篇名：液-固提升管的計算機層析攝影和微粒示蹤研究
作者：Shantanu Roy, Jinwen Chen, Sailesh B. Kumar, M. H. Al-Dahhan,* 和M. P. Dudukovic [* 表示通訊作者的意思]。
單位：密蘇裏州聖路易斯市華盛頓洲立大學化學工程系化學反應工程實驗室（63130）
摘要：液-固循環流化床在各種工業過程中均是壹種有潛在價值的反應裝置，如煉油和精細化學品、石化產品及食品的合成。這些過程中，迅速失活的固體催化劑需要在基本反應完成後再生，並在提升管的固體中再循環。本研究表明，計算機輔助放射微粒示蹤技術(CARPT)可用於構建提升管中固體流速模型和供試流體流速下的固體回流。?-射線計算機層析攝影(CT) 表明，在分餾柱中部固體濃度稍高。這和氣-固提升管反應器的情景相反，後者的固體濃度在柱壁上更高。
前言
液-固循環流化床在精細化學品、石化產品合成及煉油等各種工業過程中作為壹種備選反應裝置迅速得到推廣(Liang等, 1995)。該過程在液相反應物（典型高壓、低溫下的烴）(Thomas, 1970)和可快速滅活的固相催化劑(Corma和Martinez, 1993)存在的反應器中完成。基本反應在高液/固流速比的垂直提升管柱中完成(在提升管中固體變成可被液體運載的液化狀態）。失活催化劑在通過連續內環流中的循環固體和基本反應偶聯的獨立處理過程中再生。此類連續流動的液固系統的設計和組裝需要每相中的流動模型以及相含率分配方面的知識。本工作的目的是通過實驗研究實驗室級循環液固系統流動模型的提升管中固相的流速和含率分布問題。
實驗
實驗室級液-固循環流化床的裝備圖紙如圖1所示。提升管是壹根直徑6英寸、高7英尺的有機玻璃柱。提升管中的自來水帶動直徑2.5毫米的玻璃微珠流動，並通過柱塞和噴射器回流進入系統。用噴射器(已把固體流速預標定為水流速函數)控制液流法來維持提升管中的固體物料流。全部固/液流速比可通過柱底部分配盤來調控。用內環流中的泵和儲水罐中的循環水來維持氣餾柱和噴射口部分恒定的高速水流。實驗在密蘇裏州聖路易斯市華盛頓洲立大學化學工程系化學反應工程實驗室研發的CARPT和CT裝置中進行(Devanathan, 1991; Kumar,1994)。也許有必要指出，本研究使用的系統是致密的，粘滯性小，惟有非浸入式流體檢測法如CARPT和CT才有能力精確測量固體流速和濃度。當前的裝備使得提升管可以在CARPT-CT操作平臺上安裝用於本研究。早在固相水動力學的研究之前, 液相停留時間分布測定儀就在液相中得到應用。脈沖式快速註入氯化鉀溶液後測定液相在既定位置的傳導情況。本研究的結果其他地方也有報道(Roy 等, 1996)，我們發現液相實際上呈集中流勢，具有小的分散效應。液體示蹤顆粒E-曲線的二維方差總是小於0.1。
美國化學學會的CARPT研究(Devanathan, 1991; Yang等, 1992)把放射性Sc-46微粒(發射波長350 íCi，半衰期83天)引入壹個粒徑和密度與待混流的玻璃微珠相匹配的中空鋁球中來制備示蹤顆粒。采用精妙的CARPT標定步驟(Yang等, 1992), 顆粒被放入供試反應段的約200-300個已知位置，就得到了每個檢測器的距離-密度關系標定圖譜。標定完成後，設置並保持所需的液體超臨界流速，且容許固體微粒自由進入流場來模擬典型的玻璃微粒的運動。長時間後(8小時)，示蹤顆粒的位置（用檢測器獲得的光子數目來表示）記作時間的函數。隨後，固體顆粒的平均流體組分和波動流體組分、粘滯系數和動力學能量可以通過舍棄和處理粗略的原始數據後計算得出(Devanathan, 1991; Larachi 等, 1997)。這是CARPT技術首次在壹個體系中的成功演示，該體系中示蹤顆粒周期性地離開和重新進入被檢測器檢測到的分餾柱反應段。
密蘇裏州聖路易斯市華盛頓洲立大學化學工程系化學反應工程實驗室的CT掃描儀采用扇-線幾何學來測定?-射線通過提升管中給定物體後的放射衰減。然後用粗略的衰減測量儀器重構中橫截面上各相的時間平均含率分布。該放射源被置於100 mCi的Cs-137同位素中, 11個碘化鈉檢測器(最大值)組成的角陣列用於衰減測試。基於極大似然原理的期望極大算法(Lange和Carson, 1984)用來做投影儀中獲取的圖象重建。CREL掃描儀的軟件和硬件方面的細節問題已經由 Kumar 等 (1995)、Kumar和Dudukovic′(1997)討論過。本研究中供試液-固提升管在沿柱的四個軸向位置被掃描。
結果與討論
實驗在液體超臨界流速（12-23 cm/s）的範圍內進行。本研究報道了在20 cm/s液體超臨界流速的條件下運行的系統中得到的典型結果。所有實驗采用直徑2.5毫米的玻璃微珠，噴射器的水流速度為25 gal/min。提升管底部的水流速度保持在33 gal/min，以便使柱中的平均液體超臨界流速達到20 cm/s。
圖2 是在20 cm/s的液體超臨界流速下4個軸向位置測得的對數平均化和時間平均化的徑向固體含率 (固體濃度) 分布圖。我們觀察到固體含率的級數並不隨著徑向位置的升高而呈顯著變化(最大變異是4%)，但隨軸向位置的變化而稍微下降(最大變異4%)。和柱壁比較而言，任何既定軸向位置的固體含率稍高於柱中部。這是壹個有趣的結果，因為在氣-固提升管中廣泛報道的是相反趨勢(Rhodes和Geldart, 1989; Rhodes, 1990)。這裏報道的固體含率分布的徑向梯度也更小。
圖3表示CARPT實驗中估計的固體流速場。圖3a是流速矢量圖, 該圖清楚地表明，從時間平均化的角度來考慮，固相有壹個內循環回路：固體在柱心上升並在柱壁上下降。圖3b表示柱中部四個位置的固體流速的時間平均化軸向成分也有相同的定量結果。有必要指出，柱壁上固體的下遊流速和上遊流體相比較有較小的數量級, 下遊總的固體質量仍然是令人滿意的(本實驗為9.6%)。柱的33cm高度處固體含率圖壹般來說是有序的。這個高度恰好位於柱中分配器和噴射器的上方(圖1),是混合區域的壹部分, 顯然比78 cm高度處有較低的固體含率。這也為CARPT的實驗結果所證實：圖3a 清楚地表明固體流速矢量的方向在該高度上是隨機取向的, 而柱中較高的位置則出現清晰的循環回路。因此，柱中33cm高度處的流體仍待斟酌，並且和柱的其他部分相比呈現明顯的偏離行為。用壹種新穎的方法， 提升管中固體殘留時間分布(RTD)可間接從CARPT數據計算得出。由於示蹤顆粒被認為是可重復循環進入提升管的典型分散系組分，其每次通過提升管在其中停滯的時間的分布是其RTD值。這些不間斷采集數據獲得的“殘留時間”被作成圖4中的柱狀圖。提壹個武斷的假說，這就給出了固相的RTD值。最後，在圖5中, 固體沿軸向的平均軸向流速被表示為液體超臨界流速的函數。不同條件下實驗表明，柱中線以及柱壁(下遊)的流速整體上都是增加的。當然，這也可能是由於通過相同區段的液相模量較高引起固相模量的增加導致了固體平均流速提高。純粹基於這些實驗，結果似乎表明隨著液體超臨界流速的加大固相流速有壹種趨於“飽和值”的傾向。然而，這些結果仍期待著未來進壹步的實驗來做強有力的驗證。
結論
直至今日，流化床和提升管的設計仍停滯在經驗法則的水平上。此類系統中的實際現象遠比作為設計程式基礎的啟發式近似算法獲得的結果要復雜的多。因此，液-固提升管的使用者和設計者可以從此類系統中的水動力學基本認識中獲得極大的啟發。當前的研究只是向同類實驗定量方面邁出了壹小步。在CREL（作者的實驗室）, 各種操作條件和使用不同粒徑的顆粒的提升管配置研究工作正在進展中。此類體系中的靜止現象研究也在未來的計劃中。數據將做進壹步的處理來計算固相的動力學能量、粘流剪切應力以及粘流分散系數。本研究努力的整體目標是了解影響液-固提升管效能的壹些關鍵變量，進而研究更基礎的按比例增大規律。我們期望我們的實驗數據能作為液-固提升管流體的計算機動態建模的基準。
圖表題目翻譯如下：
圖1. 液-固提升管的裝備圖紙
圖2. 20 cm/s液體超臨界流速下不同軸向位置的固體含率（濃度）分布
圖3. 20 cm/s液體超臨界流速下的固體流速場: (a) 流速矢量圖; (b) 軸向平均流速圖。
致謝（略）
參考文獻（略）