聲場(chǎng)對(duì)氣固流化床氣泡動(dòng)力學(xué)特性的影響

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(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)特性是氣固鼓泡流化床反應(yīng)器模擬計(jì)算及設(shè)計(jì)放大的重要參數(shù)。因此，對(duì)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(dòng)力學(xué)特性的研究，對(duì)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(shí)[10]。而對(duì)于聲場(chǎng)流化床中氣泡動(dòng)力學(xué)特性的報(bào)道卻十分少見(jiàn)，僅有Levy[11]、Herrera[12]等考察了聲場(chǎng)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(duì)普通流化床引入聲場(chǎng)后，床內(nèi)的氣固流動(dòng)狀況將發(fā)生變化，尤其是床內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)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(duì)聲場(chǎng)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?lè)ㄊ茄芯?維流化床中氣泡行為最常用的方法之一，與其他的氣泡測(cè)試方法[13–15]相比，具有信號(hào)響應(yīng)速度快、檢測(cè)精度高和抗干擾性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)[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(cè)量有限的缺點(diǎn)，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(cè)試系統(tǒng)，在內(nèi)徑為120 mm的半圓柱形流化床中，對(duì)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(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行測(cè)定；并在此基礎(chǔ)上引入聲場(chǎng)，研究了聲波對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由流化床、聲波發(fā)生系統(tǒng)、光纖兩相流氣泡測(cè)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(lái)自空氣壓縮機(jī)的氣體經(jīng)干燥過(guò)濾，轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，通過(guò)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(hào)發(fā)生器、功率放大器和揚(yáng)聲器。由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后，輸入揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波，從流化床頂部引入床內(nèi)。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)定。該系統(tǒng)主要由光源、Y型光纖耦合器、光電探測(cè)器、偏置放大電路、多功能同步數(shù)據(jù)采集器、PC端、測(cè)試軟件及探針構(gòu)成，其測(cè)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(guò)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(cè)介質(zhì)時(shí)反射光強(qiáng)不同，并由此識(shí)別氣泡與顆粒。反射激光沿原光路返回，分別通過(guò)第2、3Y型光纖耦合器后，再經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)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(hào)，最后經(jīng)A/D采集器輸出到計(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)采用的ASE非平坦寬帶光源工作波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)要求。傳統(tǒng)的光纖探針?lè)ǘ嗍褂枚嗄９饫w[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(wèn)題。系統(tǒng)采用波長(zhǎng)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(duì)小氣泡的刺破率，還降低了損耗。

雙光纖探針是該測(cè)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(guò)程中采用毛細(xì)鋼管層層嵌套的辦法對(duì)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(lái)自光纖尖端折射和反射回的光。通過(guò)雙光纖探針的信號(hào)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(cè)氣泡分率這一參數(shù)的缺點(diǎn)。綜合考慮所得信號(hào)的相關(guān)性及對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)長(zhǎng)為10 s。

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(hào)處理與數(shù)學(xué)分析

2.1 輸出信號(hào)處理

光纖探針測(cè)得的原始電壓信號(hào)如圖4所示。當(dāng)探針處于固相中時(shí)，電壓信號(hào)輸出為低電位；但當(dāng)探針處于氣相中時(shí)，電壓信號(hào)輸出為高電位。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的理想電壓信號(hào)應(yīng)為方波，但由于探針在刺穿和離開氣泡時(shí)都有一定的時(shí)間延遲，同時(shí)測(cè)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(shí)際測(cè)得的電壓信號(hào)偏離理想方波。為獲得理想方波便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)采用閾值處理方法，即：當(dāng)電壓信號(hào)大于給定閾值時(shí)，探針處于氣相；小于該值時(shí)，探針處于固相。

閾值處理通過(guò)MATLAB編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮到測(cè)試系統(tǒng)自身因素及探針結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，需對(duì)所測(cè)原始電壓信號(hào)選擇合適的閾值，大于閾值時(shí)原始電壓值取為1，小于閾值時(shí)取為0。圖5為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)得的電壓信號(hào)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(hào)Fig. 4 Original voltage signal of the fiber optic probe

圖5 原始電壓信號(hào)與閾值處理后信號(hào)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(shí)間與采樣時(shí)間的比值：

2.2.2 氣泡頻率

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

2.2.3 氣泡上升速度

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

圖6 雙光纖探針信號(hào)時(shí)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(guò)程中或由于操作條件的影響，其形狀會(huì)不斷變化，因此無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量氣泡的尺寸，只能測(cè)得氣泡通過(guò)探針的弦長(zhǎng)。單個(gè)氣泡弦長(zhǎng)可由式（5）計(jì)算：

氣泡平均弦長(zhǎng)為：

在對(duì)探針信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，只有氣泡正常通過(guò)兩個(gè)探針時(shí)，才是有效的氣泡，對(duì)其他情況下通過(guò)探針的氣泡視為無(wú)效氣泡，須予以排除，否則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。在床層內(nèi)，氣泡的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，氣泡在被雙探針刺穿時(shí)會(huì)發(fā)生以下4種情況：1）氣泡只通過(guò)上游探針后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不通過(guò)下游探針；2）氣泡通過(guò)上游探針后未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但另一氣泡未通過(guò)上游探針而先通過(guò)下游探針；3）氣泡均通過(guò)兩個(gè)探針，但氣泡通過(guò)某一探針后發(fā)生偏轉(zhuǎn)；4）氣泡正常通過(guò)兩個(gè)探針。因此，在對(duì)信號(hào)時(shí)間序列作相關(guān)性分析時(shí)，需將1）、2）和3）這3種情形下的無(wú)關(guān)氣泡排除，其約束條件為：

3 結(jié)果與分析

3.1 無(wú)聲場(chǎng)時(shí)氣泡的動(dòng)力學(xué)行為

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

圖7 流化氣速對(duì)氣泡動(dòng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)增大，平均上升速度增加。

3.2 聲壓對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響

在聲波頻率f=80 Hz時(shí)，不同流化氣速條件下，聲壓對(duì)氣泡分率、頻率、平均上升速度及平均弦長(zhǎng)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(jí)的增大，氣泡分率、頻率、平均上升速度和平均弦長(zhǎng)均減小；而在較高流化氣速下，氣泡分率、氣泡頻率隨聲壓級(jí)的增加而增大，平均上升速度和平均弦長(zhǎng)隨聲壓級(jí)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(yùn)動(dòng)緩慢，聲波的引入引起顆粒振動(dòng)，在一定程度上壓實(shí)了床層，使氣泡分率下降；另一方面，床層被壓實(shí)又使得氣體流動(dòng)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(yùn)動(dòng)較劇烈，聲波的引入，進(jìn)一步促進(jìn)乳相運(yùn)動(dòng)，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(jí)越大，所產(chǎn)生的聲能越大，顆粒獲得的振動(dòng)加速度越高，乳相的擾動(dòng)越劇烈，對(duì)氣泡的剪切破碎作用越強(qiáng)，改善效果越顯著。

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

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

圖10 聲壓對(duì)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(duì)氣泡平均弦長(zhǎng)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(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響

在聲壓級(jí)SPL=120 dB時(shí)，不同流化氣速條件下聲波頻率對(duì)氣泡分率、氣泡頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長(zhǎng)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(zhǎng)呈先減小后增大的趨勢(shì)，在80 Hz左右時(shí)達(dá)到最小值。原因在于，一方面，聲振動(dòng)能量隨聲波頻率的增大而增大，故聲波對(duì)床層的壓實(shí)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(shí)，聲波能量衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致聲能對(duì)氣固兩相的作用效果減弱，故頻率較高時(shí)聲波對(duì)床層的壓實(shí)作用反而會(huì)下降，所以聲波頻率對(duì)氣泡特性的影響存在一個(gè)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(shí)達(dá)到最大值；氣泡平均上升速度和平均弦長(zhǎng)先減小后增大，在80 Hz左右時(shí)達(dá)到最小值。這是因?yàn)槁暡l率越低，聲波產(chǎn)生的能量越小，顆粒獲得的振動(dòng)加速度越小，振動(dòng)周期越長(zhǎng)，對(duì)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(duì)聲波破碎氣泡的影響也存在一個(gè)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(duì)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(duì)氣泡頻率的影響Fig. 13 Effect of sound frequency on bubble frequency

圖14 聲波頻率對(duì)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(cè)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(zhǎng)，并在此基礎(chǔ)上引入聲場(chǎng)，考察了不同聲壓級(jí)和聲波頻率對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響，并得出以下結(jié)論：

1）無(wú)聲場(chǎng)時(shí)，氣泡分率、頻率、氣泡平均上升速度和平均弦長(zhǎng)隨流化氣速的增加均增大。

2）聲波頻率一定時(shí)，聲壓級(jí)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(zhǎng)減?。桓吡骰瘹馑傧?，氣泡分率和氣泡頻率隨聲壓級(jí)的增大而增大，氣泡平均弦長(zhǎng)和平均上升速度隨著聲壓級(jí)的增大而減小。3）聲壓級(jí)一定時(shí)，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(zhǎng)隨聲波頻率的增加，先減小后增大，在80 Hz左右時(shí)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(shí)達(dá)到最大值；氣泡平均上升速度和平均弦長(zhǎng)則先減小后增大，在80 Hz左右時(shí)，達(dá)到最小值。