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流態化的流化床中的氣泡

在氣-固流態化系統中,氣泡是影響流化床中氣-固兩相的力學行為、傳熱、傳質和化學反應的基本因素,了解氣泡運動規律是掌握流態化技術的重要前提。

氣泡運動 氣體從分布板小孔中噴出後,分裂成氣泡浮升而上。氣泡在上升途中易聚並增大,同時與周圍的乳相進行熱、質交換。氣泡大了,就容易被粒子侵入而碎裂。氣泡上升到床面就破裂而消失。單氣泡的上升速度ubr(厘米/秒)與氣泡直徑db(厘米)的1/2次方成比例,通常用下式表示:

ubr=K(gdb),

式中K為實驗常數(約0.711);g為重力加速度(厘米/秒)。氣泡群的上升速度比單氣泡上升速度大。

在橫截面是扁形的二維床中,氣泡充塞前後兩壁間,用肉眼容易觀察氣泡的行為。二維床的缺點是壁效應太大,其中氣泡運動與實用的三維床(床徑較氣泡為大的圓柱床)中氣泡的運動情況不同。

氣泡模型 1961年J. F. 戴維森提出流化床的氣泡模型:氣泡呈球形;泡內不含固體顆粒且壓力均勻壹致;氣泡周圍是向下運動並處於起始流化狀態的乳相;固體顆粒沿氣泡作有勢運動;乳相可看作是不可壓縮的粘性介質;氣體在乳相內的流動服從空隙間滲流的規律。他由此導出氣泡周圍的壓力分布以及固體和氣體的速度分布。他又根據氣體可透過泡壁的特點,得出在氣泡周圍會有壹層氣泡雲的結論(圖6)。P. N. 羅用X射線照相證實了氣泡雲的存在。如果ubr<uf,uf為乳相中的氣速,則氣體自泡壁下側穿入,從上側穿出,不生成氣泡雲(圖7);如果ubr>uf,氣體在壓差作用下,自泡壁下側穿入,但氣體自上側穿出後會重新沿氣泡周圍返回氣泡底部,形成壹層跟隨氣泡運動的氣泡雲,其中的空隙率被認為與乳相中的相同。在三維床中求得氣泡雲的半徑rc為:,式中rb為氣泡半徑,a=ubr/uf。當ubr>uf時,氣泡雲將隨氣泡速度的增加而減薄。

戴維森模型基本正確,但算得的氣抱雲偏大。P. 傑克孫模型和J. D. 默裏模型都是對戴維森模型的修正,所求得的氣泡雲較接近實際。但這些模型都假定氣泡為圓球形,而實際上並不如此,因氣泡下側的壓力比泡外乳相的壓力低,故氣抱底部內凹,並在這壹區域生成擾動較劇烈的尾渦(圖8),其體積約為氣泡體積的1/3左右。尾渦中充滿乳相並隨氣泡上升,成為床內固體粒子混合的主要原因。

由於氣泡的生成、運動和聚並,在氣泡和氣泡雲之間以及氣泡雲和乳相之間,都存在著熱和質的對流和擴散傳遞。這種相間交換是流化床中傳熱、傳質和反應得到強化的重要原因。

氣泡的測定法 測定流化床中氣泡行為的實驗大多使用微小探頭以求減少對流化狀態的幹擾,例如,①透光法:利用氣泡與乳相透光度的不同,用包括發光和接收光的元件(如光導纖維)制成探頭,插入床中進行檢測;②電導法:若固體粒子具有較好的導電性,可用測量探頭電阻的變化來探測氣泡;③電容法:對於非導電性的粒子,因氣泡和乳相電容不同而采用相隔約10毫米的微小電極片所構成的探頭來檢測,如用多探頭或在壹個探頭上裝有多數不同位置的探針,便可測定氣泡的大小、頻率、速度甚至形狀;④熱敏電阻法:由於乳相比氣泡傳熱快,所以當探頭在乳相區時,其電阻將因溫度降低而增高,從而可探測氣泡;⑤壓電法:壹種利用壓電傳感器檢測氣泡的方法;壓電傳感器遇到氣泡時,無擾動,遇到乳相時,將因粒子的撞擊而使信號改變。

此外,還有不接觸的測量方法,如X射線法。它可用於拍攝三維床中氣泡的形狀和尾渦等。由於不用探頭,故不影響流化狀態,但由於功率所限,能透過的深度有限。

氣流輸送 固體粒子被流速足夠高的氣流所帶走的現象。空隙率小、床密度高、固-氣流量比高的流動稱為密相流動,例如垂直管中的向下卸料,向下流動的移動床、固體顆粒的密相氣流輸送,彭泡流化床及其溢流系統中的流動等都是。氣速高、空隙率大、床密度低、固氣分布均勻的流動稱為稀相流動。如固體顆粒的稀相氣流輸送、流化床面以上的分離空間中的流動等都是。

在垂直氣輸管中,噎塞速度是確定密相輸送和稀相輸送的分界。在氣輸管的固體流率不變的條件下,單位管長的壓降是摩擦壓降和支持料柱重量的壓降兩部分之和。當氣速(通常用相當於空管時的氣速u0表示)低時,摩擦壓降小,床層密度大,因而支持料柱的壓降也大,當氣速高時,摩擦壓降大,但支持料柱的壓降小。因此,在這兩種相反的效應作用下,會出現壓降的最低點D。當氣速低於與此最低壓降點相對應的氣速時,氣流已不足以支持密度增大了的床層,當氣速減小到某壹數值,就會造成管內物料阻塞、壓降陡增的現象,這時的氣速稱為噎塞速度(圖9)。

在水平氣輸管中,沈積速度是確定密相輸送和稀相輸送的分界。假定氣輸管內的固體流率不變,當氣速高時,因固體顆粒能在管截面上均勻分散,故壓降隨氣速下降而減小。壹旦氣速下降到不足以使顆粒充分懸浮,而開始向管底沈積時,單位管長的壓降達到最小。若氣速繼續下降,則管內氣流通道因固體沈積而縮小,壓降隨氣流的進壹步減小而劇增。相應於壓降最低點的氣速稱為沈積速度(圖10)。

垂直管中氣速大於噎塞速度和水平管中氣速大於沈積速度時的輸送均為稀相輸送。其特點是氣速高,壓降低,輸送能力大和固-氣比小,但顆粒和管道的磨損也較嚴重。

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