纳米T i O2在环隙流化床中流动特性的实验研究

王 克 英

（1. 青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042; 2. 济宁市技师学院，山东 济宁 272000）

纳米T i O2在环隙流化床中流动特性的实验研究

王 克 英1,2

（1. 青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042; 2. 济宁市技师学院，山东 济宁 272000）

在环隙流化（AFB）床中，应用实验测量技术研究了床层压降和床层膨胀曲线以及最小流化速度的变化规律。研究结果显示，在升速流化时，随着气速增大，床层压降和床层膨胀比也随之增大，当气速超过一定值时，纳米TiO2颗粒完全流化，压降波动和床层膨胀比趋于平稳。最小流化速度随着纳米TiO2质量的增加而增大。

环隙流化床；最小硫化速度；床层压降；测试技术

TiO2超细颗粒由于其粘附性强，流化时易形成横向裂纹和纵向沟流而难以实现平稳流化，因此超细颗粒的流态化一直备受关注[1-3]。Chaouki等首先发现气速远远高于超细颗粒最小流化速度时，Cu/Al2O3气溶胶会形成许多小的团聚体，进而以团聚体形式实现了平稳流态化[4]。随后，国内外许多研究人员的研究成果也都证实了超细颗粒在高气速下的自团聚流化现象[5-9]，但大都局限于传统流化床的研究，对纳米TiO2颗粒在环隙流化床中的流化现象和流化特征参数的研究鲜有报道[10]。本研究以原生纳米颗粒TiO2为主要流化物料，在环隙流化床内研究了其流动现象和流态化特征，为该类型反应器的放大和应用提供了理论依据。

1 实验部分

图1为环隙流化床示意图。环隙流化床的流化区域外壁是有机玻璃管，内径180 mm，高680 mm；内壁是石英玻璃管，外径140 mm，高680 mm；以两管的中轴线为中心，石英玻璃管嵌套于有机玻璃管内，石英管与有机玻璃管之间的环形空隙为流化床流化区。该流化床系统由气体风机、缓冲罐、空气转子流量计、环隙流化床等主要部件构成。气体分布器是由有机玻璃多孔分布板，开孔率为0.5%，开孔直径为1 mm。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

首先，检查流化床管路连接处的气密性，在管路连接处涂抹肥皂水，启动风机，检查密封性。然后，加入实验物料，进行流态化实验研究，用直尺测量床层高度，分别在环隙周围均匀设定6个采样点，测量相应的数据，最后做平均计算取得实验值；利用连接的流化床监控系统，在线测量床层压降；利用扫描电镜表征颗粒的团聚形貌和粒度；利用数字便携式摄影机拍摄颗粒和气泡的演变行为。采用PV6A型颗粒速度测量仪对环隙流化床中的TiO2纳米颗粒的速度和浓度进行测量。

2 结果与讨论

2.1 床层压降与床层膨胀曲线

图2和3分别为不同流化物料质量条件下纳米TiO2颗粒在环隙流化床中流化时的膨胀曲线和床层压降曲线。从图中看出，在升速流化时，随着气速增大，床层压降和床层膨胀比均随之增大，当气速超过一定值时，纳米TiO2颗粒完全流化，压降波动和床层膨胀比趋于平稳。由此可见，在高气速下纳米TiO2颗粒流化状态较好。降低气速的流化过程中，在一定气速条件下，纳米TiO2颗粒的压降变化幅度很小，压力波动比较平稳，床层高度的变化幅度也很小。但当气速下降到一定数值时，床层压降和膨胀比，都发生明显的递减趋势。

比较升速（从固定床到流化床）和降速（从流化床到固定床）得到的压降和床层膨胀曲线有明显的滞后现象。

图2 环隙流化床床层膨胀曲线Fig.2 Bed expansion curves for agglomerate fluidization in AFB

2.2 床层塌落曲线

图4为不同气速下150 g纳米TiO2颗粒的床层塌落曲线。由图4可见，在刚开始切断气流的5 s内，床层迅速塌落，随后床层以不断衰减的速率塌落。关机后10 s，床层高度不再变化。该曲线一般由气泡逸出阶段和指数脱气阶段两部分组成。床层塌落以第一阶段气泡逸出阶段为主，在随后的过程中，床层高度变化不大，类似于A类颗粒的塌落曲线。

图3 环隙流化床床层压降曲线Fig.3 Pressure drop curves for agglomerate fluidization in AFB

在高气速下，关机时能明显看到床层上部气泡的溢出，也就是曲线中的气泡溢出阶段，气泡溢出速度较快，该阶段床层高度呈直线下降；而在低气速下，看不到床层气泡的溢出，塌落曲线则主要是由指数脱气阶段构成。同时，图4中还反映了不同气速下床层塌落达到稳定所需的时间不同。

图4 纳米TiO2颗粒的床层塌落曲线Fig.4 Bed collapsing curves of nanoTiO2

图5 压降与气速的关系Fig.5 Correlation of pressure drop and gas velocity

2.3 聚团颗粒的最小流化速度

本文采样床层压降对表观气速做曲线求得不同流化物料质量的最小流化速度，如图5所示。由图5可见，随着流化颗粒的质量增加，床层压力降增大，相应床层最小流化速度增大。随着表观气速增大，起初床层压力降呈线性增加，当表观气速达到最小流化速度后，压力降随表观气速变化不再显著。

3 结 论

（1）随着气速增大，床层压降和床层膨胀比均随之增大，当气速超过一定值时，压降波动和床层膨胀比趋于平稳，压降和床层膨胀曲线有明显的滞后现象。

（2）在高气速下，气泡溢出速度较快，床层高度呈直线下降；在低气速下，无气泡溢出，塌落曲线主要由指数脱气阶段构成。

（3）随着流化颗粒的质量增加，床层压力降增大，相应床层最小流化速度增大。

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Experimental Investigation into Fluid Behaviors of Nano-TiO2in an Annular Fluidized Bed

WANG Ke-ying1,2
（1. College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China; 2. Ji’ning Technician College, Shandong Ji’ning 272000, China）

The pressure drop of bed and bed expansion curve and the minimum fluidization velocity were obtained by experimental measurements in an annular fluidized bed. The experimental results show that the bed pressure drop and ratio of bed expansion increase with increasing of gas velocity in fluidization state of gas increasing velocity. When gas velocity exceeds fixed value, nano-TiO2particles are completely in fluidization; pressure fluctuation and ratio of bed expansion are smooth and steady. The minimum fluidization velocity increases with increasing of nano-TiO2mass.

Annular fluidized bed; Minimum fluidization velocity; Pressure drop; Measuring technique

TQ 426.94

A

1671-0460（2012）09-0927-03

2012-03-21

王志敏（1967-），男，山东济宁人，高级讲师，1991年毕业于青岛科技大学化学工程与工艺专业，研究方向：从事化工工艺开发工作。E-mail：WZM2273469@163.com。