薛笑莉，張?jiān)气P

(太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系，山西 太原 030008 )

當(dāng)大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，從而使顆粒具有流體的某些表觀特征，這種流固接觸狀態(tài)稱為流體化，即流化床[1]。由于流化床的傳熱、傳質(zhì)速率要明顯好于單相氣流或固定微粒物料填充層中的傳熱速率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、活動(dòng)部件少、操作維修方便[1-3]而廣泛應(yīng)用于干燥、制粒、藥物包衣、金屬熱處理等領(lǐng)域[1,4]。其中最為廣泛地應(yīng)用技術(shù)為干燥技術(shù)[1]。

我校化工實(shí)驗(yàn)室開展的流化床性能實(shí)驗(yàn)，主要目的是讓學(xué)生觀察固體顆粒在流化床中的各種狀態(tài)，熟悉流化床的操作方法并測(cè)定流化床的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，繪制流化床特性曲線。鑒于此，為解決教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，本文根據(jù)目前教學(xué)的實(shí)際要求，利用報(bào)廢的膜分離裝置,設(shè)計(jì)了一臺(tái)價(jià)格低廉、實(shí)用、可操作性強(qiáng)的流化床裝置，很好的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 固體流態(tài)化實(shí)驗(yàn)裝置的研制

1.1 流化床主體尺寸的確定

1.1.1 流化床的基本構(gòu)件

流化床的結(jié)構(gòu)形式有很多種，常用的形式主要由殼體、氣體分布板、內(nèi)部構(gòu)件(如氣孔擋板等)、氣固分離裝置和固體顆粒的加入和卸出裝置的組成[5-6]。結(jié)合教學(xué)需求和實(shí)驗(yàn)的目的性，本次設(shè)計(jì)的流化床的主體構(gòu)件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室舊裝置的基本構(gòu)件，主要包括離心泵、橡皮管、閥門等。

本實(shí)驗(yàn)裝置主要用水來(lái)作為流化介質(zhì)，當(dāng)水從流化床的底部進(jìn)口管進(jìn)入到達(dá)擋板以后就會(huì)與固體顆粒相接觸，若水的流速繼續(xù)增大，固體顆粒將會(huì)逐漸松動(dòng)，最終呈現(xiàn)流化狀態(tài)[5]。

1.1.2 顆粒參數(shù)的測(cè)定

為了便于計(jì)算和觀察，選取3 mm玻璃珠、4 mm塑料珠計(jì)算密度、床層空隙率、重量等參數(shù)。

1.1.2.1 顆粒的特性

球形粒子通常用直徑表示其大小[5]。球形顆粒的體積、表面積、比表面積均可以用直徑d全面表示。諸如：

(1)

S=πd2

(2)

(3)

1.1.2.2 床層空隙率ε

流化床中固體顆粒間的空隙率可用相關(guān)公式表示，其定義如下[5]：

(4)

影響空隙率ε值的因素很復(fù)雜，主要是顆粒的粒徑、粒度分布等[7]。實(shí)驗(yàn)證明,單分散性球形顆粒最緊排列時(shí)的空隙率為0.26，亂堆的非球形顆粒粗床層空隙率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球形顆粒的[7]。

使用量筒、天平以及兩種材料的固體顆粒進(jìn)行測(cè)量，其計(jì)算過(guò)程如下：

①4 mm塑料珠

量筒和水：m1=88.551 g V1=45 mL

量筒、水和塑料珠：m2=127.314 g V2=75 mL V堆=37 mL

因此塑料珠的質(zhì)量：M=m2-m1=127.314 g-88.551 g=38.763 g 則可得：

根據(jù)式(5)和式(6)的計(jì)算結(jié)果，由式(4)可以計(jì)算其空隙率 ：

②3mm玻璃珠

同塑料珠的計(jì)算方法相同,可以計(jì)算得到玻璃珠的空隙率 如下：

表1 不同材料的固體顆粒參數(shù)

在后期的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，玻璃珠所作出的流態(tài)化現(xiàn)象不是很理想，而塑料珠作為填料其流態(tài)化現(xiàn)象比較理想，因此，最終選用4 mm的塑料珠作為固體顆粒。

1.1.3 流化床直徑的確定

在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)流化床的直徑依據(jù)的條件有很多，如有些工廠根據(jù)其催化劑的用量、需要流化的速度等來(lái)確定。

該實(shí)驗(yàn)用流化床直徑的確定主要依據(jù)為泵的功率和流量、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程(40L/H～400L/H)。由式(7)可得到轉(zhuǎn)子流量計(jì)的最小流量和最大流量分別為1.11×10-5m3/s和1.11×10-4m3/s。

為了更好地觀察流態(tài)化現(xiàn)象和滿足實(shí)驗(yàn)要求，我們使用臨界流化速度u進(jìn)行計(jì)算，流化床就開始出現(xiàn)流態(tài)化現(xiàn)象。

(1)當(dāng)流化床以臨界流化速度來(lái)計(jì)算為[8]：

由式(8)可計(jì)算得到臨界流化床的直徑D，其計(jì)算過(guò)程如下：

(2)當(dāng)用流化床的帶出速度計(jì)算時(shí)，其公式為[8]：

由式(9)可計(jì)算得到帶出速度時(shí)的流化床直徑D，其計(jì)算過(guò)程如下：

通過(guò)臨界流化速度和帶出速度計(jì)算所得結(jié)果幾乎相同，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，為使廠家便于生產(chǎn)儀器，因此流化床的直徑選取整數(shù)，即為D=50 mm。

1.1.4 流化床總高度

該實(shí)驗(yàn)用流化床的高度共分為兩個(gè)[8-9]，一個(gè)是填料層高度H0，一個(gè)為填料層上部的空間的高度h。在工業(yè)生產(chǎn)中，其填料層高度根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求來(lái)計(jì)算，在本流化床設(shè)計(jì)中，在符合舊裝置的安裝要求基礎(chǔ)上，為了便于更好地觀察固體流態(tài)化現(xiàn)象，設(shè)計(jì)其固定床高度為10 cm，其次來(lái)確定填料層上部空間的高度，為了避免水的流速過(guò)大時(shí)，流化床內(nèi)的固體顆粒被沖出，在流化床的上部加一個(gè)擋板。由Soroko等三位科學(xué)家所測(cè)量的有擋板時(shí)的流化床高度計(jì)算公式為[9]：

h=0.73×103HoRe1.45Ar-1.1

(10)

本實(shí)驗(yàn)中所用的是以水為流動(dòng)介質(zhì)，查得水的相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 水的物性參數(shù)

以20℃水的物性參數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算步驟如下：

將式(11)和式(12)帶入(10)中，可得到床層高度：

h=0.73×103HoRe1.45Ar-1.1=0.302m≈0.3m=30cm

綜上所述，其流化床的總高度應(yīng)為填料層高度和填料層上部空間的高度之和，即Ho+h=10 cm+30 cm=40 cm。通過(guò)計(jì)算得出的總高度符合舊裝置的安裝高度。

1.2 流化床壓降核算和測(cè)壓裝置的選取

流化床壓降核算的計(jì)算公式如下：

Δp=Lmf(1-ε)·(ρs-ρ)g=0.1×(1-0.412)×(1.12×103-998.2)×9.8=701.86Pα

(13)

根據(jù)壓力的計(jì)算公式：p=ρgh

(14)

(15)

即所需的倒U型壓差計(jì)的量程最少的水柱高度差為72 cm。實(shí)驗(yàn)室已有的廢棄流體阻力裝置中有一個(gè)最大水柱高度差為80 cm的倒U型壓差計(jì)，可以滿足裝置設(shè)計(jì)要求，因此流化床的測(cè)壓裝置是選取的實(shí)驗(yàn)室舊倒U型壓差計(jì)。

1.3 測(cè)量與推壓裝置的選取

1.3.1 流量計(jì)的選取

因?yàn)檗D(zhuǎn)子流量計(jì)讀取流量方便，測(cè)量范圍寬，被廣泛應(yīng)用，因此選用轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)流化床流量進(jìn)行測(cè)量。

在流量計(jì)的安裝上，法蘭和接頭的選取最為關(guān)鍵，經(jīng)多次制作和試驗(yàn)，最終制作出外徑為90 cm，并且有4個(gè)均勻分布，安裝直徑為1 cm，水流內(nèi)徑為1 cm的法蘭，使用墊片與流量計(jì)承接，以防止漏水，完成轉(zhuǎn)子流量計(jì)的安裝。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的進(jìn)口和出口的管徑均選用相同的管徑，并且和流化床入口管徑的尺寸相同，因此，其讀數(shù)即為流化床真實(shí)流量。

1.3.2 離心泵的選取

離心泵一般用于將低位處的液體送往高位處，本實(shí)驗(yàn)裝置利用離心泵將水從低位處送往高位處的流化床中，并且獲得一定的動(dòng)能。通過(guò)閥門開關(guān)來(lái)控制其動(dòng)能的大小，使流化床能夠有不同的流化階段。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在已報(bào)廢的膜分離裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，原裝置上的離心泵因其流量范圍大于所需流量，故可以充分利用。

1.4 框架布局

根據(jù)報(bào)廢的膜分離裝置的整體框架進(jìn)行合理的安裝和布局得到改裝后的流化床框架。流化床的布局主要是從原裝置的構(gòu)架，轉(zhuǎn)子流量計(jì)和倒U型壓差計(jì)這三個(gè)部件的結(jié)構(gòu)來(lái)分布，原裝置中部上下各有一個(gè)固定裝置，因此將轉(zhuǎn)子流量計(jì)、流化床固定在其中，且為了便于觀察將流化床固定在中間，最終的布局以及舊裝置如圖1和2所示。

圖1 改裝后的流化床裝置

圖2 改裝前的膜分離裝置

最后，將所有的框架布局以及所有裝置的規(guī)格列表如表3。

表3 各裝置材料屬性

圖3 流化床裝置簡(jiǎn)圖

2 固體流態(tài)化試驗(yàn)

首先檢查流化床的各部分是否安裝正確，橡皮管連接的各部分是否漏水。轉(zhuǎn)子流量計(jì)、流化床、倒U型壓差計(jì)的安裝順序是否正確，檢查完成后，給離心泵灌水，打開電源開關(guān)，進(jìn)行流化床的性能實(shí)驗(yàn)。即測(cè)量流化床的流量、床層高度、倒U型壓差計(jì)的讀數(shù)。為了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置性能，共進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)， 根據(jù)計(jì)算結(jié)果作床層壓降和流速關(guān)系曲線如圖5～7所示。

圖4 理想流化床的△p-u關(guān)系[5]

圖5 床層壓降和流速關(guān)系圖(一)

由圖4可以看出，理論流化床壓力降曲線變化趨勢(shì)分為兩部分[1]。當(dāng)壓力降增大而床料顆粒尚未被流體化，壓力降與液體流速呈線性關(guān)系。當(dāng)床層顆粒被流體化之后( 曲線的水平部分) ，壓力降恒定不變[1]。而實(shí)驗(yàn)曲線圖5上與理論曲線[5]有相似之處,同樣可以劃分為兩部分，分為未流體化部分和流體化部分。在流速達(dá)到0.0077 m/s時(shí)，達(dá)到了流化狀態(tài)，并且在圖像中出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，隨后床層的壓降也逐漸水平；在逐漸調(diào)小閥門，即減小流速時(shí)，壓降先保持不變，隨后降低，但壓降的減小明顯較流速增大時(shí)更急，這是由于床層松動(dòng)造成的，符合流化床的特性。第二組和第三組數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果和第一組相近，床層壓降和流速關(guān)系曲線分別如圖6、7所示。

圖6 床層壓降和流速關(guān)系圖(二)

圖7 床層壓降和流速關(guān)系圖(三)

由圖6和圖7可以看出，在流速分別達(dá)到0.0078 m/s和0.0079 m/s時(shí)，達(dá)到了流化狀態(tài)，并且在圖像中也出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，符合流化床的特性。

3 結(jié)論

由報(bào)廢膜分離裝置改裝后的流化床裝置參數(shù)為：流化床D=50 mm、高度H=400 mm；流量計(jì)量程40～400 L/H；微珠直徑D=4 mm；倒U型管量程120 mm水柱；離心泵Q=1.2～4.8 m3/h、H=9.5～6.5 m、W=0.25 kW。固體流態(tài)化試驗(yàn)證實(shí)該裝置完全可用于測(cè)定流化床性能的實(shí)驗(yàn)。