Geldart D類顆粒在狹縫型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少鐵，劉品達(dá)，高新源，徐 慶

（天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

Geldart D類顆粒在狹縫型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少鐵，劉品達(dá)，高新源，徐 慶

（天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

采用自主研發(fā)的狹縫型分布板流化床，對(duì) Geldart D類顆粒物料核桃殼（2～2.8，mm）的流化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：與傳統(tǒng)多孔型分布板相比，空床時(shí)狹縫型分布板的分布板壓力降較小，加入物料時(shí)狹縫型分布板的床層壓力降大，更多的能量用于物料的流化，特殊的瓦楞結(jié)構(gòu)也可改善物料的流化特性；Geldart D類顆粒物料在狹縫型分布板流化床內(nèi)流化效果較好，相應(yīng)的床層膨脹比也較大.

狹縫型分布板；分布板壓力降；流化特性；床層膨脹比

流化床在干燥領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，其特點(diǎn)有氣固混合良好、傳質(zhì)傳熱速率高、床層均勻、可控性強(qiáng)等.根據(jù) Geldart［1］的研究，氣固流化床中，粗顆粒和細(xì)顆粒的流態(tài)化特性有明顯的差異，根據(jù)顆粒的密度和直徑將流態(tài)化的顆粒分為 4類：A、B兩類顆粒易于流化；而C類顆粒由于粒子間的黏著力，流化狀況差；D類顆粒一般尺寸大，密度大，難以流化.

目前，對(duì)于大顆粒的流態(tài)化研究越來越受到重視.佐成俊清的研究表明，直徑 5，mm以上的物料在適宜的條件下也可以達(dá)到流化狀態(tài)，大顆粒流化床可以與一般流化床一樣來處理；大顆粒物料流化時(shí)，需要提高表觀氣速，但能耗較大，也會(huì)產(chǎn)生溝流、騰涌等不期望發(fā)生的結(jié)果［2］.周勇敏等［3］研究得出大顆粒流態(tài)化過程具有特殊性，顆粒的流化是一個(gè)漸進(jìn)的過程，其流化過程可以分為 5個(gè)階段，即床層高度恒定階段、顆粒位置調(diào)整階段、表面顆粒運(yùn)動(dòng)階段、節(jié)涌波動(dòng)階段、完全流化階段.

許多研究者通過對(duì)傳統(tǒng)氣固流化床的整體結(jié)構(gòu)或個(gè)別部件進(jìn)行改進(jìn)，從而改善大顆粒物料在流化床內(nèi)的流化特性.如魯林平等［4］在噴動(dòng)床的基礎(chǔ)上開發(fā)了射流噴動(dòng)流化床，降低了噴動(dòng)床柱體部分的高度，提高了噴動(dòng)速度，用于大顆粒物料的干燥和包衣，并進(jìn)行了物料的涂敷造粒實(shí)驗(yàn).黃穎等［5］研究了大顆粒物料1.2，mm芥末籽在流化床中的流化特性和氣泡尺寸變化規(guī)律，將流化氣體改為脈動(dòng)氣流后，比連續(xù)氣流流化床氣泡小，說明氣流的脈動(dòng)可以達(dá)到抑制氣泡尺寸增大的作用，因此能減小騰涌現(xiàn)象的發(fā)生，是應(yīng)用于大顆粒流化的一種方法.Li等［6］提出了用組合氣流來對(duì)大顆粒進(jìn)行流化，即一股連續(xù)氣流加一股脈動(dòng)氣流，可以降低單一使用脈動(dòng)氣流或單一使用連續(xù)氣流的流量和壓力，有利于節(jié)能.

此外，還有其他處理大顆粒農(nóng)產(chǎn)品物料流態(tài)化干燥的方法被應(yīng)用.如Li等［7-9］采用添加與大豆顆粒密度相似的硅膠顆粒（同屬于 D類顆粒）對(duì)大豆進(jìn)行流化床干燥，一方面大豆與硅膠兩種組分可以較好的混合，通過輕質(zhì)硅膠顆粒的流化提高大豆在流化床中的流化和干燥效果；另一方面硅膠顆粒可以作為大豆顆粒的水分吸附劑，吸水的同時(shí)可以放出熱量，也對(duì)大豆的干燥起到促進(jìn)作用.趙麗娟等［10］以黃瓜籽和蘿卜籽為物料，以干燥后產(chǎn)品的發(fā)芽率和濕基含水量為質(zhì)量指標(biāo)，研究了蔬菜種子在烘箱及振動(dòng)流化床中的干燥特性.提出在振動(dòng)流化床的干燥過程中，物料懸浮在氣流中不停運(yùn)動(dòng)，單位質(zhì)量物料的傳熱傳質(zhì)面積大幅增加，干燥速率大，干燥時(shí)間短，產(chǎn)品質(zhì)量均勻.但以上研究中存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輔助設(shè)備繁多以及需要物料與輔助流化顆粒分離等缺點(diǎn).

本研究的目的是開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、制造加工容易、氣體分布均勻的狹縫型流化床氣體分布板（簡稱狹縫型分布板），以提高處理D類顆粒在流化床中的流化特性.

1　實(shí) 驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)物料

利用核桃殼可以制備比表面積較大的活性炭，通常將核桃殼放入流化床內(nèi)在流化狀態(tài)中制備.據(jù)此，選用核桃殼為實(shí)驗(yàn)物料.經(jīng)粉碎后用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩（8～10目）篩分，選擇粒徑為 2～2.8，mm的顆粒，密度為1，250，kg/m3.

1.2實(shí)驗(yàn)流程與儀器

實(shí)驗(yàn)流程如圖 1所示，用電子天平（JJ3000型，美國雙杰兄弟（集團(tuán)）有限公司）稱取一定質(zhì)量的物料放入流化床.羅茨風(fēng)機(jī)（YJ3LR型，美國 Gardner Denver公司）產(chǎn)生的氣體，由旁路閥調(diào)節(jié)流量，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB型，流量 0～600，m3/h，中國天津市五環(huán)儀表廠）顯示流量后，進(jìn)入矩形流化床（自制，尺寸300，mm×200，mm），經(jīng)過狹縫型分布板［11］（開孔率6%，）氣體分布后，對(duì)物料進(jìn)行流化.兩個(gè)U型管壓差計(jì)（BY-U型，中國天津市塘沽玻璃儀器廠），分別用于測量分布板壓力降和床層壓力降.

圖1　實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow diagram of experiment

狹縫型分布板是自主研發(fā)的新型流化床氣體分布板，該分布板由標(biāo)準(zhǔn)角鋼焊接而成，類似瓦楞結(jié)構(gòu)，角鋼間的縫隙為2，mm，瓦楞高度為19，mm，如圖2所示.用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)分布板采用多孔型流化床氣體分布板（簡稱多孔型分布板），材料是聚酯（PET，聚對(duì)苯二甲酸類塑料），開孔采取正四邊形分布，孔直徑為2，mm，開孔率為6%，，如圖3所示.

圖2　狹縫型氣體分布板Fig.2 Slotted gas distributor

圖3　多孔型氣體分布板Fig.3 Porous gas distributor

1.3實(shí)驗(yàn)方法

分別將狹縫型分布板和多孔型分布板固定在流化床內(nèi)，將 U型管測壓計(jì)接于流化床，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥門控制流量，記錄兩個(gè) U型管壓差計(jì)的測量值.改變風(fēng)速，測量空床時(shí)的分布板壓力降；分別改變物料裝載質(zhì)量和風(fēng)速，測量床層壓力降和床層高度.實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，取平均值.

1.4床層膨脹比計(jì)算

床層膨脹比 η是指通入氣體流化時(shí)物料層所達(dá)到的最大高度和靜止?fàn)顟B(tài)下物料層高度的比值，是反映流化狀態(tài)的重要指標(biāo)，通常與物料的流化質(zhì)量、物料的密度、物料顆粒大小及床層的孔隙率有關(guān)［12］.

2　結(jié)果和討論

2.1空床時(shí)分布板壓力降

圖 4為在不同風(fēng)速下兩種氣體分布板的壓力降變化.由圖4可知：在分布板的開孔率相同（6%，）時(shí)，多孔型分布板的壓力降明顯高于狹縫型分布板的壓力降，而且隨著風(fēng)速的增加，兩種氣體分布板的壓力降之間的差值增大.氣體分布板的壓力降低，說明氣體經(jīng)過時(shí)的能量損失小，這樣就保證氣體有充足的能量流化物料，進(jìn)行流態(tài)化操作.根據(jù) Karri等［13］提出的理論，為了實(shí)現(xiàn)均勻的氣體分布，氣體分布板的壓力降不能太低，應(yīng)大于床層壓力降的30%，.

圖4　不同風(fēng)速下的兩種氣體分布板壓力降變化Fig.4 Distributor pressure drop of different plates vs velocity

2.2物料的流化特性

2.2.1床層壓力降

適當(dāng)?shù)拇矊痈叨?，可以保證有足夠的空氣以合理的流速流過床層，有利于物料的流化.考慮到在物料質(zhì)量為 3，000，g以下時(shí)表現(xiàn)出的流化特性不明顯，尤其是物料質(zhì)量在2，000，g以下時(shí)床層高度低于瓦楞高度，物料質(zhì)量在 6，000，g以上時(shí)，床層高度過高會(huì)導(dǎo)致在床層內(nèi)空氣分布不均，床內(nèi)流化現(xiàn)象表現(xiàn)為鼓泡床，物料不能很好地流化且有物料的噴出.因此，實(shí)驗(yàn)中選取的物料質(zhì)量范圍為 3，000～6，000，g，確定選取 3，000、4，500、6，000，g對(duì)狹縫型分布板流化床的流化特性進(jìn)行研究.

物料質(zhì)量為 3，000，g時(shí)，狹縫型分布板流化床內(nèi)的床層高度為 90，mm，高于多孔型分布板流化床內(nèi)的床層高度 80，mm，在圖 5中表現(xiàn)為狹縫型分布板流化床的床層壓力降比多孔型分布板流化床的床層壓力降要大，這主要是由于狹縫型分布板內(nèi)存在瓦楞結(jié)構(gòu).

觀察圖5中壓力降和風(fēng)速的變化，根據(jù)最小流化速度確定方法，在 3，000，g物料時(shí)，狹縫型分布板流化床的最小流化速度為0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床的最小流化速度為0.79，m/s左右.因此可以看出，在相同條件下物料在狹縫型分布板流化床內(nèi)流化更好.

圖5　3 000，g物料時(shí)床層壓力降及膨脹比隨風(fēng)速的變化Fig.5　Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 3 000，g material vs velocity

裝填量為 4，500，g物料時(shí)，床層高度繼續(xù)增加，其中狹縫型分布板流化床的床層高度為 125，mm，多孔型分布板流化床的床層高度為 120，mm.兩種分布板的床層高度差比物料為 3，000，g時(shí)變小，這是由于隨著重量的增加，下層的物料受到更大的壓力，導(dǎo)致顆粒之間的縫隙變小.如圖6所示，狹縫型分布板流化床的床層壓力降小于多孔型分布板流化床的床層壓力降.根據(jù)壓力降和流速的流化曲線確定最小流化速度，發(fā)現(xiàn)狹縫型分布板流化床的最小流化速度仍為0.69，m/s左右，而多孔型分布板的最小流化速度亦仍為 0.79，m/s左右.依然可以看出，物料在狹縫型分布板流化床內(nèi)更易于流化.

物料質(zhì)量為 6，000，g時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩分布板床層高度均為165，mm.從圖7中床層壓力降和風(fēng)速的關(guān)系可以看出，在風(fēng)速大于 0.14，m/s之后，相對(duì)于多孔型分布板流化床而言，狹縫型分布板流化床具有更小的床層壓力降，這是由于狹縫型分布板獨(dú)特的瓦楞結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生類似噴動(dòng)床的效果，更有利于大顆粒物料的流化.此時(shí)狹縫型分布板流化床的最小流化速度仍在0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床中物料的流化速度仍大于狹縫型分布板且仍在0.79，m/s左右.

圖6　4，500，g物料時(shí)床層壓力降及膨脹比隨風(fēng)速的變化Fig.6 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 4，500，g material vs velocity

圖7 6，000，g物料時(shí)床層壓力降及膨脹比隨風(fēng)速的變化Fig.7 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 6，000，g material vs velocity

圖5—圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這樣的結(jié)論，狹縫型的瓦楞結(jié)構(gòu)使氣體通過狹縫后會(huì)形成類似噴射一樣的動(dòng)力，有助于物料的流化［14］.所以，物料在狹縫型分布板比多孔型分布板流化床中的最小流化速度小，需要的流化動(dòng)力小，更加節(jié)能.

2.2.2床層膨脹比

觀察圖 5—圖 7中床層膨脹比和風(fēng)速的變化發(fā)現(xiàn)，兩種流化床中膨脹比大于1所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速均小于相應(yīng)的最小流化速度，這是由于床中顆粒在未達(dá)到完全流化狀態(tài)時(shí)，顆粒床層的流化是自上而下逐步形成的，即先是固定床上層出現(xiàn)流化，之后向下層擴(kuò)散，漸漸達(dá)到整個(gè)床層的流態(tài)［3］，床層膨脹導(dǎo)致床層高度增加.同時(shí)，當(dāng)床層內(nèi)顆粒流化起來之后，原本疏松的床層隨著風(fēng)速的增大變得更容易被吹起，表現(xiàn)為床層膨脹比的逐漸增大.

由圖5—圖7還可以看出，同在風(fēng)機(jī)最大輸出風(fēng)速1.02，m/s下，狹縫型分布板流化床的床層膨脹比均值為1.45，比多孔型分布板流化床中的床層膨脹比均值1.37更大.由膨脹比變化曲線可以看出，狹縫型分布板流化床從床層開始膨脹所需的風(fēng)速小，說明狹縫型分布板流化床內(nèi)物料流化更劇烈且更節(jié)能.這也是因?yàn)楠M縫型的瓦楞結(jié)構(gòu)和 V型結(jié)構(gòu)可以像噴動(dòng)床一樣產(chǎn)生噴射動(dòng)力.在這種噴射動(dòng)力作用下，物料在流化床內(nèi)運(yùn)動(dòng)劇烈，從而床層膨脹比也相應(yīng)的增加.其中，在3種物料質(zhì)量情況下只有當(dāng)氣體流化速度達(dá)到一定速度時(shí)，兩種分布板的床層膨脹比才出現(xiàn)差別，說明床體逐步由固定床向流化床的轉(zhuǎn)變，這與前面討論的壓力降和最小流化速度是一致的.

2.2.3狹縫型分布板流化床中物料質(zhì)量對(duì)最小流化速度的影響

從圖 8可以看出，在物料質(zhì)量分別為 3，000、4，500、6，000，g時(shí)，狹縫型分布板流化床對(duì)應(yīng)的最小流化速度均為 0.69，m/s左右.可見，對(duì)于粒徑在 2～2.8，mm的核桃殼這種大顆粒物料，所需的最小流化速度不隨物料質(zhì)量改變而變化.周勇敏等［3］通過實(shí)驗(yàn)得出不同質(zhì)量大顆粒物料在多孔型分布板流化床中的最小流化速度不隨物料質(zhì)量增加而增大.因此可分析得出，這種現(xiàn)象的發(fā)生與這兩種分布板的構(gòu)造沒有關(guān)系，而是在流化過程中大顆粒物料本身的特性.

圖8　　不同物料質(zhì)量時(shí)狹縫型分布板流化床床層壓力降隨風(fēng)速的變化Fig.8　Bed pressure drop in the fluidizing bed with a slotted gas distributor vs velocity of different quality materials

3　結(jié) 語

在研發(fā)的狹縫型分布板流化床中，對(duì) Geldart D類顆粒核桃殼（粒徑 2～2.8，mm）進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)，并與多孔型分布板流化床對(duì)比.結(jié)果表明：在逐漸增加物料質(zhì)量的情況下，狹縫型分布板流化床的床層壓力降比多孔型分布板流化床的小，且最小流化速度也均小于多孔型分布板流化床；當(dāng)物料質(zhì)量變化時(shí)，兩種分布板流化床各自的臨界流化速度始終保持不變，狹縫型分布板流化床所需最小流化速度為 0.69，m/s，小于多孔型分布板流化床的 0.79，m/s，說明狹縫型分布板流化床能夠利用更少的能源對(duì)物料進(jìn)行更好的流化；在實(shí)驗(yàn)中的最大風(fēng)速下，狹縫型分布板流化床內(nèi)的床層膨脹比均值為1.45，大于在相同條件下多孔型分布板流化床的床層膨脹比均值1.37，更有利于物料的流化和混合.

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責(zé)任編輯：常濤

Fluidization Characteristics of Geldart D Type Particles in a Fluidizing Bed with a Slotted Gas Distributor

LI Zhanyong，WANG Shaotie，LIU Pinda，GAO Xinyuan，XU Qing
（Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for the Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment，College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

The fluidization characteristics of the Geldart D type large particles（2-2.8，mm Walnut shell）have been researched on，using a self-designed fluidizing bed with a slotted gas distributor.Compared with the traditional porous distributor，the pressure drop of the new distributor is smaller.The corrugated structure of the slotted gas distributor is better for the fluidization characteristics of large size particles，and also the minimum fluidization velocity is reduced.Because of the fine fluidization in the fluidizing bed with a slotted gas distributor，the bed expansion ratio is bigger than that of the fluidizing bed with a traditional distributor.

slotted gas distributor；distributor pressure drop；fluidization characteristics；bed expansion ratio

TH49；TQ026.7

A

1672-6510（2016）04-0056-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150156

2015-10-13；

2015-12-16

天津市人才引進(jìn)與科技合作計(jì)劃國際科技合作項(xiàng)目（14RCGFGX00850）；國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014GB2A100526）

李占勇（1968—），男，山西人，教授，zyli@tust.edu.cn.

數(shù)字出版日期：2016-05-19；數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20160519.1036.010.html.