液固和氣液固微型流態(tài)化研究進展

馬永麗，劉明言，2，李琛，胡宗定

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350； 2化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300350）

引 言

由圓管穩(wěn)態(tài)層流條件下推得的單相流動、混合、傳熱和傳質(zhì)規(guī)律可知，其傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的大小與管道直徑等幾何特征尺寸成反比，而其混合時間與管道的幾何特征尺寸成正比。即管道幾何特征尺寸減小，傳熱和傳質(zhì)系數(shù)增大，而混合時間縮短。因此，如果要強化層流過程的混合和傳遞過程，縮小系統(tǒng)的幾何特征尺寸是有效途徑，即采用微系統(tǒng)，如采用微流控系統(tǒng)等。

微系統(tǒng)的特征尺寸一般為毫米、微米或納米級[1]。根據(jù)主要用途的不同，微系統(tǒng)可分為：微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器和微分離器等。微型流態(tài)化及其對應(yīng)的裝置微型流化床或可歸類為微系統(tǒng)，但與一般的微系統(tǒng)又有區(qū)別，區(qū)別特征之一是：微型流化床是專門用于流態(tài)化處理固體顆粒的物理或化學(xué)微流動系統(tǒng)。微型流化床中顆粒處于懸浮或輸送狀態(tài)，不用因擔(dān)心顆粒堵塞系統(tǒng)而想方設(shè)法避免顆粒的存在，而一般微系統(tǒng)的操作和運行會盡量避免處理固體顆粒流。目前，微型流化床的幾何特征尺寸還沒有公認的具體范圍。一般有工業(yè)實際意義的幾何特征尺寸為毫米級或微米級。按照相態(tài)的不同，微型流化床可分為氣固微型流化床、液固微型流化床和氣液固微型流化床等[2-4]。微型流化床可通過微加工和精密加工等技術(shù)制造而得。

1979年Tyler[5]將其用于煤熱解實驗研究的小尺寸氣固流化床稱為“微型流化床”，但是，將小尺寸流化床定義為“微型流化床”一類反應(yīng)器進行研究直到2005年才開始[6]，之后，學(xué)者們進行了一系列創(chuàng)新性研究開發(fā)。

氣固微型流化床具有操作靈活、溫度均勻可控、傳熱傳質(zhì)速率高、氣體返混小、固體混合快速、反應(yīng)選擇性高等優(yōu)點。許光文研究組對氣固微型流化床進行了深入系統(tǒng)的研究[2,7-22]，包括：氣固流動及混合實驗及數(shù)值模擬研究[7,15,17,20-22]，氣固化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)[8-11,13-14,19]，以及儀器分析方面的工業(yè)應(yīng)用[16,18]等。Han 等[2]針對氣固微型流化床的國內(nèi)外研究進展進行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，內(nèi)容涉及：流體力學(xué)特性（床層壓降和壁效應(yīng)[7]）、流態(tài)化時的固含率、最小流化速度、最小鼓泡速度、塞狀氣泡速度、湍動流態(tài)化過渡、氣體返混特性[12,15,21]、流區(qū)劃分等。分析表明，氣固微型流化床中可出現(xiàn)散式顆粒流、鼓泡流、活塞流和湍動流態(tài)化等流型；定義了微型流化床特有的流體力學(xué)特性，并對其內(nèi)在機理進行了探討，確定了微型流化床的行為及其與各種影響因素之間的關(guān)系；壁面效應(yīng)對微型流化床中觀察到的各種獨特的流體力學(xué)特性起著決定性作用；這些特有的流體力學(xué)特性包括但不限于：壓降偏高，最小流化速度、鼓泡速度以及塞狀流化速度延遲，湍動流態(tài)化速度提前等；根據(jù)文獻實驗數(shù)據(jù)，定義了一個簡單的判斷標(biāo)準：床徑與顆粒直徑之比為150，以近似區(qū)分微型流化床和宏觀流化床；根據(jù)文獻實驗數(shù)據(jù)，建立了最小流化速度、最小鼓泡速度、塞狀氣泡速度、湍動流化速度的關(guān)聯(lián)式；建立了微型流化床的通用流型圖等。Zhang 等[3]和Qie 等[4]也主要對氣固微型流態(tài)化進展進行了分析。

氣固微型流態(tài)化研究的應(yīng)用背景與液固和氣液固微型流化床的不同。氣固微型流化床的研究可為液固和氣液固微型流化床的相應(yīng)內(nèi)容研究提供借鑒。液體微型流態(tài)化中由于氣泡真實界面的存在會引起一系列的特殊性，有必要專門加以研究。注意到最近Zhang 等[3]和Qie 等[4]也提及了液固及氣液固微型流態(tài)化進展，但是，內(nèi)容簡略，有必要進行較為詳細的專門介紹。

以液相作為流化介質(zhì)的液固微型流化床于1991 年由Haynes 等[23]提到，是用于煤的催化液化，其中也提到了加入氣相，但是，沒有建立液固或氣液固微型流態(tài)化的概念和加以研究。Potic 等[6]的工作被認為是液固微型流化床反應(yīng)器研究的開始。此后，Zivkovic 等[24]對液固微型流化床的流動和混合特性進行了較為系統(tǒng)的研究。

關(guān)于氣液固微型流動系統(tǒng)，2013 年Liu 等[25]以及呂興梅等[26]分別研究了氣液固微通道流動系統(tǒng)和氣液固微型漿態(tài)床系統(tǒng)。依據(jù)目前文獻調(diào)研，氣液固微型流化床的概念于2016 年由Liu 等[27]建立，并開展了專門的三相流態(tài)化特性的研究。

總體而言，微型流化床的研究還處于初級階段。但是，由于微型流化床兼具微通道和流化床各自的優(yōu)點，有可能成為今后流態(tài)化研究和應(yīng)用的重點方向之一。本文主要介紹液相微型流態(tài)化方面的研究進展。

1 液固微型流化床

1.1 液固微型流化床的起源

液固微型流化床產(chǎn)生于煤的催化液化[23]。為了解決固定床操作時催化劑的失活沉積等問題，1991 年Haynes 等[23]提出采用連續(xù)液固微型流化床操作模式進行煤的催化液化，其液固微型流化床的設(shè)備結(jié)構(gòu)及流態(tài)化圖如圖1所示。裝填催化劑的流化床直徑22.4 mm，靜床高度5～25 mm，催化劑顆粒直徑1.6～6 mm，顆粒密度2.57～8.42 g/cm3。總體而言，該液固微型流化床的直徑較大，接近宏觀流化床設(shè)備尺寸的范疇。2005 年，Potic 等[6]報道了在直徑為1 mm 的液固微型流化床中進行熱壓縮水生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實驗研究，被認為是真正的液固微型流化床研究的開始。下面進行較為詳細的研究進展闡述。

圖1 液固微型流化床的結(jié)構(gòu)及流態(tài)化圖[23]Fig.1 Structure and fluidization diagram of liquid-solid micro-fluidized bed[23]

1.2 液固微型流化床研究進展

1.2.1 流動及混合特性 Potic 等[6,28-31]系統(tǒng)地研究了液固微型流化床的流動行為及其用于生物質(zhì)和固體廢物高溫高壓非催化氣化反應(yīng)制取燃料的特性。實現(xiàn)了直徑1 mm 石英管液固微型流化床加壓熱水[300～500℃，160～244 bar(1 bar=105Pa)]對粒徑80～90 μm玻璃珠的均勻流化，起始顆粒床層高度為14～20 mm；通過可視化技術(shù)研究了最小流化速度、最小鼓泡速度及床層膨脹率，并將最小流化速度和最小鼓泡速度的測量值與2D和3D的離散顆粒模型（DPM）模擬值，以及半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值進行了比較，吻合較好；為了獲得類似宏觀流化床內(nèi)顆粒的均勻流化，微型流化床的直徑與顆粒直徑之比應(yīng)大于12。圖2 給出了直徑1 mm 的液固微型流化床及其在不同表觀液速下的流型圖[28]。

圖2 液固微型流化床及其在不同表觀液速下流型圖[28]Fig.2 Liquid-solid micro-fluidized bed and its flow patterns at different superficial liquid velocities[28]

Derksen[32-34]對液固微型流化床內(nèi)的層流固液傳質(zhì)和混合特性，采用Boltzmann數(shù)值模擬方法進行了研究，發(fā)現(xiàn)顆粒的存在可以很好地解決微系統(tǒng)內(nèi)的微觀混合和傳質(zhì)強化難題。

Doroodchi 等[35]研究了床徑范圍在0.8～17.1 mm時液固微型流化床的壓降、膨脹行為和最小流化速度變化規(guī)律。結(jié)果表明，床徑與顆粒直徑之比大于3.5 時，顆?？梢跃鶆蛄骰淮矎脚c顆粒直徑之比減小時，最小流化速度實驗值大于基于修正的Ergun公式的計算值。使最小流化速度增加的原因是：較小的床徑與顆粒直徑之比導(dǎo)致固體顆粒與壁面之間的摩擦力增加，從而引起較高的床層空隙率。即床徑減小，壁面效應(yīng)明顯增強。Doroodchi 等[36]還采用染料稀釋技術(shù)研究了液固微型流化床作為混合器強化兩股液體混合的效果，發(fā)現(xiàn)顆粒的存在可以顯著降低兩股液體混合的時間，混合實驗裝置及測試系統(tǒng)和液相混合前后的濃度分布結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，混合前染料流和清水的分層流動明顯；引入液固微型流化床后，兩流股迅速混合，顯示出微型流化床作為高效混合器的潛力。

圖3 液固微型流化床液體混合器及測試系統(tǒng)及其混合效果圖[36]Fig.3 Liquid-solid micro-fluidized bed liquid mixer and test system and its mixing effect diagram[36]

Zivkovic 等[24,37-40]近年來針對液固微型膨脹床和循環(huán)流化床的流動及混合特性進行了系統(tǒng)研究，探討了當(dāng)床徑變小后，液相表面力和壁面效應(yīng)對最小流化速度的影響。

Zivkovic 等[24]在400 μm×175 μm 的矩形微通道中，采用直徑30.5 μm的顆粒，進行液固流態(tài)化實驗，發(fā)現(xiàn)：用去離子水作流化介質(zhì)時，由于顆粒黏附壁面，流體無法將顆粒正常均勻流化；用乙醇作流化介質(zhì)時，則能使固體顆粒如在傳統(tǒng)流化床中一樣均勻流化，見圖4。因此，微型流化床區(qū)別于宏觀流化床的重要特點之一是：相對于重力等體積力，表面張力凸顯其重要性。設(shè)計微型流化床時，由于微小固體顆粒易于黏附在微流化床的壁面，必須考慮固體顆粒與壁面間的黏附力。他們應(yīng)用van Oss、Chaudhury和Good 的酸堿模型與Derjaguin 近似方法[37-38]，計算顆粒表面經(jīng)由流化介質(zhì)與微型流化床表面間的自由能（黏附力），發(fā)現(xiàn)該方法可以預(yù)測顆粒與流化床壁面間的黏附傾向及流化行為。微型流化床區(qū)別于宏觀流化床的第二個特點是微型流化床必須考慮壁面效應(yīng)。通過引入描述顆粒與壁面間的黏附力與顆粒所受曳力之比參數(shù)，以及描述黏附力與體積力之比的Bond數(shù)，可以劃分微型流化床與宏觀流化床。對于水玻璃珠流態(tài)化系統(tǒng)，微型流化床的上限床徑尺寸是10 mm，而下限直徑為1 mm，即微型流化床嚴格的標(biāo)準是床徑不要大于1 mm。但是，采用絕對床徑尺寸區(qū)分微型流化床和宏觀流化床不嚴格，而采用Bond 數(shù)或床層直徑與顆粒直徑之比等參數(shù)更好[2]。研究表明[37]，當(dāng)Bond數(shù)遠小于1時，是微型流化床區(qū)域。由于壁面效應(yīng)的明顯存在，采用常規(guī)的Ergun方程計算最小流化速度，采用Richardson-Zaki 方程描述液固均勻膨脹流化規(guī)律時，需要考慮壁面效應(yīng)的影響，加以適當(dāng)修正。但是，由于研究結(jié)果還很零星，有待進一步研究，從而獲得具有普遍指導(dǎo)意義的定量規(guī)律。之后的系列實驗研究表明，流化床動力學(xué)直徑1～2 mm，固體顆粒直徑26.5～115 μm時，顆粒在去離子水等流化介質(zhì)中可以正常流化。引起實驗現(xiàn)象與計算不一致的原因除了黏附力和壁面效應(yīng)外，還應(yīng)考慮表面粗糙度的影響。將壁面黏附力和曳力之比，與反映壁面效應(yīng)的顆粒直徑與流化床徑之比的乘積，作為一個影響參數(shù)，研究了微型流化床的最小流化速度，解釋了最小流化速度增加的原因。

圖4 液固微型流化床不同流化介質(zhì)的流態(tài)化效果（H0=3.215 mm±0.015 mm）[24]Fig.4 Fluidization effect of different fluidizing media in liquidsolid micro-fluidized bed(H0=3.215 mm±0.015 mm)[24]

Zivkovic 等[39]還研究了液固微型流化床內(nèi)兩股流體的混合特性。與沒有固體顆粒存在時相比，流體的混合質(zhì)量可提高4倍之多。液固微型流化床可作為一種高效的混合器，如圖5所示。

圖5 沒有玻璃珠時（左）和有直徑29.5 μm玻璃珠時（右）不同流化速度下微型流化床自由空間區(qū)內(nèi)兩股流體混合的效果圖[39]Fig.5 Without glass beads(left)and with a diameter of 29.5 μm glass beads(right),the effect diagram of two streams of fluid mixing in the free space area of micro-fluidized bed under different fluidization velocities[39]

Zivkovic 等[40]還研究了液固循環(huán)微型流化床的流區(qū)及傳統(tǒng)流化床到循環(huán)流化床的過渡速度等，發(fā)現(xiàn)顆粒的黏附力和壁面效應(yīng)仍是造成與宏觀尺度循環(huán)流化床的行為不同的原因。

值得指出的是，相對于傳統(tǒng)制造方法得到的流化床壁面是光滑表面，為了研究增材制造裝置表面是否適合用于微型流化床，McDonough 等[41]采用3D打印技術(shù)制造了不同床徑的微型流化床（圖6，典型流型見圖7），以Geldart A 類和B 類顆粒為固相，考察了微型氣固流態(tài)化特性（雖然是氣固流體化，也在此敘述）。結(jié)果表明，3D 打印的微型流化床壁面對顆粒流態(tài)化沒有負面影響。

圖6 放大的3D打印微型流化床圖[41]（截面尺寸：15 mm×15 mm）Fig.6 Enlarged 3D printing micro-fluidized bed(section size:15 mm×15 mm)[41]

圖7 3D打印不同床徑的微型流化床的典型流型[41]Fig.7 Typical flow patterns of micro-fluidized beds with different bed diameters printed in 3D[41]

Tang 等[42]針對顆粒尺寸分布較寬的固體顆粒，在床徑為3.15～11.6 mm 的液固微型流化床中，應(yīng)用高速攝像等流動可視化測量技術(shù)，對液固微型流化床中的床層膨脹行為進行了實驗研究。結(jié)果表明，當(dāng)粒徑與床徑之比從0.017 增至0.091 時，實驗測量得到的最小流化速度為采用Ergun 公式計算值的1.67～5.25 倍；由微型流化床實驗數(shù)據(jù)擬合得到的Richardson-Zaki 方程的指數(shù)與原宏觀流化床方程的指數(shù)之比從0.92降到0.55。指數(shù)值的減小歸因于較寬的固體顆粒粒徑分布，而顆粒種類對最小流化速度和指數(shù)值的影響很小。

Li 等[43]采用粒徑范圍為22～58 μm 的顆粒，在更小床徑（0.8、1.45 及2.3 mm）的石英玻璃毛細管微型液固流化床內(nèi)，考察了床層膨脹行為。床內(nèi)徑0.8 mm、外徑6 mm，高度60 mm 的微型流化床實物圖，以及液體分布器和溢流堰的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。液體分布器為由透明聚甲基丙烯酸甲酯（polymethy methacrylate，PMMA）管（外）和硅膠管（內(nèi)）組成的一個套管，兩管中間夾有一層聚乙烯（polyethylen，PE）濾網(wǎng)，其平均孔徑為20 μm。液體分布器套在石英毛細管底部（套入高度5 mm）構(gòu)成微型流化床的液體入口。為了方便固體顆粒的加入，毛細管上端出口經(jīng)錐形擴孔處理，并連接有聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）溢流堰。溢流堰在旁側(cè)開有垂直向下的液體出口，孔口處覆蓋有一層篩網(wǎng)，以防止固體顆粒被液體帶出。整個微型流化床床體使用透明的環(huán)氧樹脂膠粘接密封。另外兩個微型流化床毛細管的內(nèi)徑分別是1.45 mm 和2.3 mm，外徑分別是3 mm 和4 mm，高度同為60 mm，由其構(gòu)成的床體具有類似的結(jié)構(gòu)。但是分布器的液體入口直徑（硅膠管內(nèi)徑）都為3 mm，大于最大的床體內(nèi)徑，以避免出現(xiàn)低液體速度區(qū)。在液固微型流化床直徑0.8 mm，顆粒直徑58 μm 條件下，典型的膨脹床流型如圖9所示。

圖8 床徑0.8 mm的液固微型流化床實物圖[43]（a）；溢流堰和液體分布器結(jié)構(gòu)（b）Fig.8 Photograph of 0.8 mm micro-fluidized bed[43](a)；Detailed structure of overflow weir and liquid distributor(b)

圖9 不同表觀液速條件下固體顆粒直徑58 μm、床徑0.8 mm時微型流化床的膨脹流化圖[43]Fig.9 Photographs of different expansion heights of 0.8 mm micro-fluidized bed with 58 μm particles[43]

1.2.2 反應(yīng)及分離 在進行流體力學(xué)研究的同時，Yang 等[44]將床徑1～3 mm 的液固微型流化床用作光催化反應(yīng)器，以亞甲基藍（MB）為模型廢水物系，進行了光催化降解廢水的實驗探索。采用溶膠-凝膠法和浸漬提拉工藝制備光催化劑涂層，考察了僅在石英管內(nèi)表面負載鐵離子摻雜二氧化鈦催化劑（Fe3+/TiO2/石英管）、僅在玻璃珠外表面負載Fe3+/TiO2催化劑（Fe3+/TiO2/玻璃珠）以及在石英管內(nèi)表面和玻璃珠外表面都負載Fe3+/TiO2催化劑（Fe3+/TiO2/石英管＋Fe3+/TiO2/玻璃珠）三種液固微型流化床光催化反應(yīng)器內(nèi)降解MB的光催化活性。結(jié)果表明：與沒有加入固體顆粒的Fe3+/TiO2/石英管反應(yīng)器相比，在Fe3+/TiO2/石英管內(nèi)加入玻璃珠的液固微型流化床反應(yīng)器內(nèi)（d1=3 mm，初始床高H0=15 mm），由于玻璃珠固體顆粒的加入和流態(tài)化，傳質(zhì)系數(shù)增大11～13倍，表觀反應(yīng)速率常數(shù)增大4.9倍。對于1～3 mm床徑的微型流化床反應(yīng)器，當(dāng)流化床液含率（即空隙率）為0.75 時，平均光催化反應(yīng)速率達到最大值。當(dāng)空隙率小于0.75時，因為催化劑顆粒較密，外層的催化劑顆粒對光線的阻擋較嚴重，在管中心部位的催化劑顆粒接受的光輻射通量密度顯著減小，不能起到很好的催化效果，所以降解率相對較低。當(dāng)空隙率大于0.75 時，單位體積內(nèi)的催化劑顆粒的數(shù)量會隨著空隙率的增加而減小，這會導(dǎo)致光照面積的減小，所以降解率也會減小。在空隙率為0.75 時降解率最大，這是因為此時在催化劑顆粒接受的輻射通量密度和光照面積之間取得了最佳平衡。在Fe3+/TiO2/石英管內(nèi)加入Fe3+/TiO2/玻璃珠的微型流化床反應(yīng)器內(nèi)，結(jié)合了兩種形式催化劑反應(yīng)器的優(yōu)勢，其降解率比前兩種微型流化床反應(yīng)器的高5%～35%。

隨著管徑的增加，放大效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。放大效應(yīng)由輻射通量密度、反應(yīng)器的比表面積、傳質(zhì)距離和光線穿透距離的變化引起。顆粒對光線的阻擋對光催化反應(yīng)速率有很大影響，因此，光線需要穿透的距離就顯得非常重要。3 mm 直徑流化床的光線穿透的距離是1 mm 直徑流化床的3 倍。3 mm 直徑流化床的輻射通量密度變?yōu)? mm 床的1/3，使降解率降低。同時，3 mm 床徑的光線穿過的距離變?yōu)? mm 床的3 倍，使得3 mm 床內(nèi)的催化劑顆粒不能像1 mm 的床內(nèi)的顆粒那樣接受到充足均勻的光照，其結(jié)果也是降解率降低。這些原因造成了較為明顯的放大效應(yīng)，突出了微型流化床的特點和優(yōu)勢。

Pereiro 等[45-46]研究開發(fā)了一種外加磁場作用下1～3 μm 磁性顆粒液固微流控流化床，用于DNA 分析和生物醫(yī)藥品的固相萃取分離純化等，顯示出微型流化床在生物分離方面的應(yīng)用前景。該微型磁場流化床在磁力作用下的流化狀態(tài)如圖10 所示。圖10（a）標(biāo)出了顆粒在磁場作用下的受力分析，圖10（b）從左至右顯示出不同的流化液體流量條件下，顆粒由固定床變?yōu)榱骰驳牧鲃訝顟B(tài)。

圖10 微型磁場流化床在磁力作用下（a）的流化狀態(tài)（b）[45]Fig.10 Fluidization state(b)of micro magnetic fluidized bed under the action of magnetic force (a)[45]

最近，Zhang 等[47]報道了真菌顆粒在3D 打印微型液固流化床中獨特的流化性能，拓寬了微型流化床在生物加工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明，靜態(tài)床層空隙率比常規(guī)使用的0.4 大得多（約0.6）。在部分和完全流化床流態(tài)化之前，觀察到一種新的膨脹床流區(qū)。由于壁面效應(yīng)和表面力，獲得了較高的最小流化速度和Richardson-Zaki 經(jīng)驗常數(shù)（n和K）。

2 氣液固微型流化床

在液固微型流化床中引入氣相，或者在氣液微型鼓泡塔中引入固相，可以形成具有更為復(fù)雜流動及傳遞行為的氣液固微型流化床。

2.1 氣液固微型流化床歷史

由于氣液固微型流態(tài)化行為的復(fù)雜性，有效的多相流測試技術(shù)更為有限，與單相或兩相流數(shù)值模擬相比，物理模型和數(shù)學(xué)描述更為困難，目前相關(guān)的研究還很少。相對于氣固微型流化床和液固微型流化床的發(fā)展歷史而言，氣液固微型流化床的研究歷史很短，研究也不夠深入和系統(tǒng)。正如引言所述，1991 年Haynes 等[23]在研究床徑為22.4 mm 的液固微型流化床時，曾經(jīng)提到過通入氣相。2013 年以后有一些三相微通道數(shù)值模擬研究[25]和三相微型漿態(tài)床[26]的研究，2016 年之后開始了三相微型流化床的研究[27]。

2.2 氣液固微型流化床研究進展

借助于壓降測量及高速攝像技術(shù)開展了流動及反應(yīng)方面的研究，包括：三相流型及其過渡、最小流化液速、相含率和氣泡尾渦結(jié)構(gòu)等[47-56]。

Li 等[3,48-49]采用透明聚甲基丙烯酸甲酯材料制成了床徑為3～10 mm 的單氣孔圓柱形氣液固微型流化床，并將壓降曲線法與工業(yè)高速相機拍攝可視化方法相結(jié)合，研究了氣液固微型流化床的最小流化速度、流型過渡和單氣泡運動行為。

氣液固微型流化床的實驗裝置及流程與液固微型流化床的類似，只是多了第三相氣相的進出。調(diào)整氣相和液相的表觀流速，可以使固體顆粒流化，并獲得不同的氣液固流型。如果有顆粒夾帶及顆?；厥障到y(tǒng)，還可以形成氣液固微型循環(huán)流化床。

2.2.1 流型 圖11 給出了床徑為3 mm 空氣-水-104 μm 玻璃砂氣液固微型流化床內(nèi)典型的實際流型圖。在實驗范圍內(nèi)觀察到4 種典型的流型，分別為：半流化、彈狀流、分散鼓泡流和液體輸送流[49]。

圖11 內(nèi)徑3 mm的空氣-水-104 μm玻璃砂微型流化床的典型流型圖[49]Fig.11 Typical flow pattern of air-water-104 μm glass sand micro-fluidized bed with an inner diameter of 3 mm（Ug=1.2×10-3 m/s,ρp=2500 kg/m3,Hs=8.5 mm）[49]

半流化[圖11(a)]：當(dāng)表觀液體速度低于固體顆粒在液相單獨存在時的液固流化床中的起始或臨界流化速度時，固體顆粒難以被液體介質(zhì)流化，氣泡在固體顆粒床層中不斷聚并，形成彈狀氣泡，且彈狀氣泡的長度通常比床徑要大，頭部通常呈現(xiàn)子彈型。一部分固體顆粒被彈狀氣泡向上推動，另一部分固體顆粒則位于彈狀氣泡與壁面間的液膜內(nèi)，直到氣泡通過才會下落。

彈狀流[圖11(b)]：當(dāng)表觀液體速度等于或高于固體顆粒在液相單獨存在時的液固流化床中的起始或臨界流化速度時，固體顆?？梢员灰后w單獨流化。但是，由于固體顆粒的含率較大，氣泡的上升運動會被阻擋，從而無法順利通過固體顆粒床層，氣泡會在固體顆粒床層中不斷聚并，形成大氣泡及彈狀氣泡。在這種條件下，一些固體顆粒會被彈狀氣泡所推動，同時，也可以觀察到液體流化顆粒的現(xiàn)象，而另一些固體顆粒則會位于彈狀氣泡和壁面間的液膜內(nèi)。由于床徑較小，液膜非常薄，液膜內(nèi)的固體顆粒幾乎沒有發(fā)生移動，當(dāng)彈狀氣泡完全通過后，顆粒發(fā)生下落。

分散鼓泡流[圖11(c)]：在較低的表觀氣體速度(Ug≤5×10-3m/s)和較高的表觀液體速度下，連續(xù)的液相向上流動，固體顆粒得以正常流化，而氣泡分散在連續(xù)的液相中，形成了直徑通常小于床徑的較小的氣泡。

液體輸送流[圖11(d)]：在一定的表觀氣體速度下，當(dāng)表觀液體速度較高時（大于固體顆粒帶出速度），氣液固微型流化床的床層上界面會消失，固體顆粒從床層中被流化氣體和液體的混合物大量帶出。

圖12 為床徑為3 mm 的空氣-水-104 μm 玻璃砂三相微型流化床的流型圖。圖中的橫、縱坐標(biāo)分別為表觀氣體速度Ug和表觀液體速度Ul。

圖12 內(nèi)徑3 mm的空氣-水-104 μm玻璃砂微型流化床流型圖（Do=0.16 mm）[49]Fig.12 Flow pattern of air-water-104 μm glass sand microfluidized bed with an inner diameter of 3 mm(Do=0.16 mm)[49]●semi fluidization;○slug flow;×dispersed bubble flow;△liquid transport flow

從圖12可以看出，整個三相流化床的流型圖可分為四種流型：半流化、彈狀流、分散鼓泡流、液體輸送流。與宏觀氣液固三相流化床相比，在三相微型流化床中，由于彈狀氣泡的存在，在低表觀液體速度下，固體顆?？梢员粡棤顨馀萃苿?，而形成半流化狀態(tài)。此外，在三相微型流化床的膨脹流化狀態(tài)下，只有彈狀流和分散鼓泡流兩種流型，而在宏觀三相流化床中，在固體顆粒膨脹流化狀態(tài)下，通?？梢杂^察到以下幾種流型：分散鼓泡流、聚并鼓泡流以及彈狀流。不同的原因在于在微型體系中采用了單一孔口鼓泡的進氣方式，氣泡間的相互作用方式較為單一，而在宏觀三相流化床中，通常是多氣泡同時進氣，氣泡間存在較為復(fù)雜的相互作用。值得注意的是，對于宏觀三相流化床來說，在較大的表觀氣速下，氣泡之間會聚并為大的彈狀氣泡形成彈狀流。而在三相微型流化床中，固體顆粒在沒有被液體單獨流化時，彈狀氣泡會推動固體顆粒運動，出現(xiàn)半流化狀態(tài)，這與宏觀床流動有較大不同。

Li等[50-51]對直徑為0.8 mm，固體平均粒徑為22～58 μm 的多氣孔氣液固微型流化床的流動行為進行了探究?；跉馀莸倪\動行為，區(qū)分出分散鼓泡流、聚并鼓泡流和彈狀流三種流型。流型轉(zhuǎn)變主要受流化床徑與粒徑之比的影響。由于氣泡尾渦體積與氣泡體積比較小，氣泡對床層膨脹比的影響較小，無明顯床層收縮現(xiàn)象。在三相微型流化床中，表面張力與液體黏性曳力共同作用于氣泡的形成，這與宏觀三相流化床中氣泡受床層的慣性力作用不同。分散鼓泡流中的氣泡尺寸呈正態(tài)分布，并隨固含率的增加而略微增加。而聚并鼓泡流中的氣泡尺寸呈現(xiàn)階梯狀分布。結(jié)合氣流截斷法，測量了氣液固微型流化床相含率和氣泡平均尺寸。

2.2.2 最小流化速度 在一定操作條件下，可以采用壓降曲線和Hurst指數(shù)(H)曲線獲得流化床內(nèi)顆粒的最小流化速度。實驗結(jié)果表明，在3 mm床徑條件下，易形成固體顆粒的半流化狀態(tài)，無法依據(jù)壓降和流化速度曲線，以及Hurst 指數(shù)曲線確定顆粒的最小流化速度，需采用其他測試技術(shù)。當(dāng)流化床直徑增加到10 mm時，采用壓降曲線以及Hurst指數(shù)曲線可以確定其最小流化速度，如圖13所示。隨著床徑的減小，壁面效應(yīng)顯著，最小流化速度隨之增加。

圖13 不同表觀氣速下10 mm床徑氣液固微型流化床壓降和Hurst指數(shù)隨表觀液速的變化[27]Fig.13 Variation of pressure drop and Hurst index with superficial liquid velocity in 10 mm gas-liquid-solid micro-fluidized bed under different superifical gas velocities[27]

2.2.3 氣泡尾渦結(jié)構(gòu) Li 等[52]采用VOF-DEM（volume of fluid-discrete element method）數(shù)值模擬方法研究了床徑為3 mm 的氣液固微型流化床內(nèi)的單氣泡行為，考察了氣泡的尾渦結(jié)構(gòu)特性。

表1給出了液固微型流化床中固含率的模擬結(jié)果，以及相應(yīng)的實驗表觀液體速度。根據(jù)表1 的五個算例條件，在液固膨脹床條件下，設(shè)置氣體孔口氣速Uo=10.02 cm/s（體積流率QG=10 ml/h）進行單氣泡行為的模擬，并采用以相近固含率條件為比較基準的實驗結(jié)果進行驗證。不同固含率條件下，單個上升氣泡周圍顆粒速度分布的數(shù)值模擬結(jié)果如圖14 所示?？梢钥闯?，氣泡尾渦的尺寸差異較大，其隨液固床層固含率的增大而逐漸減小。尾渦結(jié)構(gòu)是由于液流沿氣液相界面繞過氣泡在其底部分離形成的渦流，其尺寸與氣泡上升速度直接相關(guān)。從模擬和實驗得到的氣泡上升速度都隨床層固含率的增大而減小說明，當(dāng)氣泡上升速度較大時，其與液體的相對速度也較大，液流在氣泡底部分離所形成的尾渦尺寸也較大。在較大尺寸氣泡尾渦中，在其最末端還夾帶有少量的顆粒，這些顆粒的速度明顯高于周圍液固床層中的顆粒，而與氣泡的上升速度接近。這種對顆粒的夾帶隨著尾渦尺寸的減小而消失，而緊貼氣泡底部的尾渦部分則一直保持著無顆粒的狀態(tài)。

圖14 氣液固微型流化床中上升氣泡周圍的顆粒速度分布[52]Fig.14 Particle velocity distribution around rising bubbles in gas-liquid-solid micro fluidized bed[52]

表1 液固微型流化床固含率的模擬結(jié)果以及相應(yīng)的實驗表觀液體速度Table 1 Simulation results of solid holdup in liquid-solid micro-fluidized bed and corresponding experimental superficial liquid velocity

2.2.4 液相停留時間分布 姚東等[53]在內(nèi)徑為3 mm的石英玻璃氣液固微型流化床中，采用脈沖示蹤技術(shù)，探究了液相停留時間分布。結(jié)果表明，隨著表觀氣速和表觀液速的增加，平均停留時間變短，如圖15 所示。停留時間分布曲線變窄，分布更集中，導(dǎo)致Peclet數(shù)有所增加。

圖15 氣液固流化床中不同表觀液速、表觀氣速下的平均停留時間(H0=10 mm,dp=175 μm)[53]Fig.15 Average residence time under different superficial liquid velocity andsuperficial gas velocity in gas-liquid-solid fluidized bed(H0=10 mm,dp=175 μm)[53]

2.2.5 反應(yīng) Wang 等[54]在床徑為6 mm 的氣液固微型光催化流化床反應(yīng)器中研究了亞甲基藍（MB）的光催化降解特性，發(fā)現(xiàn)氣液固微型光催化反應(yīng)器表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的光催化微通道板式反應(yīng)器更高的量子利用率。

Dong 等[55]以Ag/Al2O3負載型催化劑選擇性催化氧化巴豆醛為模型反應(yīng)，研究了床徑為3 mm的氣液固微型流化床反應(yīng)器的反應(yīng)性能。結(jié)果表明，三相微型流化床在反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率方面都有較大的優(yōu)勢。在達到相同的轉(zhuǎn)化率時，間歇攪拌釜反應(yīng)器所需要的平均停留時間是三相微型流化床的45.5倍；在基本相同的反應(yīng)條件下，三相微型流化床反應(yīng)器的反應(yīng)效能，即反應(yīng)器內(nèi)單位時間單位質(zhì)量催化劑的物料轉(zhuǎn)化量是間歇攪拌釜反應(yīng)器的約2.4 倍。正是由于氣液固微型流化床反應(yīng)器單位體積氣泡界面面積大，氣泡停留時間長，使得三相微型流化床反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化速率和轉(zhuǎn)化率得到了較大的提升。此外，對于三相微型流化床來說，特征尺寸的減小，可以有效減小分子擴散的距離，流化顆粒和眾多微小氣泡的存在，提供了更高的相界面積，并有效增強了相間擾動。以上原因都使三相微型流化床反應(yīng)器的性能得到有效的提高。

Liu 等[56]根據(jù)Wang 等[54]的三相微型流化床內(nèi)的亞甲基藍光催化氧化實驗數(shù)據(jù)，采用CFD-DDPM（computational fluid dynamics-dense dispersed phase method）模型，數(shù)值模擬了亞甲基藍光催化降解反應(yīng)特性，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好?？疾炝斯廨椛鋱鲆蛩兀ㄝ椛淙肷浣嵌?、光源數(shù)量）對光催化流化床反應(yīng)器性能的影響,討論了反應(yīng)物濃度、輻射場因素（吸收輻射強度）及流場因素（氣含率、固含率）對反應(yīng)物降解率的影響，分析了輻射場、流場和反應(yīng)動力學(xué)之間的關(guān)系。隨著反應(yīng)時間的增加，輻射強度和動力學(xué)因素對降解率的影響也不同。在低濃度下，影響降解率的主要因素是流體力學(xué)，包括反應(yīng)物質(zhì)量分數(shù)、氣含率和催化劑含率。

Zhang 等[47]研究了真菌顆粒在3D 打印微型氣液固流化床中的流態(tài)化及發(fā)酵特性，是一種微型三相流化床應(yīng)用的有益嘗試。

由上述分析可知，液相微型流化床正逐漸受到重視，研究取得了初步結(jié)果。但是，總體上尚處于起始階段，鑒于其潛在的工業(yè)應(yīng)用價值，需要進一步加強基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

3 結(jié)論及展望

在液固微型流化床研究方面，隨著床徑的減小，壁面效應(yīng)顯著增強，使得最小流化速度較Ergun公式計算值為大；描述液固均勻膨脹流化規(guī)律的Richardson-Zaki方程需加以修正。

在氣液固微型多相流動方面，在實驗范圍內(nèi)存在4種典型的流型，分別為：半流化、彈狀流、分散鼓泡流和液體輸送流。對于宏觀三相流化床，表觀氣速較高時，小氣泡將聚并為彈狀氣泡，形成彈狀流；而在三相微型流化床中，彈狀氣泡會推動固體顆粒運動，出現(xiàn)半流化狀態(tài)，與宏觀床三相流型不同。當(dāng)微型三相流化床的直徑增加到10 mm 時，采用壓降曲線和Hurst 指數(shù)曲線可以確定其最小流化速度；而流化床直徑減小時，因固體顆粒處于半流化狀態(tài)而難以依據(jù)壓降和流化速度曲線，以及Hurst指數(shù)曲線準確地確定顆粒的最小流化速度。

在氣液固微型化學(xué)反應(yīng)方面，氣液固微型光催化反應(yīng)器表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的光催化微通道板式反應(yīng)器更高的量子利用率。氣液固微型流化床反應(yīng)器單位體積氣泡界面面積大，氣泡停留時間長，轉(zhuǎn)化率得到較大的提升。

但是，相對于液固微型流化床，氣液固微型流化床的研究由于流動的復(fù)雜性和測試技術(shù)的局限性等原因，研究結(jié)果較少，今后需要進行系統(tǒng)深入的研究。建議的研究方向包括：（1）毫米級床徑，例如床徑0.8 mm 以下氣液固微型流化床的流動及傳遞特性研究；（2）液相微型流化床內(nèi)多相流動流型的客觀識別；（3）壁面效應(yīng)的物理機理及量化描述方法；（4）相混合特性，尤其是顆?；旌咸匦缘难芯浚唬?）傳遞和反應(yīng)特性的研究，包括傳熱和傳質(zhì)特性研究；（6）多相流動及傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程的機理建模和數(shù)值模擬；（7）3D 打印等用于微型三相流化床的制造；目前微型流化床設(shè)備及測試系統(tǒng)的制造難度較大，可考慮采用3D 打印等增材制造技術(shù)；（8）先進液相微型流化床的多相測試技術(shù)研究；（9）工業(yè)設(shè)計放大和在化工、環(huán)境、生物、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用研究等。