衛(wèi)思辰，賈海兵，范怡平，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

引入大顆粒助劑對(duì)徑向移動(dòng)床流動(dòng)特性的影響

衛(wèi)思辰，賈海兵，范怡平，盧春喜

（中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

針對(duì)錯(cuò)流移動(dòng)床存在的空腔和顆粒流動(dòng)偏離平推流的不正常操作問題。在一套φ600 mm×1300 mm半圓錐形和柱形錯(cuò)流移動(dòng)床大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置上，借助于大顆粒助劑的引入有效提高了錯(cuò)流移動(dòng)床出現(xiàn)空腔的臨界速度，解決了錯(cuò)流移動(dòng)床操作彈性低的問題。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混入適量的大顆粒助劑可使顆粒流動(dòng)不均勻性得到明顯改善。

移動(dòng)床；空腔；顆粒物料；流動(dòng)；

引　言

移動(dòng)床反應(yīng)器是一種顆粒速度介于固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器之間的多相反應(yīng)器。按流固運(yùn)動(dòng)方向可將移動(dòng)床分為并流式、逆流式和錯(cuò)流式 3種。錯(cuò)流式移動(dòng)床具有氣體壓降低、流固兩相接觸均勻以及固體停留時(shí)間調(diào)節(jié)彈性大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于催化重整、顆粒干燥、過濾等領(lǐng)域［1-5］。

在操作過程中，移動(dòng)床內(nèi)顆粒受到徑向錯(cuò)流氣體的作用，當(dāng)氣速較高時(shí)（達(dá)到“臨界氣速”），將使靠近氣體進(jìn)口壁面（上流面）的顆粒與壁面相脫離，在上流面與顆粒床層之間形成空腔（cavity）［6］。多年來，研究者們對(duì)于空腔的研究大多集中于空腔發(fā)生的初始條件以及空腔的增長(zhǎng)理論［7-12］。對(duì)于如何抑制空腔，陳允華等［13］、曹晏等［14］發(fā)現(xiàn)床層設(shè)置內(nèi)構(gòu)件可改變空腔的臨界氣速。此外，陳允華等［15］通過實(shí)驗(yàn)和模擬認(rèn)為采用密度大、粒徑大、壁摩擦角小的顆?？梢詼p小空腔尺寸。許鵬凱等［16］采用離散元方法研究得出在移動(dòng)床中混入粗顆粒能夠抑制空腔的形成，但并未有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。

通常在操作中要求移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)為平推流，從而實(shí)現(xiàn)氣固兩相均勻接觸，顆粒停留時(shí)間分布均一［17］。但是顆粒與器壁之間的摩擦力以及氣體對(duì)顆粒的曳力都會(huì)影響顆粒的均勻運(yùn)動(dòng)，徑向風(fēng)會(huì)造成反應(yīng)器內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)由穩(wěn)定的平推流轉(zhuǎn)變?yōu)槁┒妨鳎?8］。武錦濤等［19］采用微觀尺度DEM模型分析了顆粒粒徑分布和移動(dòng)床出口直徑對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為粒徑分布對(duì)顆粒垂直速度分布有很大影響，不同粒徑的混合有利于顆粒的流動(dòng)。

由此可見，以往對(duì)于移動(dòng)床中混入大顆粒助劑的考察大多屬于模擬分析，未有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文通過大型冷模實(shí)驗(yàn)，在錐形移動(dòng)床與柱形移動(dòng)床中混入不同比例粒徑較大的助劑顆粒，考察大顆?；烊氡壤龑?duì)空腔這一非正常操作工況的影響。采用光纖顆粒測(cè)速儀測(cè)量排料區(qū)的局部顆粒速度分布，分析大顆粒的混入是否可以抑制由于徑向氣流引起的顆粒速度的不均勻分布。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與介質(zhì)

圖1　徑向移動(dòng)床裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由羅茨風(fēng)機(jī)、緩沖罐、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、提升管、移動(dòng)床、下料段、分離罐等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)裝置主體由φ 600 mm×1300 mm半圓錐形和柱形錯(cuò)流移動(dòng)床構(gòu)成，裝置總高為 5000 mm，移動(dòng)床內(nèi)的中心管和扇形筒選用催化重整工業(yè)裝置使用的約翰遜網(wǎng)，約翰遜網(wǎng)高度1100 mm、縫隙 0.4 mm、開孔率 23.5%。提升管由φ 60 mm×3400 mm的有機(jī)玻璃構(gòu)成。分離罐由φ 200 mm×1000 mm的有機(jī)玻璃構(gòu)成，在分離罐頂部加裝了0.5 mm孔徑的鋼絲篩網(wǎng)。柱形床橫截面內(nèi)環(huán)半徑為0.054 m，外環(huán)半徑為0.246 m；錐形床橫截面內(nèi)環(huán)半徑為0.054 m，頂部外環(huán)半徑為0.159 m，底部外環(huán)半徑為0.246 m。

空氣由羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)分別進(jìn)入提升管與徑向移動(dòng)床，提升管內(nèi)氣體垂直輸送顆粒后進(jìn)入分離罐，移動(dòng)床內(nèi)氣體沿徑向穿過床層后與離開分離罐的氣體匯集進(jìn)入布袋除塵器，除塵后的空氣排入大氣。移動(dòng)床內(nèi)的固體顆粒依靠重力向下流動(dòng)，然后經(jīng)過下料段，最后通過底部斜管進(jìn)入提升管，在氣體提升作用下垂直向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入分離罐，在分離罐內(nèi)依靠氣固兩相密度差實(shí)現(xiàn)分離，固體顆粒通過頂部斜管返回移動(dòng)床形成顆粒的循環(huán)。

圖2為徑向移動(dòng)床結(jié)構(gòu) ，在移動(dòng)床主體區(qū)從上到下均勻布置8個(gè)徑向進(jìn)氣通道來保證氣體的均勻分布?？諝馔ㄟ^上流面約翰遜網(wǎng)的縫隙進(jìn)入移動(dòng)床，氣體在移動(dòng)床中沿水平方向流動(dòng)與顆粒接觸，最后通過下流面約翰遜網(wǎng)的孔隙離開移動(dòng)床。氣體的流量由截止閥控制，并由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量。

圖2　徑向移動(dòng)床結(jié)構(gòu)Fig.2　Moving bed structures

實(shí)驗(yàn)中，氣體介質(zhì)為常溫空氣，固體介質(zhì)為兩種不同粒徑的催化劑擔(dān)體，其物性參數(shù)見表 1。其中，“正?！鳖w粒是指工業(yè)用移動(dòng)床所使用的顆粒，一般是1.65 mm左右的單一尺寸的顆粒，最大不會(huì)超過2 mm。本研究選擇4 mm“大顆粒”是因?yàn)槠渑c正常顆粒有足夠的粒徑差又不會(huì)過大從而影響移動(dòng)床的正常運(yùn)行。

表1　顆粒物性參數(shù)Table 1　M ain properties of particle

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中，在錐形移動(dòng)床與柱形移動(dòng)床中混入 4 mm大顆粒，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、5%、10%、20%，并且與床層內(nèi)全部為1.65 mm小顆粒時(shí)的工況進(jìn)行對(duì)比。采用視頻觀察出現(xiàn)空腔的特征及其隨時(shí)間的變化，記錄徑向移動(dòng)床出現(xiàn)空腔時(shí)的臨界條件。采用 PV-6M型移動(dòng)床顆粒速度測(cè)量?jī)x測(cè)量床層內(nèi)部顆粒速度。

測(cè)量移動(dòng)床排料區(qū)的局部顆粒速度分布時(shí)，在y=140 mm處沿橫向分別布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，其量綱1橫坐標(biāo)與測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3　顆粒速度分布測(cè)點(diǎn)Fig.3　Measurement points of particle velocity distribution

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1混入大顆粒助劑對(duì)空腔的影響

當(dāng)沒有氣體通過床層時(shí)，床層內(nèi)顆粒均勻向下流動(dòng)，顆粒速度對(duì)稱分布。當(dāng)有少量氣體通過床層時(shí)，床層內(nèi)部所有顆粒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，但顆粒速度分布開始變得不均勻，近上流面顆粒速度變大，近下流面顆粒速度變小，上流面附近顆粒速度邊界層變薄，而下流面附近顆粒速度的邊界層變厚。

繼續(xù)增加氣體流量，空腔開始形成。以錐形床為例，當(dāng)徑向氣體流量Q=560 m3·h-1（ug=0.3 m·s-1）時(shí)，在上流面約翰遜網(wǎng)頂端形成了一個(gè)微小的空穴，空穴內(nèi)沒有顆粒相，如圖4（a）所示。此時(shí)開始出現(xiàn)空腔，對(duì)應(yīng)的表觀氣速即為空腔臨界氣速?？涨辉诖矊觾?nèi)是動(dòng)態(tài)的，經(jīng)歷“形成—變形—破碎”3個(gè)連續(xù)的過程。床層上流面左側(cè)先出現(xiàn)空腔（此時(shí)上流面右側(cè)并未出現(xiàn)空腔）。上流面左側(cè)空腔呈半圓形，半徑約為12 mm。圓形空腔維持16 s后，呈攀爬狀消失，前后兩次出現(xiàn)空腔間隔時(shí)間為110 s，且現(xiàn)象一致。氣體流量達(dá)到 575 m3·h-1（ug=0.31 m·s-1）時(shí)，上流面左側(cè)出現(xiàn)一個(gè)稍大的空腔，呈半橢圓形，且空腔內(nèi)有明顯顆粒流化現(xiàn)象，如圖4（b）所示。同時(shí)，上流面的右側(cè)也出現(xiàn)空腔，左側(cè)空腔半徑約為19 mm，右側(cè)為13 mm。前后兩次空腔的間隔時(shí)間縮短至58 s，且現(xiàn)象一致。

圖4　錐形床空腔尺寸Fig.4　Schematic diagram of cavity size in semi-conical

繼續(xù)增加表觀氣速，錐形床氣體流量達(dá)到 610 m3·h-1（ug=0.33 m·s-1），進(jìn)料管中的顆粒不能進(jìn)入床層，而床層中的顆粒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，床層出現(xiàn)一個(gè)較大的空腔，出現(xiàn)了氣阻現(xiàn)象，移動(dòng)床不能正常操作，如圖5所示。此時(shí)的表觀氣速為氣阻臨界氣速［18］。

在錐形床和柱形床中按不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)混入 4 mm顆粒，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的空腔臨界氣速與氣阻臨界氣速如圖6所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著大顆粒助劑混入比例的增大，移動(dòng)床空腔臨界氣速增大，而氣阻臨界氣速大幅度下降。

柱形床中，混入大顆粒比例為 3%時(shí)空腔臨界氣速提高不明顯；當(dāng)混入比例為 5%時(shí)提升較為明顯，并且在操作范圍內(nèi)（Q=1000 m3·h-1），裝置未出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象；混合比例提至10%時(shí)空腔臨界氣速依舊在增大，并且隨著徑向氣流的增大裝置開始出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象；然而當(dāng)混入比例為20%時(shí)，由于裝置氣阻臨界氣速明顯降低，裝置先出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5　氣阻現(xiàn)象Fig.5　Schematic diagram of air lock

圖6　臨界氣速與大顆粒助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.6　Relationship of critical gas velocity w ith mass fraction of large particle

在錐形床中，其本身的操作彈性較柱形床高［20］，所以其空腔臨界氣速較柱形床高。與柱形床相似，在混入比例超過10%時(shí)，床層中還未出現(xiàn)空腔，但由于氣阻的形成裝置已不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

空腔臨界氣速隨著大顆粒助劑的混入而提高，這是因?yàn)殡S著顆粒粒徑的增大，顆粒所受到的曳力以及顆粒本身的重力都變大，但是兩者的比值減?。?1］。所以，在同一徑向氣速下，氣體對(duì)顆粒的曳力對(duì)支撐大顆粒的貢獻(xiàn)弱于對(duì)支撐小顆粒的貢獻(xiàn)。因此，當(dāng)床層中混入大顆粒后，曳力對(duì)于支撐顆粒群的貢獻(xiàn)也被削弱，進(jìn)而有利于增大形成空腔的臨界氣速。按照理論來說，混入大顆粒越多，床層的空腔臨界氣速也會(huì)越大，這與實(shí)驗(yàn)觀察到的一致。

2.2混入大顆粒助劑對(duì)顆粒流動(dòng)均勻性的影響

理想的移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)為平推流，有利于實(shí)現(xiàn)氣固兩相均勻接觸。但是顆粒與器壁之間的摩擦力以及氣體對(duì)顆粒的曳力都會(huì)影響到顆粒速度的均勻分布。

以柱形床為例，本文首先在未混入任何大顆粒助劑時(shí)通過光纖顆粒測(cè)速儀分別在徑向氣體流量Q為0、229 （ug=0.12 m·s-1）、275 m3·h-1（ug=0.15 m·s-1）時(shí)測(cè)量y=140 mm處的局部顆粒速度，如圖7所示。

圖7　未混入大顆粒時(shí)顆粒速度的橫向分布Fig.7　Horizontal distribution of particles velocity before introducing large particle

加入徑向氣流以后邊壁處的顆粒速度有明顯下降，同時(shí)中間的顆粒速度會(huì)相應(yīng)地增加。這是因?yàn)樵趶较驓饬鞯淖饔孟逻叡谂c顆粒的摩擦增大，因此降低了邊壁附近的顆粒流速。因?yàn)橐苿?dòng)床中的徑向氣流對(duì)顆粒的流動(dòng)狀態(tài)有影響，徑向氣速的增大會(huì)造成顆粒流動(dòng)由平推流向漏斗流發(fā)展，氣體徑向速度越大，顆粒的速度分布越不均勻。

為了描述顆粒運(yùn)動(dòng)的不均勻性，本文采用Zhu等［22］提出的徑向不均勻指數(shù)RNI來定量地表示局部顆粒速度的徑向分布不均勻性。在實(shí)驗(yàn)操作條件范圍內(nèi)，移動(dòng)床床層空隙率基本不變，因此局部顆粒速度Vp的徑向不均勻指數(shù)為

式中，σ（Vp）為局部顆粒速度沿截面的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σmax（Vp）為給定截面平均顆粒速度的最大可能標(biāo)準(zhǔn)偏差。

σmax（Vp）為歸一化參數(shù)，RNI（Vp）在0～1變化，其值越大表示顆粒速度徑向分布越不均勻。Vp，m in為可能的最小局部顆粒速度，取值

圖8　混入大顆粒后顆粒速度的橫向分布Fig.8　Horizontal distribution of particles velocity after introducing large particles

Vp，max為可能的最大局部顆粒速度，由局部顆粒速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

把式（2）～式（4）與實(shí)驗(yàn)獲得的局部顆粒速度最大值代入式（1）即可得到顆粒速度徑向不均勻指數(shù)。

由計(jì)算得知，在沒有通入徑向氣流（ug=0）時(shí)，徑向不均勻指數(shù)為0.0230，趨近于0，所以此時(shí)顆粒流動(dòng)很均勻接近于平推流；而當(dāng)通入徑向氣流后，表觀氣速ug為0.12 m·s-1和0.15 m·s-1時(shí)不均勻指數(shù)分別為0.0992與0.1219，說明徑向氣流會(huì)對(duì)顆粒的流動(dòng)狀態(tài)有影響，氣體徑向速度越大，顆粒的速度分布越不均勻。

為了觀測(cè)混入大顆粒助劑對(duì)于這種不利發(fā)展是否有減緩作用，本文在混入不同比例大顆粒時(shí)測(cè)量相同測(cè)點(diǎn)的局部速度，如圖8所示。

圖9　不均勻指數(shù)Fig.9　Radial non-uniformity index

利用上述公式分別計(jì)算徑向不均勻指數(shù)，如圖9所示。由圖可以明顯看出混入大顆粒助劑可以減緩由于徑向氣速的增加而導(dǎo)致的顆粒流動(dòng)向漏斗流的發(fā)展，但無法完全使排料區(qū)的顆粒呈平推流運(yùn)動(dòng)。

由于顆粒流動(dòng)的不均勻分布是由徑向風(fēng)引起的，現(xiàn)假設(shè)床層中存在一個(gè)單位面積的微元，對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖10所示。

已知曳力為

混入大顆粒后孔隙率增大，這一微元中徑向風(fēng)與顆粒接觸面積減小，所以對(duì)其內(nèi)顆粒群來說所受到的曳力會(huì)隨著大顆粒的混入而變小。顆粒群所受到的平行于徑向風(fēng)方向的分力減小，合力使得顆粒更容易向下流動(dòng)，進(jìn)而床層中顆粒流動(dòng)變均勻。

圖10　受力分析Fig.10　Force analysis

由圖8、圖9得知，當(dāng)混入比例為3%時(shí)，大顆粒助劑對(duì)顆粒流動(dòng)的影響仍不明顯；比例達(dá)到10%時(shí)顆粒流動(dòng)隨著徑向氣速的增大而導(dǎo)致的漏斗流得到有效控制，與改善空腔問題時(shí)一樣，此時(shí)為最佳混入比例。

當(dāng)混入比例為20%時(shí)，裝置運(yùn)行開始變得不穩(wěn)定，按照理論分析，混入比例越大，顆粒群所受曳力越小，顆粒流動(dòng)應(yīng)該越穩(wěn)定。但是在實(shí)際操作過程中，裝置運(yùn)行存在一個(gè)拐點(diǎn)，混入比例為20%時(shí)，由于下料口直徑較小，并且含有較大比例的大粒徑顆粒，在向下輸送催化劑時(shí)，管內(nèi)催化劑正常流動(dòng)被破壞，出現(xiàn)了催化劑梗塞、氣節(jié)等現(xiàn)象，梗塞處雖有催化劑慢速塌落或有少量催化劑流動(dòng)，但催化劑的流率小于正常時(shí)的流率，梗塞處上部的催化劑堆積密度不斷增大而下部無料，此時(shí)不能自行疏通，產(chǎn)生輕微架橋現(xiàn)象從而導(dǎo)致裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，影響顆粒流動(dòng)的均勻性。

武錦濤等［19］認(rèn)為顆粒的粒徑分布對(duì)顆粒垂直速度分布有很大影響，不同粒徑的混合有利于顆粒的流動(dòng)。比較圖8中在不同比例大顆粒的床層中未通入徑向風(fēng)（ug=0 m·s-1）時(shí)平均速度如圖11所示。由圖可知，混入大顆粒使得顆粒流速增大，然而當(dāng)混入比例過大時(shí)，產(chǎn)生的架橋現(xiàn)象使得顆粒流速下降、顆粒流動(dòng)不均勻，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖11　顆粒流速與大顆粒助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.11　Relationship of average velocity w ith mass fraction of large particle

2.3顆粒運(yùn)動(dòng)模型

本文采用Nedderman等［23］提出的“運(yùn)動(dòng)模型”來描述顆粒的流動(dòng)。假定顆粒的運(yùn)動(dòng)完全是由重力引起的，顆粒流動(dòng)產(chǎn)生的空隙馬上會(huì)被臨近的顆粒所補(bǔ)充。如圖12所示，考察3個(gè)相鄰的顆粒，其中顆粒2和顆粒3在一層，且在顆粒1的下一層。顆粒2和顆粒3具有不同的速度分布，很明顯當(dāng)顆粒2的速度更快時(shí)，顆粒1有向顆粒2運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。由此可以假定顆粒水平運(yùn)動(dòng)的速度ur是垂直運(yùn)動(dòng)速度vy梯度的函數(shù)，即

圖12　顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)模型Fig.12　Stochastic model of particle flow

并且ur與之間僅存在線性關(guān)系，引入一個(gè)動(dòng)力學(xué)參量B，則

由于顆粒流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，連續(xù)性方程為

將式（7）代入式（8）中可得

式（9）中B由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。Nedderman等［23］指出B只與顆粒的大小有關(guān)，一般為顆粒直徑dp的2～3倍。

由式（7）與式（9）可以推知，隨著平均粒徑的增大，垂直運(yùn)動(dòng)速度梯度與水平運(yùn)動(dòng)速度梯度變化趨勢(shì)如表2所示。

表2　速度隨粒徑變化趨勢(shì)Table 2　Variety of velocity w ith particle size

由表2可得，隨著粒徑的增大，顆粒垂直速度增大，并且顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度梯度減小，即運(yùn)動(dòng)的速度增大以及流動(dòng)不均勻性減緩，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3　結(jié)　論

通過在錯(cuò)流移動(dòng)床中混入大顆粒助劑顯著改善了移動(dòng)床操作中存在的空腔和顆粒流動(dòng)不均勻的問題。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及理論分析得出結(jié)論如下。

（1）混入大顆粒助劑可顯著提高移動(dòng)床的操作彈性，空腔的臨界氣速隨著混合比例的增大而提高，但是混合比例過大時(shí)會(huì)造成氣阻臨界氣速的大幅度降低。

（2）徑向錯(cuò)流氣體會(huì)對(duì)移動(dòng)床的顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使得顆粒流動(dòng)由平推流向漏斗流轉(zhuǎn)變，混入大顆粒助劑會(huì)使得顆粒群受到的曳力減小，從而“減緩”這種轉(zhuǎn)變，但并不能完全消除漏斗流。

（3）在本文實(shí)驗(yàn)條件下，從最大限度提高空腔臨界氣速和保持顆粒均勻流動(dòng)的綜合分析，混入大顆粒的比例在5%～10%最為理想。

符號(hào)說明

A ——迎風(fēng)面積（流動(dòng)方向顆粒的投影面積），m2

CD——曳力系數(shù)

dp——顆粒直徑，mm

F ——合力，N

FD——曳力，N

G ——重力，N

Gs——顆粒循環(huán)強(qiáng)度，kg·m-2·s-1

Q ——徑向氣體流量，m3·h-1

RNI——徑向不均勻指數(shù)

r——橫坐標(biāo)，mm

ug——徑向氣體流速，m·s-1

ur——顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1

ut——流體與顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1

Vp——局部顆粒速度，m·s-1

vy——顆粒垂直運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1

y——縱坐標(biāo)，mm

ρ——流體密度，kg·m-3

ρb——顆粒堆積密度，kg·m-3

σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差

φ ——直徑，mm

References

［1］ EL-HEDOK I A， WHITMER L， BROWN R C. The influence of granular flow rate on the performance of a moving bed granular filter［J］. Powder Technology， 2011， 214（1）: 69-76.

［2］ 張世方. 催化重整工藝技術(shù)發(fā)展［J］. 中外能源， 2012， 17（6）: 60-65.

ZHANG S F. Catalytic reform ing process technology development［J］. Sino-global Energy， 2012， 17（6）: 60-65.

［3］ PAENPONG C， PATTIYA A. Filtration of fast pyrolysis char fines w ith a cross-flow moving-bed granular filter［J］. Powder Technology，2013， 245（8）: 233-240.

［4］ TALLMAN M J， ENG C. Naphtha cracking for light olefins production［J］. Petroleum Technology Quarterly， 2010， 15（4）: 87-91.

［5］ ZHAO J， HUANG J， WU J， et al. Modeling and optim ization of the moving granular bed for combined hot gas desulfurization and dust removal［J］. Powder Technology， 2008， 180（1）: 2-8.

［6］ BRIDGEWATER J. New territory: the chem ical processing of solids: inaugural lecture of University of Birm ingham［R］. London: Macm illan， 1981

［7］ III F J D， JACKSON R， GINESTRA J C. The phenomenon of pinning in an annular moving bed reactor w ith crossflow of gas［J］. Chem ical Engineering Science， 1986， 41（6）: 1485-1495.

［8］ TAKAHASHI H， OHNO O， TAKEUCHI T. Analysis of gas flow in a solid-gas cross flow moving bed by the finite element method.［J］. Kagaku Kōgaku Ronbunshū， 1990， 16（1）: 116-122.

［9］ 王保平， 龐桂賜， 金涌. 徑向移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)貼壁現(xiàn)象的研究［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工）， 1993， 9（3）: 78-87.

WANG B P， PANG G C， JIN Y. Study of pinning in a radial moving bed reactor［J］. Acta Petrol. Sin. （Petrol. Process Section），1993，9（3）:78-87.

［10］ PILCHER K A， BRIDGWATER J. Pinning in a rectangular moving bed reactor w ith gas cross-flow［J］. Chem ical Engineering Science，1990， 45（8）: 2535-2542.

［11］ 宋續(xù)祺， 金涌， 俞芷青， 等. 移動(dòng)床徑向反應(yīng)器中氣體離心流動(dòng)對(duì)顆粒移動(dòng)狀況的影響［J］. 化工學(xué)報(bào)， 1993， 44（4）: 433-441.

SONG X Q， JIN Y， YU Z Q， et al. The formation of cavity in moving bed radial flow reactor［J］. Journal of Chem ical Industry and Engineering（China）， 1993， 44（4）: 433-441.

［12］ RAJNEESH S， GUPTA G S. Importance of frictional forces on the formation of cavity in a packed bed under cross flow of gas［J］. Powder Technology， 2003， 134（134）: 72-85.

［13］ 陳允華， 朱學(xué)棟， 吳勇強(qiáng)， 等. 整流子對(duì)錯(cuò)流移動(dòng)床顆粒行為的影響［J］. 過程工程學(xué)報(bào)， 2007， 7（4）: 639-645.

CHEN Y H， ZHU X D， WU Y Q， et al. Effects of internals on the particle behavior in a rectangular moving bed with gas cross-flow［J］. The Chinese Journal of Process Engineering， 2007， 7（4）: 639-645.

［14］ 曹晏， 張建民， 王洋， 等. 內(nèi)構(gòu)件對(duì)矩形移動(dòng)床床內(nèi)顆粒流動(dòng)影響的試驗(yàn)研究［J］. 化學(xué)工業(yè)與工程， 1999， 16（2）: 3-7.

CAO Y， ZHANG J M， WANG Y， et al. The experimental study on the effects of internals on particle flow in rectangular moving bed［J］. Chemical Industry and Engineering， 1999， 16（2）: 3-7.

［15］ 陳允華， 朱學(xué)棟， 吳勇強(qiáng)， 等. 移動(dòng)床空腔現(xiàn)象及空腔尺寸［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2006， 57（4）: 731-737.

CHEN Y H， ZHU X D， WU Y Q， et al. Phenomenon of cavity and its size in rectangular moving bed［J］. Journal of Chemical Industry and Engineering（China）， 2006， 57（4）: 731-737.

［16］ 許鵬凱， 段學(xué)志， 錢剛， 等. 混入粗顆粒對(duì)移動(dòng)床中空腔的抑制效應(yīng)［J］. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝， 2015， 31（4）: 289-296.

XU P K， DUAN X Z， QIAN G， et al. Inhibiting cavity formation by mixing coarse particles into a moving bed［J］. Chemical Reaction Engineering and Technology， 2015， 31（4）: 289-296.

［17］ 曹晏， 張建民， 王洋， 等. 漸縮下料段對(duì)其上柱形移動(dòng)床內(nèi)床層顆粒流動(dòng)的影響［J］. 化學(xué)工業(yè)與工程， 1997， 14 （4）: 5-10.

CAO Y， ZHANG J M， WANG Y， et al. The effects of hoppers on particle flow in rectangular moving bed［J］. Chemical Industry and Engineering， 1997. 14 （4）: 5-10.

［18］ 龍文宇. 氣固錯(cuò)流移動(dòng)床流動(dòng)特性［D］. 北京:中國石油大學(xué)（北京），2014.

LONG W Y. Hydrodynamic characteristics of cross-flow moving beds［D］. Beijing：China University of Petroleum， 2014.

［19］ 武錦濤， 陳紀(jì)忠， 陽永榮. 移動(dòng)床中顆粒運(yùn)動(dòng)的微觀分析［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2006， 40（5）: 864-868.

WU J T， CHEN J Z， YANG Y Y. M icroscopic analysis of particle flow in moving bed［J］. Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2006， 40（5）: 864-868.

［20］ 龍文宇， 徐軍， 范怡平， 等. 梯形移動(dòng)床徑向反應(yīng)器內(nèi)顆粒的貼壁現(xiàn)象分析［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2014， 65（4）: 1179-1185.

LONG W Y， XU J， FAN Y P， et al. Phenomenon of pinning in trapezoidal moving beds w ith cross-flow［J］. CIESC Journal， 2014，65（4）: 1179-1185.

［21］ WU C L， AYENI O， BERROUK A S， et al. Parallel algorithms for CFD-DEM modeling of dense particulate flows［J］. Chemical Engineering Science， 2014， 118（18）: 221-244.

［22］ ZHU J X， MANYELE S V. Radial nonuniformity index （RNI） in fluidized beds and other multiphase flow systems［J］. Canadian Journal of Chemical Engineering， 2001， 79（2）: 203-213.

［23］ NEDDERMAN R M， TüZüN U. A kinematic model for the flow of granular materials［J］. Powder Technology， 1979， 22（2）: 243-253.

Effect of introducing large additive particles on flow characteristics in radial flow moving bed

WEI Sichen， JIA Haibing， FAN Yiping， LU Chunxi
（State Key Laboratory of Heavy Oil， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）

It does exist that some of abnormal phenomena， such as cavities and particle flow variations from plug flow， are inevitable in cross-flow moving bed operations. In terms of the issues related to the abnormal operation phenomena， the experiment was conducted through a large cold model experimental facility consisting of a φ600 mm×1300 mm semi-conical and sem i-cylindrical radial flow moving bed. It showed that， the critical velocity of form ing cavity can be effectively increased through introducing coarse additive particles， hence the low elasticity of operation can be improved in cross-flow moving bed to some extent. Both theoretical analysis and experimental results showed that， the inhomogeneity of particle flow can be effectively improved by introducing coarse additive particles.

moving bed；cavity；granular materials；flow

date: 2016-03-28.

FAN Yiping，fanyipin2002@yahoo.com

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 021.1

A

0438—1157（2016）08—3313—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160358

2016-03-28收到初稿，2016-05-12收到修改稿。

聯(lián)系人：范怡平。第一作者：衛(wèi)思辰（1992—），女，碩士研究生。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215000）。