周 勇，郭 婷，何 川

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

聲場流化床是指在傳統(tǒng)流化床的基礎(chǔ)上引入聲波能量以強(qiáng)化顆粒運動的一種特殊流態(tài)化裝置。已有的研究結(jié)果表明：聲波能削弱顆粒間作用力，消除節(jié)涌、抑制溝流、減小聚團(tuán)尺寸[1–3]，改善超細(xì)顆粒的流化質(zhì)量；能促進(jìn)氣流均勻分布，降低臨界流化速度[4–6]；可以破碎氣泡，促進(jìn)顆粒分散，提高氣固接觸效率[7–9]。

氣泡行為對流化床中的氣固混合、反應(yīng)轉(zhuǎn)化、相際傳熱與傳質(zhì)等各種床層傳遞特性起著決定性作用，氣泡的動力學(xué)特性是氣固鼓泡流化床反應(yīng)器模擬計算及設(shè)計放大的重要參數(shù)。因此，對氣泡特性進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。目前，已有眾多關(guān)于自由鼓泡流化床中氣泡動力學(xué)特性的研究，對氣泡的形成、氣泡的生成頻率等已經(jīng)有了較為統(tǒng)一的認(rèn)識[10]。而對于聲場流化床中氣泡動力學(xué)特性的報道卻十分少見，僅有Levy[11]、Herrera[12]等考察了聲場流化床中的最小鼓泡速度與氣泡產(chǎn)生頻率隨聲波參數(shù)的變化關(guān)系。鑒于對普通流化床引入聲場后，床內(nèi)的氣固流動狀況將發(fā)生變化，尤其是床內(nèi)的氣泡運動狀態(tài)與傳統(tǒng)的鼓泡流化床相比有明顯差異。因此，有必要對聲場流化床中的氣泡特性及其變化規(guī)律展開系統(tǒng)的研究。

光纖探針法是研究3維流化床中氣泡行為最常用的方法之一，與其他的氣泡測試方法[13–15]相比，具有信號響應(yīng)速度快、檢測精度高和抗干擾性強(qiáng)等眾多優(yōu)點[16]。傳統(tǒng)的光纖探針一般采用多模光纖和單只光纖為纖芯，而此類纖芯存在氣泡穿刺率低和氣泡參數(shù)測量有限的缺點，在一定程度上限制了光纖探針在氣固兩相流領(lǐng)域中的應(yīng)用。為此，作者采用自主開發(fā)的雙光纖探針氣固兩相流氣泡測試系統(tǒng)，在內(nèi)徑為120 mm的半圓柱形流化床中，對不同氣速條件下的局部氣含率、氣泡尺寸、頻率和上升速度等動力學(xué)行為進(jìn)行測定；并在此基礎(chǔ)上引入聲場，研究了聲波對氣泡動力學(xué)行為的影響，驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

如圖1所示，實驗裝置主要由流化床、聲波發(fā)生系統(tǒng)、光纖兩相流氣泡測試系統(tǒng)構(gòu)成。流化床床體為半圓柱形，由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑120 mm，高1 000 mm；流化氣體分布板為平板，開孔率3.7%，孔徑1 mm，分布板下方鋪兩層尼龍濾布以防止漏料。來自空氣壓縮機(jī)的氣體經(jīng)干燥過濾，轉(zhuǎn)子流量計計量后，通過氣體分布板進(jìn)入床內(nèi)，最后經(jīng)布袋除塵器排空。聲波發(fā)生系統(tǒng)包括數(shù)字信號發(fā)生器、功率放大器和揚聲器。由數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號，經(jīng)功率放大器放大后，輸入揚聲器產(chǎn)生聲波，從流化床頂部引入床內(nèi)。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Experimental setup

氣泡參數(shù)采用自主開發(fā)的雙光纖探針氣固兩相流氣泡測試系統(tǒng)測定。該系統(tǒng)主要由光源、Y型光纖耦合器、光電探測器、偏置放大電路、多功能同步數(shù)據(jù)采集器、PC端、測試軟件及探針構(gòu)成，其測試原理如圖2所示。光源為C波段的ASE非平坦寬帶光源，由光源發(fā)射的單束激光首先經(jīng)第1Y型光纖耦合器按1∶1比例分成兩路單束光，再分別經(jīng)第2Y型和第3Y型光纖耦合器傳入光纖探針（第2、3Y型光纖耦合器與光纖探針通過FC/APC接口相連）；兩路激光在探針尖端發(fā)生反射，探針處于氣相和被測介質(zhì)時反射光強(qiáng)不同，并由此識別氣泡與顆粒。反射激光沿原光路返回，分別通過第2、3Y型光纖耦合器后，再經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于轉(zhuǎn)換成的電壓信號很弱，所以須經(jīng)偏置放大電路輸出為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，最后經(jīng)A/D采集器輸出到計算機(jī)進(jìn)行采樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 雙光纖探針氣固兩相流氣泡測試原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the dual fiber optic probe for bubble measuring in gas–solid two-phase flows

實驗采用的ASE非平坦寬帶光源工作波長范圍為1 527～1 565 nm，輸出光功率穩(wěn)定可達(dá)11 dBm，能很好地滿足實驗要求。傳統(tǒng)的光纖探針法多使用多模光纖[17]，此類光纖纖芯較大（一般為62.5/125 μm），且存在損耗大及模間色散問題。系統(tǒng)采用波長為1 550 nm的單模光纖，其纖芯為9/125 μm，不但減小了其尺寸，提高了對小氣泡的刺破率，還降低了損耗。

雙光纖探針是該測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由兩根平行的光纖組成，由于探針較細(xì)易折斷，為增加其機(jī)械強(qiáng)度，在制作過程中采用毛細(xì)鋼管層層嵌套的辦法對其進(jìn)行固定，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。每根光纖各自發(fā)送激光，并接收來自光纖尖端折射和反射回的光。通過雙光纖探針的信號分析可得到氣泡上升速度、氣泡大小等參數(shù)，從而克服了單光纖探針只能探測氣泡分率這一參數(shù)的缺點。綜合考慮所得信號的相關(guān)性及對采樣速度的要求，確定探針間距為1 mm較為合適。

圖3 雙光纖探針結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of the dual fiber optic probe

實驗中光纖探針固定在床層底部距離分布板50 mm處。根據(jù)Shannon采樣定理[18]，確定采樣頻率為5 kHz，采樣時長為10 s。

1.2 實驗物料

實驗采用平均粒徑為55 μm的玻璃珠作為流化物料，屬于Geldart A類顆粒，其主要物性參數(shù)如表1所示。實驗前，先將顆粒置于烘箱中，在100 ℃下烘焙5 h后，放入干燥皿中冷卻至室溫備用。

表1 物料性質(zhì)Tab. 1 Properties of glass beads

2 信號處理與數(shù)學(xué)分析

2.1 輸出信號處理

光纖探針測得的原始電壓信號如圖4所示。當(dāng)探針處于固相中時，電壓信號輸出為低電位；但當(dāng)探針處于氣相中時，電壓信號輸出為高電位。實驗測得的理想電壓信號應(yīng)為方波，但由于探針在刺穿和離開氣泡時都有一定的時間延遲，同時測量系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán)境都存在一定的干擾，從而使得實際測得的電壓信號偏離理想方波。為獲得理想方波便于實驗數(shù)據(jù)處理，實驗采用閾值處理方法，即：當(dāng)電壓信號大于給定閾值時，探針處于氣相；小于該值時，探針處于固相。

閾值處理通過MATLAB編程來實現(xiàn)，考慮到測試系統(tǒng)自身因素及探針結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，需對所測原始電壓信號選擇合適的閾值，大于閾值時原始電壓值取為1，小于閾值時取為0。圖5為實驗過程中實際測得的電壓信號波形圖和經(jīng)閾值處理后的理想方波圖。

圖4 光纖探針原始電壓信號Fig. 4 Original voltage signal of the fiber optic probe

圖5 原始電壓信號與閾值處理后信號Fig. 5 Original voltage signal and processed signal

2.2 數(shù)學(xué)算法分析

2.2.1 局部氣含率（氣泡分率）

局部氣含率又稱為氣泡分率，表示床內(nèi)氣泡相所占的體積分率，即探針處于氣泡相中的總時間與采樣時間的比值：

2.2.2 氣泡頻率

氣泡的頻率為單位時間內(nèi)通過探針的氣泡個數(shù)，即采樣時間內(nèi)方波的個數(shù)與采樣時間的比值：

2.2.3 氣泡上升速度

圖6為雙光纖探針信號時間序列理想方波示意圖，對探針測得的兩列信號序列通過信號相關(guān)性分析[19]，可以得到氣泡在雙探針信號序列上的具體響應(yīng)時間點。其中，Δτi（即τ2–τ1）為同一氣泡在雙探針信號序列上的響應(yīng)時間間隔，兩探針的間距d為定值，因此，單個氣泡的上升速度可由式（3）求得：

圖6 雙光纖探針信號時間序列理想方波示意圖Fig. 6 Ideal square wave schematic diagram of the dualfiber optic probe

氣泡的平均上升速度為：

2.2.4 氣泡尺寸

氣泡上升過程中或由于操作條件的影響，其形狀會不斷變化，因此無法準(zhǔn)確測量氣泡的尺寸，只能測得氣泡通過探針的弦長。單個氣泡弦長可由式（5）計算：

氣泡平均弦長為：

在對探針信號時間序列進(jìn)行相關(guān)性分析時，只有氣泡正常通過兩個探針時，才是有效的氣泡，對其他情況下通過探針的氣泡視為無效氣泡，須予以排除，否則會對實驗計算結(jié)果帶來較大的誤差。在床層內(nèi)，氣泡的運動方向是隨機(jī)的，氣泡在被雙探針刺穿時會發(fā)生以下4種情況：1）氣泡只通過上游探針后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不通過下游探針；2）氣泡通過上游探針后未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但另一氣泡未通過上游探針而先通過下游探針；3）氣泡均通過兩個探針，但氣泡通過某一探針后發(fā)生偏轉(zhuǎn)；4）氣泡正常通過兩個探針。因此，在對信號時間序列作相關(guān)性分析時，需將1）、2）和3）這3種情形下的無關(guān)氣泡排除，其約束條件為：

3 結(jié)果與分析

3.1 無聲場時氣泡的動力學(xué)行為

圖7（a）、（b）、（c）、（d）分別為流化氣速對氣泡分率、頻率、平均上升速度及氣泡平均弦長的影響。

圖7 流化氣速對氣泡動力學(xué)行為的影響Fig. 7 Effect of fluidizing gas velocity on bubble dynamics behavior

由圖7可知，隨著流化氣速的增加，氣泡分率、頻率及氣泡的平均上升速度和弦長均增加。這是由于顆粒的臨界流化速度umf為一定值，流化氣速uf的增加將導(dǎo)致uf–umf變大，意味著更多氣體是以氣泡的形式穿過床層，故床層中氣泡的數(shù)量和尺寸增加，床層氣泡分率隨之增大。在靠近分布板區(qū)域，因流化氣速的增大而形成密集的氣泡群，加劇了氣泡的聚并程度[20]，導(dǎo)致氣泡平均弦長增大，平均上升速度增加。

3.2 聲壓對氣泡動力學(xué)行為的影響

在聲波頻率f=80 Hz時，不同流化氣速條件下，聲壓對氣泡分率、頻率、平均上升速度及平均弦長的影響如圖8～11所示。

由圖8～11可知：在較低流化氣速下，隨著聲壓級的增大，氣泡分率、頻率、平均上升速度和平均弦長均減小；而在較高流化氣速下，氣泡分率、氣泡頻率隨聲壓級的增加而增大，平均上升速度和平均弦長隨聲壓級的增加而減小。這是由于在較低流化氣速下，床層處于臨界流化狀態(tài)附近，乳相運動緩慢，聲波的引入引起顆粒振動，在一定程度上壓實了床層，使氣泡分率下降；另一方面，床層被壓實又使得氣體流動阻力增大，分布板上方氣流分布更加均勻，導(dǎo)致氣泡尺寸減小，氣泡頻率和平均上升速度降低。在高氣速下，床層處于鼓泡流化狀態(tài)，乳相運動較劇烈，聲波的引入，進(jìn)一步促進(jìn)乳相運動，使其剪切破碎氣泡的能力增加，故頻率較低的大氣泡被剪切成頻率較高的小氣泡，從而使得氣泡頻率增加，平均上升速度減小，氣泡分率增大，有利于提高氣固接觸效率，改善顆粒流化質(zhì)量；且聲壓級越大，所產(chǎn)生的聲能越大，顆粒獲得的振動加速度越高，乳相的擾動越劇烈，對氣泡的剪切破碎作用越強(qiáng)，改善效果越顯著。

圖8 聲壓對局部氣含率的影響Fig. 8 Effect of sound pressure level on local gas holdup

圖9 聲壓對氣泡頻率的影響Fig. 9 Effect of sound pressure level on bubble frequency

圖10 聲壓對氣泡平均上升速度的影響Fig. 10 Effect of sound pressure level on mean bubble rise velocity

圖11 聲壓對氣泡平均弦長影響Fig. 11 Effect of sound pressure level on mean bubble chord length

圖11還表明，較低氣速下，聲波減小氣泡尺寸的效果更為明顯。

3.3 聲波頻率對氣泡動力學(xué)行為的影響

在聲壓級SPL=120 dB時，不同流化氣速條件下聲波頻率對氣泡分率、氣泡頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長的影響分別如圖12、13、14、15所示。由圖12～15可知，隨聲波頻率的增加，低流化氣速下氣泡分率、氣泡頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長呈先減小后增大的趨勢，在80 Hz左右時達(dá)到最小值。原因在于，一方面，聲振動能量隨聲波頻率的增大而增大，故聲波對床層的壓實作用同樣隨聲波頻率的增加而增強(qiáng)；另一方面，聲波能量隨頻率增加而衰減，當(dāng)頻率較高時，聲波能量衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致聲能對氣固兩相的作用效果減弱，故頻率較高時聲波對床層的壓實作用反而會下降，所以聲波頻率對氣泡特性的影響存在一個最佳范圍。在高流化氣速下，隨聲波頻率的增加，氣泡分率和氣泡頻率先增大后減小，在80 Hz左右時達(dá)到最大值；氣泡平均上升速度和平均弦長先減小后增大，在80 Hz左右時達(dá)到最小值。這是因為聲波頻率越低，聲波產(chǎn)生的能量越小，顆粒獲得的振動加速度越小，振動周期越長，對氣泡的破碎效果減弱；聲波頻率越高，其能量衰減越嚴(yán)重，亦不利于氣泡的破碎。因此，頻率對聲波破碎氣泡的影響也存在一個最佳范圍，在80 Hz條件下，聲波破碎氣泡的效果最好，氣泡尺寸和上升速度最小，氣泡分率和頻率最大。

圖12 聲波頻率對局部氣含率的影響Fig. 12 Effect of sound frequency on local gas holdup

圖13 聲波頻率對氣泡頻率的影響Fig. 13 Effect of sound frequency on bubble frequency

圖14 聲波頻率對氣泡平均上升速度的影響Fig. 14 Effect of sound frequency on mean bubble rise velocity

4 結(jié) 論

采用自主開發(fā)的光纖探針測定了氣固流化床床層內(nèi)局部氣含率、氣泡頻率、平均上升速度和平均弦長，并在此基礎(chǔ)上引入聲場，考察了不同聲壓級和聲波頻率對氣泡動力學(xué)行為的影響，并得出以下結(jié)論：

1）無聲場時，氣泡分率、頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長隨流化氣速的增加均增大。

2）聲波頻率一定時，聲壓級增大，低流化氣速下的氣泡分率、氣泡頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長減??；高流化氣速下，氣泡分率和氣泡頻率隨聲壓級的增大而增大，氣泡平均弦長和平均上升速度隨著聲壓級的增大而減小。3）聲壓級一定時，低流化氣速下，氣泡分率、氣泡頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長隨聲波頻率的增加，先減小后增大，在80 Hz左右時達(dá)到最小值。在較高流化氣速下，隨頻率增加，氣泡分率和氣泡頻率先增加后減小，在80 Hz左右時達(dá)到最大值；氣泡平均上升速度和平均弦長則先減小后增大，在80 Hz左右時，達(dá)到最小值。