多相流化床換熱器流固分布裝置發(fā)展現(xiàn)狀

1、多相流化床換熱器流固分布裝置發(fā)展現(xiàn)狀孫姣一張少（河北工業(yè)大學(xué)）摘要:對(duì)多相流化床換熱器流固分布裝置的發(fā)展情況進(jìn)行了綜合分析，為進(jìn)一步優(yōu)化流化床 換熱器流固分布裝置，使流化床換熱器更好地傳熱和防垢、除垢。提供了有益的參考。關(guān)鍵詞:流化床 換熱器 分布裝置 顆粒 三相床0前言多相流化床換熱器是在傳統(tǒng)換熱器的基礎(chǔ)上引入惰性氣體或固體顆粒并實(shí)現(xiàn)固體顆粒的 分離和再循環(huán)。在影響多相流化床換熱器設(shè)計(jì)和放大的諸多因素中，固體顆粒在床內(nèi)的行為 （顆粒在床內(nèi)的徑向分布、速度分布、相含率等）被認(rèn)為是重要的因素之一。這是因?yàn)楣腆w顆 粒的行為會(huì)影響換熱器內(nèi)的流體力學(xué)性質(zhì)、傳熱系數(shù)以及垢層的形成和去除等。因此，多相 流

2、化床換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵之一就是使換熱設(shè)備中數(shù)量眾多的上升管中的工況盡可能 一致，同時(shí)上升管和循環(huán)管的結(jié)構(gòu)和阻力要合適，這樣才能實(shí)現(xiàn)有效可靠的顆粒循環(huán)。要使 固體粒子均勻分布，避免無(wú)顆?；蝾w粒較少的管內(nèi)結(jié)垢而影響正常運(yùn)行，就需要在物料人口 處設(shè)置氣液和顆粒分布裝置。為此，研究者開(kāi)發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)的流化床換熱器和不同形式 的分布裝置。1氣體分布器流體分布器的類型多種多樣，常見(jiàn)的有單層多孔板、錯(cuò)迭多孔板、凹形或碟狀多孔板、 凸形多孔板、錐帽和泡罩型分布板，工業(yè)上一般采用錐帽和泡罩型分布板。流體分布板對(duì)流 化質(zhì)量的影響很大。根據(jù)板孔數(shù)量的不同，可將分布板分為單孔板、多孔板和密孔板。有關(guān) 研究證實(shí)，

3、采用密孔板能使流體與固體顆粒之間接觸良好，對(duì)流化質(zhì)量有利。但在工業(yè)設(shè)備 中要考慮到這種高壓降分布板所消耗的動(dòng)力，并從經(jīng)濟(jì)上予以比較。一般認(rèn)為，分布板的安 裝高度限于一定值，超過(guò)某一安裝高度，分布板的作用就消失了。在氣固流化床中，氣體分布板的發(fā)展已經(jīng)很完善。工業(yè)生產(chǎn)用的氣體分布板的形式有很 多種，主要有直流式、側(cè)流式和填充式分布板以及無(wú)分布板的旋流式噴嘴，另外還有一種短 管式分布板。（1）直流式分布板直流式分布板如圖l所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造。但也存在一些缺點(diǎn)：氣流方 向正對(duì)床層，易使床層形成溝流，小孔易堵塞，停車(chē)時(shí)又易漏料。因此，除特殊情況外，- 般不使用直流式分布板。石油催化裂化的流

4、化床反應(yīng)器，由于催化劑粒子與氣流同時(shí)通過(guò)分 布板，常用直流式凹形篩板。這種凹形篩板能夠承受催化劑重荷和熱應(yīng)力。由于鼓泡和溝流 主要發(fā)生在流化床的中心部分，凹形篩板有助于抵消或減緩鼓泡和溝流現(xiàn)象。(砂直孔板形fffi板圈1直旋式分布板側(cè)流式分布板側(cè)流式分布板如圖2所示，側(cè)流式分布板在分布板的孔中裝有錐形風(fēng)帽(或錐帽)，氣流 從錐帽底部的側(cè)縫或錐帽四周的側(cè)孔流出。目前這種帶錐帽的分布板應(yīng)用最廣，效果也較好。 其中側(cè)縫式錐帽采用尤多，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：固體顆粒不會(huì)在錐帽頂部堆成死床，改善了床 層的流化質(zhì)量；氣體緊貼分布板面從側(cè)縫吹出而進(jìn)入床層，在板面上形成一層“氣墊”，使 顆粒不能停留在板面上，這就消

5、除了在板面上形成死床和發(fā)生燒結(jié)的現(xiàn)象。 a)側(cè)繾式錐帽分布板(b)JS孔式錐帽分布板02側(cè)流式分布板填充式分布板填充式分布板如圖3所示，填充式分布板是在直孔篩板或柵板和金屬絲網(wǎng)上間隔地鋪上 卵石一石英砂一卵石。該分布板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能達(dá)到均勻布?xì)獾囊螅蚨哂休^好的流化質(zhì) 量。圖3填充式分布板(4 )無(wú)分布板的旋流式噴嘴無(wú)分布板的旋流式噴嘴如圖4所示，氣體通過(guò)六個(gè)向上傾斜10。的噴嘴噴出。該噴嘴 常用于流化床煤氣發(fā)生器，一般應(yīng)用于對(duì)氣體產(chǎn)品要求不高的粗粒流化床。排灰口圖4旋流式噴嘴(5)短官式分布板短管式分布板是近年來(lái)國(guó)外采用的一種分布板形式。在整個(gè)分布板上，均勻地設(shè)置了若 干根短管，每根短管下

6、部有一個(gè)氣體流人的小孔。短管及其下部的小孔起著整流的作用，即 防止氣體渦流以達(dá)到均勻布?xì)猓⑹沽骰膊僮鞣€(wěn)定。短管不應(yīng)過(guò)短，否則起不到應(yīng)有的整 流作用。小孔尺寸和開(kāi)孔率的大小在于保證足夠的氣速，以防止催化劑漏到分布板下方。趙 明舉等還設(shè)計(jì)了應(yīng)用于內(nèi)循環(huán)流化床的不均勻布風(fēng)分布板，如圖5所示。這種分布板有兩 個(gè)不同開(kāi)孔率的區(qū)域，中部為低開(kāi)孔率區(qū)，運(yùn)行時(shí)呈移動(dòng)床狀態(tài)；周?chē)鸀楦唛_(kāi)孔率區(qū)，運(yùn)行 時(shí)呈流態(tài)化狀態(tài)。兩種狀態(tài)共同作用，實(shí)現(xiàn)物料在床內(nèi)的內(nèi)部循環(huán)。上述這些氣體分布板用于氣固流化床中，可起到支承固體顆粒和均勻布?xì)獾淖饔茫揽?氣體分布板可以創(chuàng)造一個(gè)良好的起始流化條件并將此穩(wěn)定地保持下去。氣體分布板已

7、在工業(yè) 中得到廣泛的應(yīng)用。圖5不均勻布風(fēng)旅化床氣體分布板2固液分布器在液固流化床換熱器中顆粒分布板的設(shè)計(jì)研究還很不完善。在國(guó)外的許多研究中，都設(shè) 計(jì)出了顆粒循環(huán)和分布裝置。但由于該項(xiàng)技術(shù)的保密性，有關(guān)顆粒循環(huán)和分布裝置的詳細(xì)設(shè) 計(jì)還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，而且在國(guó)外其所應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域也不寬。D. G. K1aren_j首先采用多孔板作為液體和顆粒分布板，隨后又設(shè)計(jì)了一種固體顆粒 分布板，使固體顆粒和流體在換熱器官箱中接觸、流化并均勻混合，經(jīng)分布板后進(jìn)入換熱器 管束。但沒(méi)有分布板的具體結(jié)構(gòu)和分布性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)表，只是說(shuō)明在采用固體顆粒分布 板后，固體顆粒的防、除垢能力和傳熱系數(shù)都有明顯提高。在國(guó)內(nèi)，葉施

8、仁等對(duì)液固流態(tài)化換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在下管箱內(nèi)增加一塊開(kāi)孔率 較低的篩板作為分布器，流體介質(zhì)流經(jīng)小孔能獲得較高的流速，使沉積在篩板上的粒子能均 勻地流化起來(lái)。葉施仁等還指出：孔板開(kāi)孔率愈大，篩板兩側(cè)的壓差A(yù)JP就愈??；流體介 質(zhì)流速愈大，AJP也愈大；AJP通常為48kPa；開(kāi)孔率 控制在5%15%的范圍較適 合，開(kāi)孔率 不能太大，否則會(huì)影響下管箱內(nèi)顆粒的流化質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)表明，孔徑4mm和5mm 都可以滿足要求，且孔板與循環(huán)管之問(wèn)的距離在75mm90mm之間為宜。劉吉普、吳金香等對(duì)管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化換熱器進(jìn)行研究。開(kāi)發(fā)了兩種不同形式的 分布板：篩孔結(jié)構(gòu)式分布板和泡罩結(jié)構(gòu)式分布板，如圖6和圖7

9、所示。(1)篩孔結(jié)構(gòu)式分布板篩孔結(jié)構(gòu)式分布板上均布許多篩孔，孔徑是固體粒子的l3倍。分布板上對(duì)應(yīng)于下降管 管口下方位置大于下降管內(nèi)徑的區(qū)域不開(kāi)孔，并安裝與底部相通的、在側(cè)面成水平或稍向上 傾斜的開(kāi)有導(dǎo)砂孔的導(dǎo)流件。這樣可減小由底部進(jìn)入的液體對(duì)循環(huán)下降管管口的沖擊力，使 進(jìn)入的液體通過(guò)導(dǎo)流件上的導(dǎo)砂孔噴出，有效地加快了固體粒子的回送。(2)泡罩結(jié)構(gòu)式分布板泡罩結(jié)構(gòu)式分布板的邊緣做成鋸齒形，泡罩直徑為該泡罩應(yīng)負(fù)擔(dān)的分布板當(dāng)量圓直徑的0. 50. 75倍，在泡罩上對(duì)應(yīng)于下降管口稍大于下降管外徑的圓周上，開(kāi)若干導(dǎo)砂孔。由 于泡罩的作用，使液固流態(tài)化沸騰且相當(dāng)激烈。此時(shí)應(yīng)在下降管管口與上升管管口之間的橫

10、 截面上安裝使液固流態(tài)化均勻穩(wěn)定的均布板，均布板上設(shè)置孔徑大于固體粒子3倍粒徑以上 的孔。當(dāng)管程液體含有堵塞篩孔結(jié)構(gòu)式分布板上篩孔的雜物時(shí)，或者可能在篩孔上結(jié)垢引起 堵塞時(shí)，可采用泡罩結(jié)構(gòu)式分布板。為了減小液固流化床中的液相返混，胡新輝、朱家驊 提出了采用變孔徑分布板來(lái)改善 液速的非均勻分布。后來(lái)，賈麗云等l。又設(shè)計(jì)出三種多孔板，用于液固循環(huán)流化床作為 顆粒分布器，并進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，多孔板的面積與進(jìn)口段面積之比越大，固體顆 粒分布的不均勻度就越小，但床層粒子濃度也 變小3 三相床中的分布器為解決氣液固流化床反應(yīng)器中的氣液分布不均勻的問(wèn)題，國(guó)外Dong Hyun Lee等.七 在一個(gè)直

11、徑為127mm的三相循環(huán)流化床中，對(duì)其內(nèi)部的氣液分布裝置進(jìn)行了初步的研究，如 圖8所示，考察了分布板局部開(kāi)孔率和分布板下氣液預(yù)混合程度對(duì)相含率和全床氣液分布不 均勻度的影響。實(shí)驗(yàn)以直徑3.3mm的聚合體顆粒和直徑3.7mm的玻璃珠（密度分別為1280kg /m和25lOkg/m ）作為固相，水和空氣分別作為液相和氣相，除了對(duì)一種具有相同氣液分 布比的分布板進(jìn)行研究外，還考察了六種具有不同氣液分布比的分布板。在低氣體流量下， 安裝不同分布板時(shí)，空隙率基本相似。但是，在高氣速下分布板的幾何形狀對(duì)空隙率的影響 就很明顯，尤其對(duì)于密度小的顆粒影響更為嚴(yán)重，這可能是由于氣液分布板的加入使氣液循 環(huán)量增大

12、的緣故。安裝相同氣液分布比的分布板與安裝不同分布比的分布板相比，全床空隙 率要高，除非后者產(chǎn)生更小的氣泡。清華大學(xué)楊衛(wèi)國(guó)等l1用管式氣液分布器來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液固流化床中的氣液分布，如圖9所 示。水分兩路引入床中：主水由塔底進(jìn)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(lái)改變固相人口阻力，從而調(diào)節(jié)顆粒的循環(huán)量。令氣和水進(jìn)口水進(jìn)口幸氣進(jìn)口圖8氣液分布板（不同開(kāi)孔形式的分布板，圖中圓圈表示水的入口，實(shí)點(diǎn)表示氣體人口 J圈9管式氣液分布器1一氣被分布管？一氣體入口 3一二次水入口4-i 水人口 5 R 水口迄今為止，研究者已開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用于流化床換熱器的流固分布器。氣體分布器的發(fā)展 已進(jìn)入成熟階段，但由于技術(shù)保密等原因，尚未見(jiàn)