微型流化床的研究現(xiàn)狀

李凡，賈松巖(沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

傳統(tǒng)工業(yè)中的流化床通常規(guī)模較大，床直徑從1 到10 m 不等，而實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的用于基礎(chǔ)研究的流化床通常直徑在10～50 cm 之間的范圍[1]。微型流化床(micro-fluidized bed， MFB)于2005 年首次提出并進(jìn)行研究[2]，通常指內(nèi)部直徑幾毫米(通常小于20 mm)，在壁面與流化系統(tǒng)之間有大的接觸表面積的流化床。因此，相比傳統(tǒng)流化床，MFB 在實(shí)際應(yīng)用中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如放熱反應(yīng)中超高速的散熱，易獲得等溫條件；在低流速時(shí)有較高的表面氣速；反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性提高[3]；易于安裝和運(yùn)輸，節(jié)約空間。這些優(yōu)勢(shì)使得微型流化床在復(fù)雜反應(yīng)分析和實(shí)際應(yīng)用中扮演著重要的角色。

1 流態(tài)化

流態(tài)化指固體顆粒被上升的氣體或液體作用而處于懸浮狀態(tài)，從而獲得流體特性的一種物理現(xiàn)象。近代流態(tài)化理論以Kwauk M等[4]提出的廣義流態(tài)化理論和Davidson等[5]提出的氣泡理論為代表，而近代流態(tài)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用則以煤的氣化和石油的催化裂化為代表[6]。

流化床中的大量顆粒隨著床層的膨脹調(diào)整空隙率，使顆粒之間脫離接觸，從而消除顆粒間的內(nèi)摩擦，使顆粒能夠在一個(gè)相當(dāng)寬的表觀氣速范圍內(nèi)懸浮于氣流之中[7-8]。在流化過程中，表達(dá)床層膨脹過程固體顆粒分布的體系重心是考查床層膨脹程度的重要參考；而流化過程中流化因子(固體顆粒曳力與重力的比值)則反映了流化過程的穩(wěn)定程度。

液固流態(tài)化一般有固定床、散式流態(tài)化和液相輸送三種流型，而氣固流態(tài)化通常具有更復(fù)雜的流型，隨著氣速的增大，顆粒床層歷經(jīng)固定床、散式床、鼓泡床、節(jié)涌床、湍動(dòng)床、快速流化床、氣力輸送等一系列的流型轉(zhuǎn)變。通常，顆粒夾帶量有限的流化狀態(tài)，包括散式、鼓泡、湍動(dòng)，稱為低氣速流態(tài)化；反之，快速流態(tài)化、氣力輸送則稱為高氣速流態(tài)化。對(duì)于低氣速流態(tài)化，沿床層軸向顆粒濃度呈上稀下濃的連續(xù)分布，沿徑向?yàn)橹行南?、邊壁濃。在高氣速流態(tài)化階段，床層顆粒濃度不斷變稀，軸向分布更均勻，床層壓降亦隨之降低。在傳統(tǒng)的流化床中，返混受氣泡運(yùn)動(dòng)的影響很大，而氣泡的運(yùn)動(dòng)與床的尺寸(直徑)，固體顆粒的性質(zhì)和氣體的速度密切相關(guān)[9]。Geldart等[10]提出了Geldart 顆粒分類法，將固體顆粒按照粒徑和密度分為A、B、C、D 四類，這為流態(tài)化的深入研究提供了重要的基礎(chǔ)和參考。

2 微型流化床

目前針對(duì)微型流化床流體動(dòng)力學(xué)特性的研究主要集中在通過改變反應(yīng)器內(nèi)徑尺寸、顆粒粒徑和靜態(tài)床高，從而探討探討最小流化/鼓泡速度、床層壓降、床層膨脹過程等如何影響微型流化床的流體力學(xué)特性以及床層內(nèi)部氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化。

2.1 研究方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

在MFB 的研究中，已經(jīng)報(bào)道了兩種類型的實(shí)驗(yàn)方法，即視覺觀察法和基于壓力信號(hào)測(cè)量的技術(shù)(FPS 分析)。視覺觀察法通過直接觀看或使用高速攝像機(jī)來記錄變化的床層，再通過一幀一幀分析，這可以清楚地觀測(cè)到內(nèi)部流化狀態(tài)。比如Zivkovic等[11]通過將染料稀釋技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)俯視圖分析相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)微流化床提供的混合效率和混合能量效率是相同尺寸的無顆粒通道的三倍之多，混合性能受比功率輸入和床空隙的強(qiáng)烈影響。另外攝像的成像分辨率也會(huì)對(duì)研究產(chǎn)生一定的影響。Moein等[12]報(bào)告了一種新方法，當(dāng)微流化床由單分散球近似的顆粒組成時(shí)，可以避免此問題。他們通過在床的連續(xù)橫截面圖像中識(shí)別顆粒橫截面的近似中心和直徑，將其替換為圓形，然后通過識(shí)別連續(xù)圖像之間的相關(guān)性，將它們組裝以形成顆粒，可以實(shí)現(xiàn)此目的。

在第二種壓力測(cè)量技術(shù)中，使用了差壓傳感器，這個(gè)方法相較于視覺觀察對(duì)流化狀態(tài)的把握更加精準(zhǔn)。其主要包括兩個(gè)探頭，一個(gè)保持對(duì)大氣開放一個(gè)通道或連接到自由板上的探頭，另一個(gè)連接到氣體分布器下方或表面的探頭。但氣體分配器上壓力探頭的固定可能會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)信號(hào)(PFS)精度的損失。McDonough等[13]使用3d 打印技術(shù)將壓力探頭定位在氣體分配器的正上方，當(dāng)壓力探頭直接指向固體系統(tǒng)時(shí)，PFS 被有效而準(zhǔn)確地捕獲。而Quan等[14]在每個(gè)MFB 中，開發(fā)了一種微機(jī)械工藝，通過柱壁橫向引入一個(gè)壓力探頭，并將其置于氣體分配器上方一點(diǎn)。然后使用統(tǒng)計(jì)方法(平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差)結(jié)合FFT(快速傅里葉變換)頻譜分析(PSDF 和T-F 分析)進(jìn)行分析。

2.1.2 模擬方法

目前對(duì)氣固兩相流的模擬方法主要包括兩種：一種是離散方法，認(rèn)為系統(tǒng)是由大量粒子組成，離子間作用決定系統(tǒng)的行為；這種方法可以給出離散顆粒運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息，更適合研究顆粒-流體系統(tǒng)中的復(fù)雜時(shí)空細(xì)節(jié)。另一種是連續(xù)型方法，基于連續(xù)性假設(shè)，將離散的固體顆粒處理為擬流體，將流體相處理為連續(xù)介質(zhì)，空間的每一點(diǎn)流體相與顆粒相均共同存在，顆粒相與流體相相互滲透并各自遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒方程。連續(xù)型的雙流體模型是當(dāng)前流化床模擬采用的主要方法之一，這種方法適合研究較為宏觀的流態(tài)化現(xiàn)象，但無法精確處理流體相與顆粒相界面的問題。

Mark J.Biggs等[15]通過將離散方法的顆粒軌道模型產(chǎn)生的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)發(fā)生在流化床乳相中駐留的固定碳的邊界層內(nèi)，反應(yīng)程度隨著表觀氣體速度的增大而減小。Xu等[16]將傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬MD 被推廣到適應(yīng)不同尺度的離散元素。通過實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、模型、軟件和硬件之間的一致性(即EMMS 范式)，以實(shí)現(xiàn)高效率，并討論了將分子動(dòng)力學(xué)工程化為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可能性。Fang[17]等使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)離散元方法(CFD-DEM) 進(jìn)行了試驗(yàn)，以數(shù)值結(jié)果揭示了微循環(huán)流化床床層各部分的典型氣固流型，并分析了床的時(shí)間平均速度和空隙率分布，發(fā)現(xiàn)在床的入口和出口附近有明顯的變化，沿提升管軸的時(shí)間平均固體速度的反“C”分布，由此證明了設(shè)施結(jié)構(gòu)對(duì)氣固流動(dòng)特征具有至關(guān)重要的影響。

2.2 特性總結(jié)

微型流化床與傳統(tǒng)流化床的不同主要源于其突出的壁效應(yīng)。壁效應(yīng)在不同情況下會(huì)產(chǎn)生較大的差異，其與傳統(tǒng)流化床的不同具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.2.1 流化滯后現(xiàn)象

流化滯后現(xiàn)象指實(shí)際測(cè)量的最小流化速度大于理論預(yù)測(cè)值，主要原因是相比于傳統(tǒng)流化床，內(nèi)徑很小的MFB 增加了向下的壁面摩擦，使得流化過程出現(xiàn)滯后。

Quan等[14]使用球形Geldart B 組粒子(玻璃珠)在內(nèi)徑4～100 mm 之間的流化床中被分為6 組實(shí)驗(yàn)，確定了MFB 中五個(gè)流態(tài)：固定床，擬均相流態(tài)化，鼓泡，節(jié)涌和湍流化。與CFB 相比，MFB 的最小流化，鼓泡和節(jié)涌均出現(xiàn)滯后，而湍流的發(fā)生則提前了。當(dāng)Dt 從20 mm 減小到4 mm(MFB 標(biāo)度)時(shí)，最小流化速度僅略有增加，而最小鼓泡速度和最小節(jié)涌速度明顯增加，Wang F等[1]研究了截面尺寸為(700 μm～ 5 mm)×(700 μm～3 mm)的矩形微管中FCC 顆粒的流化特性，也出現(xiàn)了流化滯后現(xiàn)象，且最小流化速度和最小鼓泡速度均隨著床尺寸的減小呈指數(shù)遞增。

2.2.2 湍動(dòng)的提前

Wang等[18]在截面積為2×0.93 mm2～6×2.8 mm2的方形流化床中，研究了粒徑為50～150 μm，密度為1 500 kg/m3的顆粒的流化特性，發(fā)現(xiàn)MFB 中的湍動(dòng)轉(zhuǎn)變速度明顯減小。Quan等[14]也得出湍動(dòng)提前的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)到湍流化后期涵蓋了相對(duì)較寬的氣體速度范圍，并且具有相對(duì)均質(zhì)的流化結(jié)構(gòu)，這一結(jié)論可能為MFB 未來的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)鋪平道路。

2.2.3 床層壓降的變化

在傳統(tǒng)流化床中，床層壓降為單位界面內(nèi)固體顆粒的表觀重量(即重力-浮力)，當(dāng)流化穩(wěn)定后，床層壓降將保持定值而與氣速無關(guān)。而在MFB 中，有一個(gè)研究趨勢(shì)是接近最小流化速度的床層壓降比單位界面床內(nèi)粒子的表觀重量更高，從而被定義為超壓降，這歸因于壁摩擦產(chǎn)生的阻力，并且被一些作者作為一個(gè)MFB壁效應(yīng)的量化參數(shù)[19]。另一個(gè)趨勢(shì)是，床層壓降被發(fā)現(xiàn)低于用于傳統(tǒng)流化床古典能動(dòng)方程預(yù)測(cè)的值[20]，這被歸因于MFB 床層空隙率的增加。

2.2.4 邊壁效應(yīng)的影響

微型流化床由于床層直徑的減小使得邊壁效應(yīng)加劇。Liu等[19]研究了床層直徑為12 mm、20 mm、32 mm的氣固微型流化床，發(fā)現(xiàn)當(dāng)床直徑從20 mm 減小到12 mm 時(shí)，最小流化速度和最小鼓泡速度均顯著增大；當(dāng)床層直徑大于20 mm 時(shí)僅略微影響這兩種速度。當(dāng)床層直徑為12 mm 時(shí)，最小流化速度隨固體物料起始堆積高度的增加而增大。Liu等[21]采用雙流體模型和修正的Gibilaro 曳力模型模擬研究了Geldart A 顆粒在氣固微型流化床中的流化行為，發(fā)現(xiàn)壁面光滑系數(shù)對(duì)固體顆粒最小流化速度和床層空隙率的影響很小，而對(duì)氣固流動(dòng)形態(tài)的影響很大。

2.2.5 高徑比與粒徑比的影響

Guo 等[20]發(fā)現(xiàn)高徑比從1∶1 增加到1∶3 時(shí)，最小流化速度隨床層高度的增大近似線性增大。另外，粒徑比(床徑與粒徑之比)對(duì)流化特性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。Doroodchi等[22]通過研究內(nèi)徑為0.8 mm、1.2 mm、17.1 mm 的液固微型流化床中不同粒徑玻璃珠的流化過程，發(fā)現(xiàn)粒徑比大于3.5 時(shí)，床層內(nèi)形成散式流態(tài)化，并且床層壓降和最小流化速度隨著床徑的減小逐漸增大。

3 結(jié)語

文章主要介紹了微型流化床的研究方法和特性。通過近年來的研究成果歸納發(fā)現(xiàn)，床層直徑的減小使得微型流化床表現(xiàn)出與眾不同的流體動(dòng)力學(xué)特性，如：流化滯后、湍動(dòng)提前、邊壁效應(yīng)加劇等。因此，在進(jìn)一步研究微型流化床的流體動(dòng)力學(xué)特性以及實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)關(guān)注床層直徑的減小對(duì)流化行為的影響，從而發(fā)揮微型流化床的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。