混合顆粒在內(nèi)置水平管振動流化床中流體力學(xué)研究

李 根，王銳思，葉世超，祝 杰，吳振元

（四川大學(xué) 化工學(xué)院，四川 成都 610065）

帶內(nèi)置水平管的振動流化床是將機(jī)械振動和內(nèi)置水平加熱管同時引入到普通流化床的一種新型床層形式。振動的引入，不但可以提高操作能力、流化質(zhì)量，增強(qiáng)傳質(zhì)、傳熱特性，并且有改善氣固接觸均勻性的特點(diǎn)[1，2]，因此，在干燥[3，4]和造粒[7]領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。振動流化床內(nèi)設(shè)置水平加熱管的可以顯著降低干燥介質(zhì)用量，進(jìn)而使得廢氣排放量減少，熱效率提高，節(jié)能潛力巨大，應(yīng)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體力學(xué)性質(zhì)，國內(nèi)外已有大量的研究[8，9]，但是雙組份物料在內(nèi)置水平管的振動流化床中的壓降特性卻鮮有報道。由于振動流化床的動力學(xué)現(xiàn)象比普通流化床復(fù)雜[10]，加之床中內(nèi)置水平管隨著床體一起做豎直方向的正弦振動，對管壁周圍顆粒床層產(chǎn)生重要作用，導(dǎo)致床層壓降變化較普通振動流化床更為復(fù)雜。床層壓降曲線是表征床層流動特性的重要參數(shù)[11]，要準(zhǔn)確預(yù)測振動流化床的床層壓降極為困難，目前，主要依靠實(shí)驗(yàn)測定和借助一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算。Yoshihide M等通過試驗(yàn)得到黏性細(xì)粉振動流化時床層壓降[12]，Gupta R通過試驗(yàn)關(guān)聯(lián)了振動流化床起始流化時床層壓降的計算式[13]，葉世超[14]利用顆粒拋擲理論，得到振動流化床床層壓降計算式。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，以玉米粒和塑料珠為實(shí)驗(yàn)物料，研究了雙組分顆?；旌衔镌趦?nèi)置水平管振動流化床中的床層壓降，以期為振動流化床的工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示，流化床為橫截面積240×80mm2、床高800mm的有機(jī)玻璃二維床，氣體分布板由5mm厚的金屬板制成，孔徑為Φ2mm，開孔率為4.9%。兩個壓力測試口分別設(shè)置在距分布板上30mm處和緊貼分布板的上方，來測定床層壓降。振動流化床床體由四根金屬螺旋彈簧與固定支架相連，用導(dǎo)向連桿將一偏心機(jī)構(gòu)連接到床體底部，依靠偏心機(jī)構(gòu)的作用，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成床體在垂直方向的正弦運(yùn)動，為確保連桿僅沿垂直方向作往復(fù)運(yùn)動而沒有水平方向的擺動，將5根直線運(yùn)動軸承進(jìn)行限位，振動頻率通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速予以控制，并通過數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速表測出，振幅和振動頻率可隨意調(diào)整。流化床下段按3排內(nèi)置11根Φ22mm水平管，分三層按正三角形排列。空氣由羅茨風(fēng)機(jī)鼓入，經(jīng)孔板流量計計量后送入振動流化床中。實(shí)驗(yàn)過程中在不同的振動條件下，改變氣速u，通過測壓點(diǎn)測定床層壓降Δp。實(shí)驗(yàn)物料堆積至剛好覆蓋從上往下數(shù)第一排水平管，物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental apparatus

表1 實(shí)驗(yàn)粒子主要物性Tab.1 Characteristics of experimental particles

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對床層壓降影響

圖2為在有內(nèi)置水平管的振動流化床中，玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)wA與床層壓降的關(guān)系曲線。

圖2 玉米質(zhì)量分?jǐn)?shù)對床層壓降的影響Fig.2 Effect of mass fraction on the pressure drop（f=3.33Hz，A=4mm）

由圖2可知，在較低氣速時，玉米粒的壓降大于塑料珠的，這是因?yàn)樵诨旌项w粒中粒徑較小的玉米粒嵌入了塑料珠間的空隙中使床層自由截面減小床層空隙率小，氣體流通阻力大，因此，床層壓降大；進(jìn)入流化階段后，床層壓降隨玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。這是因?yàn)樵谕瑯拥募ふ窳ψ饔孟?，玉米粒可以吸收振動的能量較多，激振力能抵消的顆粒重量多，因此，臨界流化壓降減小。

2.2 振動頻率對床層壓降的影響

圖3為有內(nèi)置水平管的振動流化床中頻率對床層壓降的影響。

圖3 頻率對床層壓降的影響Fig.3 Effect of vibration on the pressure drop（wA=75%、A=2mm）

由圖3中曲線可以看出：（1）流化床無論有無振動，床層壓降都隨著氣速的增大而逐漸上升。這是由于當(dāng)流體以較低流速通過顆粒床層時產(chǎn)生的曳力不足以改變顆粒的靜止?fàn)顟B(tài)，床層呈現(xiàn)固定床性質(zhì)，壓降隨流速增加的規(guī)律服從歐根方程式。流速繼續(xù)增加，當(dāng)全部顆粒獲得足夠的曳力可以懸浮在流體中并可自由運(yùn)動時，顆粒進(jìn)入初始流化狀態(tài)，此時臨界流化壓降基本不隨流速改變。（2）在固定床階段，高頻振動流化床的床層壓降大于低頻振動流化床，當(dāng)床層處于流化狀態(tài)時低頻振動流化床的臨界流化壓降反而高于高頻振動流化床。振動的加入消除了固定流化床壓降曲線的特征峰，使得固定床階段向臨界狀態(tài)的轉(zhuǎn)變變得緩和。主要原因在于低速下由于振動的作用顆粒間的架橋現(xiàn)象減少，從而使得床層顆粒的堆積更為緊密，空隙率變小，氣體通過床層時阻力增加，壓降升高。然而當(dāng)氣速和振動頻率達(dá)到一定值時，顆粒開始作拋擲運(yùn)動，空隙率增大且激振力抵消一部分顆粒重力，顆粒可以在較低氣速下流化，臨界流化壓降降低。

2.3 振幅對床層壓降的影響

圖4表示在有內(nèi)置水平管的振動流化床中振幅對臨界壓降的影響。

圖4 振幅對床層壓降的影響Fig.4 Effect of amplitude on the pressure drop

由圖4可知，固定床階段，床層壓降隨振幅的增大而增大；流化床階段臨界壓降反而隨振幅的減小而增大。這是因?yàn)榈蜌馑贂r，振幅增加，顆粒混合的更加均勻，空隙率減小，床層壓降增大。流化床階段，振幅增加，內(nèi)置管和分布板的上下運(yùn)動幅度越大，顆粒在床內(nèi)獲得的能量提高，達(dá)到臨界流化狀態(tài)時所需的氣體的曳力降低，氣體通量減少，臨界流化壓降下降。

2.4 內(nèi)置水平管對床層壓降的影響

以純塑料珠為物料，分別在有無內(nèi)置水平管的二維床內(nèi)做對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，有內(nèi)置水平管的振動流化床床層壓降高于無內(nèi)置水平管的。這是由于內(nèi)置水平管的存在減小了床層自由截面，抵消了顆粒受到的曳力，增大了氣體流通的阻力；物料不只相互間的碰撞加劇，還與水平管之間的相互撞擊，能量損失加大，從而使床層內(nèi)的壓降上升。但在振動情況下引進(jìn)內(nèi)置水平管可以導(dǎo)致氣體的湍流繞行運(yùn)動，抑制氣泡聚并，促進(jìn)氣泡分散，減少騰涌、壁面現(xiàn)象，使床層流化更加均勻，降低臨界流化速度。

圖5 內(nèi)置水平管對床層壓降的影響Fig.5 Effect of inner horizontal tubes on the pressure drop（f=3.33Hz、A=4mm）

2.5 振動強(qiáng)度對臨界流化壓降的影響

圖6為振動強(qiáng)度對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合顆粒臨界壓降的影響。

圖6 振動強(qiáng)度對臨界流化壓降的影響Fig.6 Effect of vibration intensity the critical pressure drop

由圖6可知：（1）臨界流化壓強(qiáng)均隨振動強(qiáng)度的增大而減小。這是因?yàn)閺?qiáng)度越大，顆粒受到的激振力越大，抵消的顆粒重量就越多，達(dá)到臨界流化速度所需的氣體曳力和氣體量必然減少，臨界流化壓降降低。（2）相同條件下隨著玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大臨界壓降降低，并且振動的作用越明顯。這是因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，混合顆粒平均粒徑減小，顆粒與水平管的接觸更緊密，吸收的能量越多，臨界流化壓降越小。

3 經(jīng)驗(yàn)公式擬合

混合物的平均物性用文獻(xiàn)[15]推薦的公式計算得混合物的平均密度：

式中 wA、wB：A和B物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

混合物的平均直徑：

式中，Φs為球形度，無因次。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)回歸分析，得到了帶內(nèi)置水平管的混合顆粒振動流化床臨界流化壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，在0 m

將經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.7 Experience formula compare with experimental data

由圖7可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，基本符合客觀規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）在低氣速時，玉米粒的壓降大于塑料珠的壓降，進(jìn)入流化階段后，臨界流化壓降隨玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。

（2）在固定床階段，高頻振動流化床的床層壓降大于低頻振動流化床，當(dāng)床層處于流化狀態(tài)時低頻振動流化床的臨界流化壓降反而高于高頻振動流化床。振動的加入消除了固定流化床壓降曲線的特征峰，使得固定床階段向臨界狀態(tài)的轉(zhuǎn)變變得緩和。臨界壓強(qiáng)均隨振動強(qiáng)度的增大而減?。?/p>

（3）固定床階段，振幅增大床層壓降升高；流化床階段，振幅增大臨界流化壓降明顯降低。

（4）內(nèi)置水平管的引入增大了氣體流通阻力，加劇了顆粒碰撞的能量損失，提高了床層壓降，但降低了臨界流化速度。

（5）振動強(qiáng)度增大混合顆粒臨界流化壓降降低，且振動的影響效果隨玉米粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而明顯。

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