相循環(huán)流化床具有較高的氣液傳質(zhì)能力，通過選擇適宜的操作條件，可以大幅度提高床層的氣液相際傳質(zhì)速率，實現(xiàn)該類反響器的最正確操作。三相流化床傳熱模型韓國學者Yong Jun Cho等研究了高米、直徑米的流化床傳熱模型。裝置如圖： Heat Transfer an

20、d Hydrodynamics in Two-and Three-phase Inverse Fluidized Jun Cho,etc.,Ind. Eng. Chem. Res.,2002,41:2058-2063 三相流化床傳熱模型給出了傳熱系數(shù)公式： 同時給出了傳熱努謝爾特數(shù)公式： 它們的傳熱系數(shù)分別為、。 三相流化床傳熱模型我國學者陳健生等實驗研究了廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、動力和原子能工業(yè)的沸騰換熱模型。結(jié)合漸進模型及外表更新模型提出了氣液固三相流動沸騰傳熱系數(shù)的計算方法。試驗段為不銹鋼管，45mm*3mm，長2m。在一定的電加熱功率下，飽和鹽鹵料液在試驗段內(nèi)沸騰形成氣液固三相流。

21、裝置如圖： 氣液固三相流動沸騰傳熱計算與實驗研究，陳健生等，化工學報，2002，534，2：139143三相流化床傳熱模型建立模型：設(shè)任一時刻固體粒子與加熱面壁的面積分數(shù)為，那么氣液兩相流與加熱面接觸面積為1-p，根據(jù)外表更新機理，結(jié)合Steiner和Taborek的漸進模型，三相流動沸騰傳熱系數(shù)可表示為： 其中hfs為固體粒子與壁面間的對流傳熱系數(shù)，參照Jamialahmadi等計算式： 其中K為與固體粒子形狀有關(guān)的常數(shù)，球星粒子K，圓柱型粒子K； 12三相流化床傳熱模型式中f為固體粒子與壁面間的碰撞頻率，參照Martin給出的氣液固流化床的計算式： 式中f、cpf、f分別為氣液兩相流的密度

22、、比熱容和導熱系數(shù)，采用氣相和液相相應(yīng)性質(zhì)加和而得： 34三相流化床傳熱模型氣液兩相流與壁面間的對流傳熱系數(shù)hftp采用下式計算：Ftp為傳熱強化因子，采用Collier計算式：56三相流化床傳熱模型Prtp為氣液兩相流的Prandtl數(shù)： Retp為氣液兩相流的Reynolds數(shù): 78三相流化床傳熱模型受固體粒子影響的流動泡核沸騰傳熱系數(shù)：流動泡核沸騰傳熱校正影子：壓力校正因子：91011三相流化床傳熱模型熱通量子數(shù)：相對分子質(zhì)量校正因子： 蒸發(fā)管內(nèi)徑校正因子：量綱1化比照壓力： 12131415三相流化床傳熱模型hnb受固體粒子影響的齒式泡核沸騰傳熱系數(shù)， hnb0為無粒子時傳熱系數(shù)，采

23、用Pioro關(guān)聯(lián)式計算：液固混合物導熱系數(shù)：其中：16171819三相流化床傳熱模型接觸面積分數(shù)：np/Np表示總粒子數(shù)中與壁面接觸的粒子分數(shù)：以上121各式聯(lián)立求解，就可得三相流動沸騰傳熱系數(shù)。與實驗結(jié)果比較，計算結(jié)果與實驗結(jié)果較好地吻合。2021結(jié)論流化床理論開展于1940年代，經(jīng)過了幾十年開展，取得了一定的成果，然而還遠遠沒有完善。流化床傳熱模型種類繁多，但大多都是適用于兩相流，三相流的研究還不多。同時，傳熱模型都是對特定體系、特定條件下的實驗有很好的吻合，迄今還沒有完善統(tǒng)一的理論出現(xiàn)。將來的研究應(yīng)加大對流動床內(nèi)各種影響因素的考察，研究其相互聯(lián)系，相互影響，以對其機理幽深入、全面的理解，

24、從而建立更加合理的模型。三相流化床的開發(fā)應(yīng)用氣-液-固三相流研究開始于20世紀60年代，氣-液-固三相流化床由于其具備接觸面積大、相間混合均勻、傳熱傳質(zhì)效果好和溫度易于控制等優(yōu)點而得到了全面的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于石油化工、生物化工、食品化工、礦物工程及能源工程中?？v觀氣-液-固三相流研究進展，大體上分為3種趨勢：1為實際應(yīng)用開發(fā)新型的三相循環(huán)流化床；2對床內(nèi)的汽泡行為和粒子行為進行根底研究；3以計算流體力學和氣液、氣固、以及固固相間流體 力學理論為根底，依靠計算機模擬來設(shè)計優(yōu)化和放 大效勞。三相流化床煙氣凈化裝置及其應(yīng)用 我國是產(chǎn)煤大國，也是耗煤大國，2000年煤炭產(chǎn)量到達了13億噸，其中80%用于燃燒。在大量利用煤炭熱能的同時,也產(chǎn)生了嚴重的大氣污染問題，特別是中小型地方電廠、熱電廠、工業(yè)鍋爐等，盡管規(guī)模小，但數(shù)量眾多，所造成的SO2排放總量與大型燃煤電廠的排放總量相當，不容無視。為此，國電熱工研究院(TPRI)開發(fā)了用于中小型鍋爐的三相流化床脫硫除塵裝置,其特點、凈化原理以及設(shè)計組成介紹如下。三相流化床煙氣凈化裝置及其應(yīng)用三相流