混合颗粒在内置水平管振动流化床中流体力学研究

李 根，王锐思，叶世超，祝 杰，吴振元

（四川大学 化工学院，四川 成都 610065）

带内置水平管的振动流化床是将机械振动和内置水平加热管同时引入到普通流化床的一种新型床层形式。振动的引入，不但可以提高操作能力、流化质量，增强传质、传热特性，并且有改善气固接触均匀性的特点[1，2]，因此，在干燥[3，4]和造粒[7]领域得到广泛的应用。振动流化床内设置水平加热管的可以显著降低干燥介质用量，进而使得废气排放量减少，热效率提高，节能潜力巨大，应用前景良好。流化床操作中混合物占很大部分，混合物在流化床中的流体力学性质，国内外已有大量的研究[8，9]，但是双组份物料在内置水平管的振动流化床中的压降特性却鲜有报道。由于振动流化床的动力学现象比普通流化床复杂[10]，加之床中内置水平管随着床体一起做竖直方向的正弦振动，对管壁周围颗粒床层产生重要作用，导致床层压降变化较普通振动流化床更为复杂。床层压降曲线是表征床层流动特性的重要参数[11]，要准确预测振动流化床的床层压降极为困难，目前，主要依靠实验测定和借助一些经验公式来估算。Yoshihide M等通过试验得到黏性细粉振动流化时床层压降[12]，Gupta R通过试验关联了振动流化床起始流化时床层压降的计算式[13]，叶世超[14]利用颗粒抛掷理论，得到振动流化床床层压降计算式。本文在前人工作的基础上，以玉米粒和塑料珠为实验物料，研究了双组分颗粒混合物在内置水平管振动流化床中的床层压降，以期为振动流化床的工程应用提供参考。

1 实验装置与方法

实验装置流程图如图1所示，流化床为横截面积240×80mm2、床高800mm的有机玻璃二维床，气体分布板由5mm厚的金属板制成，孔径为Φ2mm，开孔率为4.9%。两个压力测试口分别设置在距分布板上30mm处和紧贴分布板的上方，来测定床层压降。振动流化床床体由四根金属螺旋弹簧与固定支架相连，用导向连杆将一偏心机构连接到床体底部，依靠偏心机构的作用，将电机的旋转运动转变成床体在垂直方向的正弦运动，为确保连杆仅沿垂直方向作往复运动而没有水平方向的摆动，将5根直线运动轴承进行限位，振动频率通过调节调速电机的转速予以控制，并通过数字式光电转速表测出，振幅和振动频率可随意调整。流化床下段按3排内置11根Φ22mm水平管，分三层按正三角形排列。空气由罗茨风机鼓入，经孔板流量计计量后送入振动流化床中。实验过程中在不同的振动条件下，改变气速u，通过测压点测定床层压降Δp。实验物料堆积至刚好覆盖从上往下数第一排水平管，物理性质如表1所示。

图1 实验流程图Fig.1 Experimental apparatus

表1 实验粒子主要物性Tab.1 Characteristics of experimental particles

2 结果与讨论

2.1 玉米粒质量分数对床层压降影响

图2为在有内置水平管的振动流化床中，玉米粒质量分数wA与床层压降的关系曲线。

图2 玉米质量分数对床层压降的影响Fig.2 Effect of mass fraction on the pressure drop（f=3.33Hz，A=4mm）

由图2可知，在较低气速时，玉米粒的压降大于塑料珠的，这是因为在混合颗粒中粒径较小的玉米粒嵌入了塑料珠间的空隙中使床层自由截面减小床层空隙率小，气体流通阻力大，因此，床层压降大；进入流化阶段后，床层压降随玉米粒质量分数的增加而减小。这是因为在同样的激振力作用下，玉米粒可以吸收振动的能量较多，激振力能抵消的颗粒重量多，因此，临界流化压降减小。

2.2 振动频率对床层压降的影响

图3为有内置水平管的振动流化床中频率对床层压降的影响。

图3 频率对床层压降的影响Fig.3 Effect of vibration on the pressure drop（wA=75%、A=2mm）

由图3中曲线可以看出：（1）流化床无论有无振动，床层压降都随着气速的增大而逐渐上升。这是由于当流体以较低流速通过颗粒床层时产生的曳力不足以改变颗粒的静止状态，床层呈现固定床性质，压降随流速增加的规律服从欧根方程式。流速继续增加，当全部颗粒获得足够的曳力可以悬浮在流体中并可自由运动时，颗粒进入初始流化状态，此时临界流化压降基本不随流速改变。（2）在固定床阶段，高频振动流化床的床层压降大于低频振动流化床，当床层处于流化状态时低频振动流化床的临界流化压降反而高于高频振动流化床。振动的加入消除了固定流化床压降曲线的特征峰，使得固定床阶段向临界状态的转变变得缓和。主要原因在于低速下由于振动的作用颗粒间的架桥现象减少，从而使得床层颗粒的堆积更为紧密，空隙率变小，气体通过床层时阻力增加，压降升高。然而当气速和振动频率达到一定值时，颗粒开始作抛掷运动，空隙率增大且激振力抵消一部分颗粒重力，颗粒可以在较低气速下流化，临界流化压降降低。

2.3 振幅对床层压降的影响

图4表示在有内置水平管的振动流化床中振幅对临界压降的影响。

图4 振幅对床层压降的影响Fig.4 Effect of amplitude on the pressure drop

由图4可知，固定床阶段，床层压降随振幅的增大而增大；流化床阶段临界压降反而随振幅的减小而增大。这是因为低气速时，振幅增加，颗粒混合的更加均匀，空隙率减小，床层压降增大。流化床阶段，振幅增加，内置管和分布板的上下运动幅度越大，颗粒在床内获得的能量提高，达到临界流化状态时所需的气体的曳力降低，气体通量减少，临界流化压降下降。

2.4 内置水平管对床层压降的影响

以纯塑料珠为物料，分别在有无内置水平管的二维床内做对比实验，结果如图5所示。

由图5可知，有内置水平管的振动流化床床层压降高于无内置水平管的。这是由于内置水平管的存在减小了床层自由截面，抵消了颗粒受到的曳力，增大了气体流通的阻力；物料不只相互间的碰撞加剧，还与水平管之间的相互撞击，能量损失加大，从而使床层内的压降上升。但在振动情况下引进内置水平管可以导致气体的湍流绕行运动，抑制气泡聚并，促进气泡分散，减少腾涌、壁面现象，使床层流化更加均匀，降低临界流化速度。

图5 内置水平管对床层压降的影响Fig.5 Effect of inner horizontal tubes on the pressure drop（f=3.33Hz、A=4mm）

2.5 振动强度对临界流化压降的影响

图6为振动强度对不同质量分数混合颗粒临界压降的影响。

图6 振动强度对临界流化压降的影响Fig.6 Effect of vibration intensity the critical pressure drop

由图6可知：（1）临界流化压强均随振动强度的增大而减小。这是因为强度越大，颗粒受到的激振力越大，抵消的颗粒重量就越多，达到临界流化速度所需的气体曳力和气体量必然减少，临界流化压降降低。（2）相同条件下随着玉米粒质量分数的增大临界压降降低，并且振动的作用越明显。这是因为质量分数增大，混合颗粒平均粒径减小，颗粒与水平管的接触更紧密，吸收的能量越多，临界流化压降越小。

3 经验公式拟合

混合物的平均物性用文献[15]推荐的公式计算得混合物的平均密度：

式中 wA、wB：A和B物料的质量分数，%。

混合物的平均直径：

式中，Φs为球形度，无因次。

根据实验所得数据回归分析，得到了带内置水平管的混合颗粒振动流化床临界流化压降的经验关联式，在0 m

将经验公式计算结果与实验数据进行比较，如图7所示。

图7 经验公式计算结果与实验数据比较Fig.7 Experience formula compare with experimental data

由图7可以看出，经验公式与实验数据吻合良好，基本符合客观规律。

4 结论

（1）在低气速时，玉米粒的压降大于塑料珠的压降，进入流化阶段后，临界流化压降随玉米粒质量分数的增加而减小。

（2）在固定床阶段，高频振动流化床的床层压降大于低频振动流化床，当床层处于流化状态时低频振动流化床的临界流化压降反而高于高频振动流化床。振动的加入消除了固定流化床压降曲线的特征峰，使得固定床阶段向临界状态的转变变得缓和。临界压强均随振动强度的增大而减小；

（3）固定床阶段，振幅增大床层压降升高；流化床阶段，振幅增大临界流化压降明显降低。

（4）内置水平管的引入增大了气体流通阻力，加剧了颗粒碰撞的能量损失，提高了床层压降，但降低了临界流化速度。

（5）振动强度增大混合颗粒临界流化压降降低，且振动的影响效果随玉米粒质量分数的增大而明显。

［1］靳海波,张济宇,张碧江.Geldartp’s A,B和D类粒子振动流化床空气动力学的研究［J］.燃料化学学报,1998,26（4）:290-296.

［2］靳海波,张济宇,张碧江.振动流化床中流体动力学分析［J］.煤炭转化,1996,19（4）:44-49.

［3］朱学军，吕芹，叶世超.惰性粒子振动流化床中膏状物料干燥［J］.化工学报，2007，158（17）:1663-1669.

［4］卢玲.中药颗粒干燥特性与振动流化床干燥模型及模拟研究［D］.天津:天津大学，2005.

［5］潘霄恒,张则光,叶世超.内热式振动流化床喷雾造粒试验研究［J］.硫磷设计与粉体工程,2009,（3）:28-31.

［6］Rao TR,Bheemarasetti RJV.Minimum Fluidization Velocities of Mixtures of Biomass and Sands［J］.Energy,2001,26（6）:633-644.

［7］郭庆杰,张锴,张济宇，等.生物质和惰性颗粒二组分混合物的最小流化速度［J］.煤炭转化,1999,22（1）:92-95.

［8］Pilar A M,Gracia Gorria F A,Corella J.Minimum and Maximum Velocities for Fluidization for Mixtures of Agricultural and Forest Residues with a Seeond Fluidized Solid I.Preliminary Date and Resultswith Sand Sawdust Mixtures［J］.International Chemical Engineering,1992,32（1）:95-96.

［9］李克忠,张荣,毕继诚.生物质焦与煤焦及煤灰的流化特性研究［J］.化学反应工程与工艺,2008,24（5）:416-421.

［10］Ye Shichao,Chen Kuang-min。Heat transfer between immersed horizontal tubes and aerated vibrated fluidizedbeds［J］.Chinese J.Chem.Eng.,1999,7（2）:116-125.

［11］陈建平,汪展文,金涌.不同类型颗粒的振动流态化［J］.高校化学工程学报，1995，9（4）:352-357.

［12］Yoshihide Mawatar,i Masaya Tsunekawa,Yuji Tatemoto,etal.Favorable vibrated fluidization conditions for cohesive fine particles［J］.Powder Technology,2005,154:54-60.

［13］Gupta R,Mujumdar A S.Aerodynamics of avibrated fluidized bed［J］.Canadian Journal of Chemical Engineering,1980,58（3）:332-338.

［14］叶世超.振动流化床水平换热管传热特性研究［D］.成都:四川大学,2000.

［15］张济宇,彭辉.二组分混合物的最小流化特性Ⅱ.混合物平均物性与最小流化速度［J］.燃料化学学报,1998,26（1）:30-37.