流态化的流化床中的气泡
在气-固流态化系统中,气泡是影响流化床中气-固两相的力学行为、传热、传质和化学反应的基本因素,了解气泡运动规律是掌握流态化技术的重要前提。
气泡运动 气体从分布板小孔中喷出后,分裂成气泡浮升而上。气泡在上升途中易聚并增大,同时与周围的乳相进行热、质交换。气泡大了,就容易被粒子侵入而碎裂。气泡上升到床面就破裂而消失。单气泡的上升速度ubr(厘米/秒)与气泡直径db(厘米)的1/2次方成比例,通常用下式表示:
ubr=K(gdb),
式中K为实验常数(约0.711);g为重力加速度(厘米/秒)。气泡群的上升速度比单气泡上升速度大。
在横截面是扁形的二维床中,气泡充塞前后两壁间,用肉眼容易观察气泡的行为。二维床的缺点是壁效应太大,其中气泡运动与实用的三维床(床径较气泡为大的圆柱床)中气泡的运动情况不同。
气泡模型 1961年J. F. 戴维森提出流化床的气泡模型:气泡呈球形;泡内不含固体颗粒且压力均匀一致;气泡周围是向下运动并处于起始流化状态的乳相;固体颗粒沿气泡作有势运动;乳相可看作是不可压缩的粘性介质;气体在乳相内的流动服从空隙间渗流的规律。他由此导出气泡周围的压力分布以及固体和气体的速度分布。他又根据气体可透过泡壁的特点,得出在气泡周围会有一层气泡云的结论(图6)。P. N. 罗用X射线照相证实了气泡云的存在。如果ubr<uf,uf为乳相中的气速,则气体自泡壁下侧穿入,从上侧穿出,不生成气泡云(图7);如果ubr>uf,气体在压差作用下,自泡壁下侧穿入,但气体自上侧穿出后会重新沿气泡周围返回气泡底部,形成一层跟随气泡运动的气泡云,其中的空隙率被认为与乳相中的相同。在三维床中求得气泡云的半径rc为:,式中rb为气泡半径,a=ubr/uf。当ubr>uf时,气泡云将随气泡速度的增加而减薄。
戴维森模型基本正确,但算得的气抱云偏大。P. 杰克孙模型和J. D. 默里模型都是对戴维森模型的修正,所求得的气泡云较接近实际。但这些模型都假定气泡为圆球形,而实际上并不如此,因气泡下侧的压力比泡外乳相的压力低,故气抱底部内凹,并在这一区域生成扰动较剧烈的尾涡(图8),其体积约为气泡体积的1/3左右。尾涡中充满乳相并随气泡上升,成为床内固体粒子混合的主要原因。
由于气泡的生成、运动和聚并,在气泡和气泡云之间以及气泡云和乳相之间,都存在着热和质的对流和扩散传递。这种相间交换是流化床中传热、传质和反应得到强化的重要原因。
气泡的测定法 测定流化床中气泡行为的实验大多使用微小探头以求减少对流化状态的干扰,例如,①透光法:利用气泡与乳相透光度的不同,用包括发光和接收光的元件(如光导纤维)制成探头,插入床中进行检测;②电导法:若固体粒子具有较好的导电性,可用测量探头电阻的变化来探测气泡;③电容法:对于非导电性的粒子,因气泡和乳相电容不同而采用相隔约10毫米的微小电极片所构成的探头来检测,如用多探头或在一个探头上装有多数不同位置的探针,便可测定气泡的大小、频率、速度甚至形状;④热敏电阻法:由于乳相比气泡传热快,所以当探头在乳相区时,其电阻将因温度降低而增高,从而可探测气泡;⑤压电法:一种利用压电传感器检测气泡的方法;压电传感器遇到气泡时,无扰动,遇到乳相时,将因粒子的撞击而使信号改变。
此外,还有不接触的测量方法,如X射线法。它可用于拍摄三维床中气泡的形状和尾涡等。由于不用探头,故不影响流化状态,但由于功率所限,能透过的深度有限。
气流输送 固体粒子被流速足够高的气流所带走的现象。空隙率小、床密度高、固-气流量比高的流动称为密相流动,例如垂直管中的向下卸料,向下流动的移动床、固体颗粒的密相气流输送,彭泡流化床及其溢流系统中的流动等都是。气速高、空隙率大、床密度低、固气分布均匀的流动称为稀相流动。如固体颗粒的稀相气流输送、流化床面以上的分离空间中的流动等都是。
在垂直气输管中,噎塞速度是确定密相输送和稀相输送的分界。在气输管的固体流率不变的条件下,单位管长的压降是摩擦压降和支持料柱重量的压降两部分之和。当气速(通常用相当于空管时的气速u0表示)低时,摩擦压降小,床层密度大,因而支持料柱的压降也大,当气速高时,摩擦压降大,但支持料柱的压降小。因此,在这两种相反的效应作用下,会出现压降的最低点D。当气速低于与此最低压降点相对应的气速时,气流已不足以支持密度增大了的床层,当气速减小到某一数值,就会造成管内物料阻塞、压降陡增的现象,这时的气速称为噎塞速度(图9)。
在水平气输管中,沉积速度是确定密相输送和稀相输送的分界。假定气输管内的固体流率不变,当气速高时,因固体颗粒能在管截面上均匀分散,故压降随气速下降而减小。一旦气速下降到不足以使颗粒充分悬浮,而开始向管底沉积时,单位管长的压降达到最小。若气速继续下降,则管内气流通道因固体沉积而缩小,压降随气流的进一步减小而剧增。相应于压降最低点的气速称为沉积速度(图10)。
垂直管中气速大于噎塞速度和水平管中气速大于沉积速度时的输送均为稀相输送。其特点是气速高,压降低,输送能力大和固-气比小,但颗粒和管道的磨损也较严重。