《Powder Technology》:Minimum fluidization velocity determination based on pressure drop across the distributor
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基于 distributor 壓力降的新方法用于確定氣固流體化床的最小流體化速度,研究揭示了顆粒尺寸、床高徑比和 distributor 開孔比對 Umf 的影響,該方法在高床載荷下較傳統床壓降法更具準確性。
王 Tsuo-Feng | 徐 Ping-Chun | 徐 Wan-Yi | 黃 An-Ni | 郭 Hsiu-Po
臺灣國立大學化學工程系,臺北 106319,臺灣
摘要
最小流化速度(Umf)是氣固流化床操作中的一個關鍵參數。傳統的確定Umf的方法基于床層上的氣體壓降與表觀氣體速度之間的關系,但這些方法受床層條件的影響,導致在高床層負荷下難以準確識別Umf。鑒于分配器壓降對氣體流動變化的敏感性較高,并且能夠直接反映固定床向流化床過渡過程中分配器上方局部床層孔隙度的變化,本研究提出了一種基于分配器壓降來確定Umf的新方法。研究了顆粒大小、床層重量和分配器開孔比對所提方法確定Umf的影響。與傳統基于床層壓降的方法相比,基于分配器壓降的方法能夠更清晰地識別從固定床到流化床過渡區域的Umf。該方法在高床層負荷和具有高開孔比的分配器情況下尤為有效。
引言
氣固流化床是一種高效的異質接觸單元,具有出色的傳質和傳熱性能,在工業中已廣泛應用了一個多世紀。流化床的工作原理是讓氣體向上流經固體顆粒層,通過調節氣體速度來平衡流化開始時作用在顆粒上的各種力,包括氣體阻力、重力、浮力以及顆粒間的相互作用。流化開始時的表觀氣體速度(Us)對應于最小流化速度(Umf)。Umf是流化床操作中的一個關鍵參數,因為它代表了允許的操作氣體速度的下限。當U< />Umf時,顆粒仍處于固定床狀態,此時床層壓降(ΔPB)隨U< />的增加而呈二次方增長,這由Ergun方程描述。當U< />Umf時,氣體阻力和浮力足以克服顆粒的自身重量和顆粒間的相互作用力,使顆粒容易流化,此時ΔPB對U< />的依賴性減弱。因此,通常通過測量ΔPB作為U< />的函數來確定Umf,因為在流化開始時ΔP< />對U< />的依賴性會突然發生變化,而在失流化過程中這一變化更容易測量[1]。根據基本顆粒和流體性質,已經提出了幾種實驗推導的經驗關聯式來估算Umf。最常用的公式總結在表1中[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。盡管這些關聯式在數學形式和擬合常數上有所不同,但大多數可以表示為以下統一形式:其中ρp和ρg分別為顆粒和流體的密度;dsv是床層顆粒的等效球體直徑;μg是流體粘度;g是重力加速度。系數C1和C2是從實驗中確定的經驗常數,其值取決于顆粒特性,如顆粒形狀、顆粒類型和床層結構。
然而,方程(1)、(2)和(3)中給出的經驗Umf關聯式并未考慮床層高度與直徑的比值[13], [14]以及分配器板的設計[15], [16], [17], [18]。床層高度與直徑的比值和分配器板的特性(例如設計、厚度、孔徑等)都會影響Umf[19], [20],因為它們顯著影響分配器上的壓降(ΔPdistributor[21]。因此,在固定床向流化床的過渡過程中,ΔPdistributor對U< />的依賴性很強,這表明與基于ΔPB的傳統方法相比,測量ΔPdistributor可能提供了一種確定Umf的替代方法。然而,這種可能性尚未得到系統研究。本研究旨在利用ΔPdistributor開發一種新的Umf確定方法。提出了兩種基于ΔPdistributor的Umf確定方法,并將這些方法應用于不同操作條件下的Umf測定,包括兩種顆粒尺寸、五種床層高度與直徑的比值以及四種類型的穿孔分配器板。
實驗方法
圖1(a)展示了三維氣固流化床系統的配置。流化床由兩個內徑(D)為110毫米、高度(H)分別為700毫米和100毫米的透明亞克力圓筒組成,它們通過法蘭連接。如圖1(b)所示,在下圓筒法蘭的頂部加工了一個直徑為120毫米、深度為2毫米的凹槽,用于固定分配器。壓力測量探頭安裝在距離分配器下方15毫米的位置。
結果與討論
圖4(a)和4(b)展示了使用分配器1和3,在床層重量為0.88千克的情況下,Glass bead 1和Glass bead 2的ΔPtotal與U< />之間的關系。圖中用星號標出了Umf_vis及其對應的數值。在25°C的環境空氣條件下( = 1.849×10?5千克/米·秒, = 1.184千克/立方米),Glass bead 1和Glass bead 2的Umf_cal分別為0.263米/秒和0.596米/秒[2],這些數值也顯示在圖中。
結論
本研究系統評估了利用分配器壓降測量確定最小流化速度(Umf的適用性,并將結果與使用傳統床層壓降方法、視覺觀察和經驗關聯式得到的結果進行了比較。結果表明,在流化條件下,整體床層壓降主要受床層重量控制,其對顆粒大小的依賴性可以忽略不計。相比之下,在
CRediT作者貢獻聲明
王 Tsuo-Feng:撰寫 – 審稿與編輯,撰寫 – 原稿,可視化,驗證,形式分析,概念構思。徐 Ping-Chun:可視化,方法論,研究,形式分析,數據管理。徐 Wan-Yi:方法論,研究,概念構思。黃 An-Ni:驗證,監督,概念構思。郭 Hsiu-Po:撰寫 – 審稿與編輯,驗證,監督,項目管理,資金獲取,概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
我們感謝以下組織提供的財政支持:臺灣國家科學技術委員會 [NSTC 114-2221-E-002-026-MY3; 114-2221-E-002-027-MY3; 114-2221-E-011-147];以及臺灣國立大學 [15 L890703; 115 L8507]。