劉寶勇，魏緒玲，張 斌

（1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)石油石油化工研究院蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州730060）

化學(xué)工程

循環(huán)流化床提升管壓力瞬時(shí)波動(dòng)研究

劉寶勇1，魏緒玲2，張 斌1

（1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)石油石油化工研究院蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州730060）

在φ0.4m×9.1m 循環(huán)流化床提升管中采集了分布板以上不同軸向高度的氣體壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)，并利用統(tǒng)計(jì)方法和功率譜進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在相同操作氣速條件下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在同一軸向位置，壓力平均值越大；在相同操作條件下，壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差隨軸向高度的增加而減??；功率譜譜圖中存在一個(gè)明顯主頻。

循環(huán)流化床；壓力；瞬時(shí)波動(dòng)；統(tǒng)計(jì)分析

循環(huán)流化床（Circulating Fluidized bed，簡(jiǎn)稱CFB）在煉油、化工、能源、冶金、材料和環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如煉油工業(yè)中的FCC、化學(xué)工業(yè)中的丙烯氨氧化合成丙烯腈、能源工業(yè)中的CFBB和煤化工中的Fischer-Tropsch合成[1]等。

提升管壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)及其規(guī)律是研究固體顆粒-流化氣體兩相流動(dòng)特性的一種有效手段[2]。壓力瞬時(shí)波動(dòng)中包含著提升管內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)特性的大量信息，綜合反映了其整體流化特性，是流化顆粒特性、流化床結(jié)構(gòu)特性及所產(chǎn)生氣泡特性的耦合反映[3-4]，且具有混沌特性[5-6]。研究壓力瞬時(shí)波動(dòng)規(guī)律有助于深入掌握提升管內(nèi)流動(dòng)狀況、流型轉(zhuǎn)變[7]、故障檢測(cè)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[8]等。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 物料特性

流化固體顆粒采用石英砂（無(wú)內(nèi)孔，屬Geldart B類），采用液體置換法測(cè)定的顆粒真實(shí)密度為2690kg·m-3。由Rise 2002型激光粒度分析儀測(cè)得平均粒徑為108 μm，粒徑分布如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置主要由提升管和2個(gè)鼓泡流化床構(gòu)成。提升管內(nèi)徑0.4m，高度9.1m。鼓泡流化床2種固體顆粒處于鼓泡流化狀態(tài)，其主要作用是為提升管3穩(wěn)定供料。固體顆粒在提升管3內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速流化，氣體夾帶固體顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器4，在此分離得到的固體顆粒經(jīng)鼓泡流化床5返回鼓泡流化床2，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化。羅茨風(fēng)機(jī)提供常溫空氣作為過(guò)程流化氣體，提升管內(nèi)氣體流量由角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)（LCBH-01型）測(cè)量，2個(gè)鼓泡流化床內(nèi)氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LHB型）測(cè)量。提升管固體顆粒進(jìn)料量由連接提升管3和鼓泡流化床2的管線上的蝶閥開(kāi)度調(diào)節(jié)。固體顆粒循環(huán)速率通過(guò)切換法得到，具體做法為:在單位時(shí)間內(nèi)取循環(huán)物料，稱重，并經(jīng)換算得到，取料位置位于旋風(fēng)分離器4底部。

圖1 流化顆粒的粒徑分布

1.3 實(shí)驗(yàn)方法[9]

提升管壓力瞬時(shí)信號(hào)由差壓變送器（型號(hào)FD80CCIIERC3Lm）測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由數(shù)據(jù)采集板（型號(hào)SF-630，采集頻率為100Hz）將差壓變送器獲得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再利用微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)，顯示并記錄保存。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在不同操作條件下，采集提升管分布板以上各軸向高度的一定時(shí)間段內(nèi)的壓力瞬時(shí)波動(dòng)數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采樣時(shí)間設(shè)定為60 s。所測(cè)壓力瞬時(shí)波動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)校正后得到最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓力瞬時(shí)波動(dòng)

不同操作條件下，提升管分布板以上軸向高度H=0.11 m處，具體壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)如圖3所示。

圖3 不同操作條件下壓力瞬時(shí)波動(dòng)（H=0.11 m）

在同一軸向位置，不同操作條件下的壓力瞬時(shí)波動(dòng)的表觀特征不同，在不同時(shí)間點(diǎn)，壓力可能偏離平均值，或上或下，幅度和趨勢(shì)亦不同。H=0.11m處，Ug=1m·s-1，Gs=8.53kg·(m2·s)-1時(shí)，壓力上下波動(dòng)相對(duì)均勻，但偏離程度較大；平均值Pav=4236 Pa，伴隨標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=552.8 Pa。Ug=1.3 m·s-1，Gs=13.52 kg·(m2·s)-1時(shí)，若壓力高于平均值，波動(dòng)較小，最大值Pmax= 4086 Pa；若壓力低于平均值，波動(dòng)較大，最小值Pmin=3096 Pa；總體上Pav=3854 Pa，伴隨σ=148.9 Pa。Ug=1.5 m·s-1，Gs=16.27 kg·(m2·s)-1條件下，若壓力高于平均值，波動(dòng)較小，Pmax= 3911 Pa；若壓力低于平均值，波動(dòng)較大，Pmin=2891 Pa；總體上Pav=3541 Pa，伴隨σ=219 Pa。Ug=1.8 m·s-1，Gs=23.52 kg·(m2·s)-1條件下，若壓力高于平均值，波動(dòng)較大，Pmax= 6325Pa；若壓力低于平均值，波動(dòng)較小，Pmin=5267 Pa；總體上Pav=5509 Pa，伴隨σ=165 Pa。不同操作條件下，壓力瞬時(shí)波動(dòng)規(guī)律不同，這也說(shuō)明提升管底部區(qū)域具有不同的氣-固兩相流動(dòng)狀態(tài)。

造成壓力瞬時(shí)波動(dòng)的原因主要包括3個(gè)方面:一是流化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氣泡，氣泡行為導(dǎo)致波動(dòng)，二是提升管床體振動(dòng)，三是床層表面、底部分布板及布?xì)馐业任恢脡毫Σ▌?dòng)的傳播[2]。其中氣泡行為(包括氣泡形成、發(fā)展、聚并及破碎)是影響提升管內(nèi)壓力瞬時(shí)波動(dòng)的主要因素[9]。提升管內(nèi)是復(fù)雜多相體系，包括氣-固相互作用、氣泡行為、固體顆粒聚集體行為、裝置床體振動(dòng)和外來(lái)波動(dòng)傳播等多個(gè)方面，它們發(fā)生相互作用和耦合作用，導(dǎo)致壓力瞬時(shí)波動(dòng)情況非常復(fù)雜。為了從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中得到盡可能多的有用信息，需要利用各種已有數(shù)學(xué)工具進(jìn)行深入分析。常用方法包括統(tǒng)計(jì)分析和功率譜分析等。

2.2 壓力瞬時(shí)波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法可以獲得壓力瞬時(shí)波動(dòng)的一些性質(zhì)，如壓力平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及概率密度函數(shù)等，且簡(jiǎn)單快速。其中平均值為:

標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以衡量壓力瞬時(shí)數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值越大，說(shuō)明偏離程度越大。

不同操作條件下的壓力瞬時(shí)波動(dòng)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均隨分布板以上軸向高度增加而變化，如圖4所示。

圖4 壓力平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差在軸向的分布

在相同操作氣速下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在同一軸向位置，壓力平均值越大。原因是固體顆粒循環(huán)速率越大，提升管內(nèi)固體顆粒數(shù)量越多，動(dòng)力系統(tǒng)需要為顆粒加速及輸送提供更多能量。壓力平均值的軸向分布與固體顆粒平均濃度分布[11-12]是一致的。底部密相區(qū)固體顆粒濃度大，顆粒加速及輸送需要消耗更多能量[13]，因此單位高度壓力差值大。上部稀相區(qū)的固體顆粒濃度小，顆粒輸送比底部密相區(qū)能耗少，單位高度壓力差值小。Ug=1m·s-1，Gs=8.53 kg·(m2·s)-1時(shí)，H=0.11 m處，壓力瞬時(shí)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，σ=553 Pa；H=0.50 m處σ=180 Pa，減小很多，繼續(xù)增加軸向高度，標(biāo)準(zhǔn)偏差繼續(xù)減小，且隨高度變化不大，在110 Pa左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差減小說(shuō)明了壓力瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)平均值偏離程度減小。提升管中壓力瞬時(shí)波動(dòng)主要是氣泡行為引起的，氣泡在分布板風(fēng)帽處產(chǎn)生，上升并發(fā)生聚并，由小變大，在密相區(qū)上表面破裂，會(huì)產(chǎn)生較大壓力瞬時(shí)波動(dòng)；壓力瞬時(shí)波動(dòng)在向提升管上部傳播過(guò)程中會(huì)逐漸衰減，因此波動(dòng)程度變小。Ug=1.5 m·s-1，Gs=16.27 kg·(m2·s)-1條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差分布趨勢(shì)亦是如此。而Ug=1.8 m·s-1，Gs=23.52 kg·(m2·s)-1條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值普遍較小，總體上隨軸向高度增加而減小，說(shuō)明此時(shí)氣-固兩相流化狀態(tài)為密相氣力輸送。

由圖4(b)可知，上部稀相區(qū)在不同操作條件下的標(biāo)準(zhǔn)偏差差別不大，約為110 Pa，這說(shuō)明分布板影響僅局限于底部密相區(qū)，在上部稀相區(qū)，固體顆粒濃度小，氣-固兩相接觸充分，流動(dòng)形態(tài)受操作條件影響不大，因此，壓力瞬時(shí)波動(dòng)情況變化不大，主要受稀相區(qū)氣-固兩相流動(dòng)特性控制。

2.3 壓力瞬時(shí)波動(dòng)的功率譜分析

功率譜分析是化學(xué)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用分析手段之一。通常，通過(guò)自相關(guān)函數(shù)來(lái)描述某一時(shí)刻數(shù)據(jù)與另一時(shí)刻數(shù)據(jù)之間的相互依賴關(guān)系，計(jì)算式為:

將自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換就得到功率譜密度函數(shù)，即:

功率譜密度函數(shù)是一種頻域函數(shù)，蘊(yùn)含著數(shù)據(jù)頻率域方面的信息。通過(guò)功率譜分析可以獲得能量在頻率域的分布，在譜圖中振幅大小隨頻率先增后減，存在著一個(gè)明顯的振幅最大點(diǎn)，這一點(diǎn)的能量最大，習(xí)慣上稱該點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率為主頻[10]?？梢酝ㄟ^(guò)多種方法來(lái)估計(jì)功率譜，具體可分為參數(shù)化方法和非參數(shù)方法兩種。通過(guò)比較，本文采用的方法是Multitaper方法，屬于非參數(shù)方法。相互獨(dú)立的譜估計(jì)主要運(yùn)用正交窗口來(lái)獲取，之后再組合成最終譜估計(jì)[11]。

壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)功率譜分析表明，譜圖中存在著一個(gè)明顯的主峰，即振幅最大點(diǎn)，對(duì)應(yīng)頻率即為主頻fp。隨頻率增高，超過(guò)主頻fp后，振幅A數(shù)值逐漸衰減。壓力瞬時(shí)波動(dòng)的功率譜如圖5所示。在H=0.11 m處， Ug= 1m·s-1，Gs=8.53 kg·(m2·s)-1條件下，壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)的功率譜為圖5(a)，振幅峰值54.3 dB，對(duì)應(yīng)fp=2.45 Hz。Ug=1.5 m·s-1，Gs=4.75kg·(m2·s)-1條件下壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)的功率譜為圖5(b)，振幅峰值30.95 dB，對(duì)應(yīng)fp=3.7 Hz。從圖5各圖中均能發(fā)現(xiàn)，壓力瞬時(shí)波動(dòng)的低頻部分振幅大，意味著能量高；高頻部分振幅小，意味著能量低，可見(jiàn)低頻部分是引起壓力瞬時(shí)波動(dòng)的主要原因。

3 結(jié)論

由于壓力瞬時(shí)波動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性，本文采用了多種分析手段對(duì)其進(jìn)行了分析:

圖5 壓力瞬時(shí)波動(dòng)的功率譜（H=0.11 m）

1) 平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分析表明，在相同操作氣速下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在分布板以上同一軸向位置，壓力平均值越大；相同操作條件下，標(biāo)準(zhǔn)偏差隨軸向高度的增加而減小。

2) 通過(guò)分析壓力瞬時(shí)信號(hào)的功率譜發(fā)現(xiàn)，不同譜圖中均存在一個(gè)明顯的主頻。

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Research on Pressure Instantaneous Fluctuations in Riser of Circulating Fluidized Bed

LIU Bao-yong1, WEI Xu-ling2, ZHANG Bin1
(1. School of Chemical and Biological Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2. Lanzhou Petrochemical Research Center, Petrochemical Research Institute, PetroChina, Lanzhou 730060, China)

The experiments were carried out in a circulating fluidized bed of 0.4m in diameter and 9.1m in height to determine pressure instantaneous fluctuations at riser wall of different axial levels up the distribution plate. And the data measured were systematically analyzed using statistical methods and power spectrum. It was found that at the same operating gas velocity and axial location, average pressure increased with increasing solid circulation rate. And at the same operation condition, standard deviations in the axial direction decreased with increasing height in the axial direction. Furthermore, it was found that there was an obvious principal frequency in power spectrum.

circulating f uidized bed; pressure; instantaneous f uctuation; statistics analysis

TQ 021.1

A

1670-9905(2015)05-0058-04

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1310RJZA066）；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2013011）

劉寶勇（1981-），男，博士在讀，講師，主要從事化學(xué)工程和材料學(xué)的教學(xué)與研究工作，電話13893138207，E-mail: liuby@mail.lzjtu.cn

2015-03-04