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力学行为、传热传质和化学反应的基本因素。了解气泡的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的小孔喷出后,分裂成气泡上浮。在上升的过程中,气泡倾向于聚集和增加,同时与周围的乳相进行热量和质量的交换。当气泡很大时,它们很容易被粒子打破。气泡上升到床面时破裂并消失。单个气泡的上升速度ubr (cm/s)与气泡直径db (cm)的1/2次方成正比,通常用以下公式表示:

ubr=K(gdb),

其中k为实验常数(约为0.711);g是重力加速度(厘米/秒)。气泡群的上升速度高于单个气泡的上升速度。

在横截面平坦的二维床中,当气泡填充在前后壁之间时,很容易用肉眼观察到气泡的行为。二维床的缺点是壁面效应太大,其中气泡运动与实际三维床(床径比气泡大的圆柱床)不同。

气泡模型1961 J. F. Davidson提出了流化床的气泡模型:气泡是球形的;气泡不含固体颗粒,压力均匀;气泡被向下移动并处于初始流化状态的乳液相包围;固体粒子沿着有电势的气泡运动;乳化相可视为不可压缩的粘性介质;气体在乳化相中的流动遵循缝隙间渗流定律。他导出了气泡周围的压力分布以及固体和气体的速度分布。根据气体可以穿透气泡壁的特性,他推断气泡周围会有气泡云(图6)。P.N .罗通过X射线摄影证实了气泡云的存在。如果UBR

戴维森模型基本正确,但计算的气体云太大。P. Jackson模型和J. D. Murray模型都是对Davidson模型的修正,得到的气泡云更接近现实。然而,这些模型都假设气泡是球形的,事实并非如此。由于气泡下侧的压力低于外部乳化液的压力,气泡底部呈凹形,在该区域产生一个湍流尾涡(图8),其体积约为气泡体积的1/3。尾涡中充满乳化相,并随气泡上升,这是床内固体颗粒混合的主要原因。

由于气泡的形成、运动和聚结,气泡与气泡云之间、气泡云与乳化相之间存在热量和质量的对流和扩散。这种相间交换是流化床强化传热、传质和反应的重要原因。

测量流化床中气泡行为的实验,大多采用微型探头来减少流化状态的干扰,例如:①光透射法:利用气泡和乳化相透光率的差异,将探头用包括光发射和接收的元件(如光纤)制成,插入床内进行检测;②电导法:如果固体颗粒具有良好的导电性,可以利用探针电阻的变化来检测气泡;(3)电容法:对于不导电的颗粒,由于气泡和乳化相的电容不同,采用由微小电极片组成的探头,间距约为10 mm进行检测。例如,使用多个探针或在一个探针上的不同位置安装探针,可以确定气泡的大小、频率、速度甚至形状;(4)热敏电阻法:由于牛奶的传热比气泡快,当探头处于牛奶相区时,其电阻会因温度的降低而增大,从而可以检测到气泡;⑤压电法:利用压电传感器检测气泡的方法;当压电传感器遇到气泡时,没有扰动,遇到乳化相时,由于颗粒的冲击,信号会发生变化。

此外,还有非接触式测量方法,如X射线法。它可以用来拍摄三维床中的气泡形状和尾涡。因为没有探头,不影响流化状态,但是由于功率的限制,穿透深度有限。

气流输送的固体颗粒被足够高速度的气流带走的现象。孔隙率小、床层密度大、固气比高的流动称为密相流动,如垂直管道向下排放、向下移动床、固体颗粒的密相气体输送、彭泡流化床及其溢流系统中的流动等。具有高气速、高孔隙率、低床密度和均匀固气分布的流动称为稀相流。例如,稀释气流中固体颗粒的输送、流化床表面上方分离空间中的流动等。

在垂直输气管道中,壅塞速度是密相输送和稀相输送的分界线。在输气管道固体流量不变的情况下,单位管长的压降是摩擦压降和支撑料柱重量的压降之和。当气速(通常用相当于空管的气速u0表示)较低时,摩擦压降较小,床层密度较高,因此支撑柱的压降也较大。气速高时,摩擦压降大,但支撑柱压降小。所以在这两种相反的作用下,会出现压降的最低点d。当气体速度低于对应于最低压降点的气体速度时,气流不再足以支撑密度增加的床。当气速降低到一定值时,管道内的物质会被堵塞,压降急剧增加。此时的气体速度称为壅塞速度(图9)。

在水平输气管道中,沉积速度是密相输送和稀相输送的分界线。假设输气管道中的固体流速恒定,当气速较高时,由于固体颗粒可以均匀分散在管道横截面上,所以压降随着气速的降低而降低。一旦气体速度下降到颗粒不能充分悬浮并开始沉积在管底部的程度,每单位管长度的压降达到最小值。如果气速继续降低,管内气体流道会因固体沉积而缩小,压降会随着气体流量的进一步降低而急剧增加。最低压降对应的气体速度称为沉积速度(图10)。

当垂直管内气体速度大于壅塞速度,水平管内气体速度大于沉积速度时,输送为稀相输送。其特点是气速高、压力低、输送量大、固气比低,但颗粒和管道磨损也严重。