微型流化床的研究现状

李凡，贾松岩(沈阳化工大学 化学工程学院，辽宁 沈阳 110142)

0 引言

传统工业中的流化床通常规模较大，床直径从1 到10 m 不等，而实验室规模的用于基础研究的流化床通常直径在10～50 cm 之间的范围[1]。微型流化床(micro-fluidized bed， MFB)于2005 年首次提出并进行研究[2]，通常指内部直径几毫米(通常小于20 mm)，在壁面与流化系统之间有大的接触表面积的流化床。因此，相比传统流化床，MFB 在实际应用中有独特的优势，如放热反应中超高速的散热，易获得等温条件；在低流速时有较高的表面气速；反应器的操作稳定性提高[3]；易于安装和运输，节约空间。这些优势使得微型流化床在复杂反应分析和实际应用中扮演着重要的角色。

1 流态化

流态化指固体颗粒被上升的气体或液体作用而处于悬浮状态，从而获得流体特性的一种物理现象。近代流态化理论以Kwauk M等[4]提出的广义流态化理论和Davidson等[5]提出的气泡理论为代表，而近代流态化技术的工业应用则以煤的气化和石油的催化裂化为代表[6]。

流化床中的大量颗粒随着床层的膨胀调整空隙率，使颗粒之间脱离接触，从而消除颗粒间的内摩擦，使颗粒能够在一个相当宽的表观气速范围内悬浮于气流之中[7-8]。在流化过程中，表达床层膨胀过程固体颗粒分布的体系重心是考查床层膨胀程度的重要参考；而流化过程中流化因子(固体颗粒曳力与重力的比值)则反映了流化过程的稳定程度。

液固流态化一般有固定床、散式流态化和液相输送三种流型，而气固流态化通常具有更复杂的流型，随着气速的增大，颗粒床层历经固定床、散式床、鼓泡床、节涌床、湍动床、快速流化床、气力输送等一系列的流型转变。通常，颗粒夹带量有限的流化状态，包括散式、鼓泡、湍动，称为低气速流态化；反之，快速流态化、气力输送则称为高气速流态化。对于低气速流态化，沿床层轴向颗粒浓度呈上稀下浓的连续分布，沿径向为中心稀、边壁浓。在高气速流态化阶段，床层颗粒浓度不断变稀，轴向分布更均匀，床层压降亦随之降低。在传统的流化床中，返混受气泡运动的影响很大，而气泡的运动与床的尺寸(直径)，固体颗粒的性质和气体的速度密切相关[9]。Geldart等[10]提出了Geldart 颗粒分类法，将固体颗粒按照粒径和密度分为A、B、C、D 四类，这为流态化的深入研究提供了重要的基础和参考。

2 微型流化床

目前针对微型流化床流体动力学特性的研究主要集中在通过改变反应器内径尺寸、颗粒粒径和静态床高，从而探讨探讨最小流化/鼓泡速度、床层压降、床层膨胀过程等如何影响微型流化床的流体力学特性以及床层内部气固流动结构的变化。

2.1 研究方法

2.1.1 实验方法

在MFB 的研究中，已经报道了两种类型的实验方法，即视觉观察法和基于压力信号测量的技术(FPS 分析)。视觉观察法通过直接观看或使用高速摄像机来记录变化的床层，再通过一帧一帧分析，这可以清楚地观测到内部流化状态。比如Zivkovic等[11]通过将染料稀释技术与标准俯视图分析相结合，发现微流化床提供的混合效率和混合能量效率是相同尺寸的无颗粒通道的三倍之多，混合性能受比功率输入和床空隙的强烈影响。另外摄像的成像分辨率也会对研究产生一定的影响。Moein等[12]报告了一种新方法，当微流化床由单分散球近似的颗粒组成时，可以避免此问题。他们通过在床的连续横截面图像中识别颗粒横截面的近似中心和直径，将其替换为圆形，然后通过识别连续图像之间的相关性，将它们组装以形成颗粒，可以实现此目的。

在第二种压力测量技术中，使用了差压传感器，这个方法相较于视觉观察对流化状态的把握更加精准。其主要包括两个探头，一个保持对大气开放一个通道或连接到自由板上的探头，另一个连接到气体分布器下方或表面的探头。但气体分配器上压力探头的固定可能会导致压力波动信号(PFS)精度的损失。McDonough等[13]使用3d 打印技术将压力探头定位在气体分配器的正上方，当压力探头直接指向固体系统时，PFS 被有效而准确地捕获。而Quan等[14]在每个MFB 中，开发了一种微机械工艺，通过柱壁横向引入一个压力探头，并将其置于气体分配器上方一点。然后使用统计方法(平均值和标准偏差)结合FFT(快速傅里叶变换)频谱分析(PSDF 和T-F 分析)进行分析。

2.1.2 模拟方法

目前对气固两相流的模拟方法主要包括两种：一种是离散方法，认为系统是由大量粒子组成，离子间作用决定系统的行为；这种方法可以给出离散颗粒运动的详细信息，更适合研究颗粒-流体系统中的复杂时空细节。另一种是连续型方法，基于连续性假设，将离散的固体颗粒处理为拟流体，将流体相处理为连续介质，空间的每一点流体相与颗粒相均共同存在，颗粒相与流体相相互渗透并各自遵守质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程。连续型的双流体模型是当前流化床模拟采用的主要方法之一，这种方法适合研究较为宏观的流态化现象，但无法精确处理流体相与颗粒相界面的问题。

Mark J.Biggs等[15]通过将离散方法的颗粒轨道模型产生的结果与实验获得的结果进行比较，发现反应发生在流化床乳相中驻留的固定碳的边界层内，反应程度随着表观气体速度的增大而减小。Xu等[16]将传统的分子动力学模拟MD 被推广到适应不同尺度的离散元素。通过实现系统、模型、软件和硬件之间的一致性(即EMMS 范式)，以实现高效率，并讨论了将分子动力学工程化为虚拟实验平台的可能性。Fang[17]等使用计算流体动力学离散元方法(CFD-DEM) 进行了试验，以数值结果揭示了微循环流化床床层各部分的典型气固流型，并分析了床的时间平均速度和空隙率分布，发现在床的入口和出口附近有明显的变化，沿提升管轴的时间平均固体速度的反“C”分布，由此证明了设施结构对气固流动特征具有至关重要的影响。

2.2 特性总结

微型流化床与传统流化床的不同主要源于其突出的壁效应。壁效应在不同情况下会产生较大的差异，其与传统流化床的不同具体表现在以下几个方面。

2.2.1 流化滞后现象

流化滞后现象指实际测量的最小流化速度大于理论预测值，主要原因是相比于传统流化床，内径很小的MFB 增加了向下的壁面摩擦，使得流化过程出现滞后。

Quan等[14]使用球形Geldart B 组粒子(玻璃珠)在内径4～100 mm 之间的流化床中被分为6 组实验，确定了MFB 中五个流态：固定床，拟均相流态化，鼓泡，节涌和湍流化。与CFB 相比，MFB 的最小流化，鼓泡和节涌均出现滞后，而湍流的发生则提前了。当Dt 从20 mm 减小到4 mm(MFB 标度)时，最小流化速度仅略有增加，而最小鼓泡速度和最小节涌速度明显增加，Wang F等[1]研究了截面尺寸为(700 μm～ 5 mm)×(700 μm～3 mm)的矩形微管中FCC 颗粒的流化特性，也出现了流化滞后现象，且最小流化速度和最小鼓泡速度均随着床尺寸的减小呈指数递增。

2.2.2 湍动的提前

Wang等[18]在截面积为2×0.93 mm2～6×2.8 mm2的方形流化床中，研究了粒径为50～150 μm，密度为1 500 kg/m3的颗粒的流化特性，发现MFB 中的湍动转变速度明显减小。Quan等[14]也得出湍动提前的结论，发现到湍流化后期涵盖了相对较宽的气体速度范围，并且具有相对均质的流化结构，这一结论可能为MFB 未来的实际应用开发铺平道路。

2.2.3 床层压降的变化

在传统流化床中，床层压降为单位界面内固体颗粒的表观重量(即重力-浮力)，当流化稳定后，床层压降将保持定值而与气速无关。而在MFB 中，有一个研究趋势是接近最小流化速度的床层压降比单位界面床内粒子的表观重量更高，从而被定义为超压降，这归因于壁摩擦产生的阻力，并且被一些作者作为一个MFB壁效应的量化参数[19]。另一个趋势是，床层压降被发现低于用于传统流化床古典能动方程预测的值[20]，这被归因于MFB 床层空隙率的增加。

2.2.4 边壁效应的影响

微型流化床由于床层直径的减小使得边壁效应加剧。Liu等[19]研究了床层直径为12 mm、20 mm、32 mm的气固微型流化床，发现当床直径从20 mm 减小到12 mm 时，最小流化速度和最小鼓泡速度均显著增大；当床层直径大于20 mm 时仅略微影响这两种速度。当床层直径为12 mm 时，最小流化速度随固体物料起始堆积高度的增加而增大。Liu等[21]采用双流体模型和修正的Gibilaro 曳力模型模拟研究了Geldart A 颗粒在气固微型流化床中的流化行为，发现壁面光滑系数对固体颗粒最小流化速度和床层空隙率的影响很小，而对气固流动形态的影响很大。

2.2.5 高径比与粒径比的影响

Guo 等[20]发现高径比从1∶1 增加到1∶3 时，最小流化速度随床层高度的增大近似线性增大。另外，粒径比(床径与粒径之比)对流化特性也会产生一定的影响。Doroodchi等[22]通过研究内径为0.8 mm、1.2 mm、17.1 mm 的液固微型流化床中不同粒径玻璃珠的流化过程，发现粒径比大于3.5 时，床层内形成散式流态化，并且床层压降和最小流化速度随着床径的减小逐渐增大。

3 结语

文章主要介绍了微型流化床的研究方法和特性。通过近年来的研究成果归纳发现，床层直径的减小使得微型流化床表现出与众不同的流体动力学特性，如：流化滞后、湍动提前、边壁效应加剧等。因此，在进一步研究微型流化床的流体动力学特性以及实际应用时，应关注床层直径的减小对流化行为的影响，从而发挥微型流化床的优势和价值。