方形气固湍动流化床中的动力学行为研究-博士论

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1、博士学位论文题目方形气固湍动流化床中的动力学行为研究作者曾涛完成日期2010年04月26日培养单位四川大学指导教师黄卫星祝京旭(Canada)专业化工过程机械研究方向多相流过程与设备授予学位日期2010年6月HYDRODYNAMICBEHAVIORSINASQUAREGAS-SOLIDTURBULENTFLUIDIZEDBED方形气固湍动流化床中的动力学行为研究(申请工学博士学位论文)作者：曾涛导师：黄卫星祝京旭(China)(Canada)四川大学化学工程学院2010年5月成都HydrodynamicBeh

2、aviorsinaSquareGas-SolidTurbulentFluidizedBedbyZengTaoADissertationSubmittedtoSichuanUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorinChemicalProcessMachinerySupervisors:Prof.HuangWeixing(SCU,China)Prof.ZhuJingxui(UWO,Canada)SichuanUnive

3、rsity,Chengdu,ChinaMay,2010摘要方形气固湍动流化床中的动力学行为研究专业化工过程机械博士生曾涛导师黄卫星教授，祝京旭教授湍动流态化作为一种传统的流态化，广泛应用于各种过程工业，特别是化工和冶金过程中。湍动流态化因实验测试工作的不足或缺乏系统性导致的对某些基本问题认识的不一致性，还不能与湍动床的工业应用与放大设计相适应。本文通过压力梯度波动偏差和光学纤维探针的测试，对方形流化床中的总体流动结构和局部流动结构进行了研究，为湍动流态化流体力学的建模和设计提供指导。本文以在较宽的操作条件范围

4、内，采用孔板式分布器，对FCC颗粒，在静床高度在0.9m和1.2m的368×368mm的方形流化床实验装置上的实验数据为基础，详细分析了压力梯度波动标准偏差、局部颗粒浓度和局部颗粒速度的分布。从总体流动结构和局部流动结构出发，揭示了流体从鼓泡流态化到湍动流态化的转变。结果表明压力梯度波动标准偏差随表观气速变化表现出明显的转折点，但不同床层截面转折点对应的转变速度不同，总是在床层的上表面首先发生；在同一水平面，总是在床层中心首先发生。说明流化床内流型的转变不仅在床层高度上，而且在水平方向都是一个渐变的过程；转变

5、速度与床高呈线性增加关系。局部颗粒浓度和颗粒速度的测量结果显示，随着表观气速的增加，局部颗粒浓度和局部颗粒速度的变化均分三个阶段，其中表观气速在0.7~0.9m/s左右时，颗粒浓度和颗粒速度都处于基本稳定的阶段。同时在床层中心颗粒浓度最低，边壁颗粒浓度最大，而在床层中心颗粒速度最大，在边壁颗粒速度最小。也说明了床内流型的转变首先在中心发生。颗粒浓度概率分布曲线表明在不同的表观气速下都会出现两个峰值，分别代表了低浓度区域的鼓泡相和较高浓度区域的密相。表观气速在0.06m/s左右时，床层以密相床为主。随着表观气速

6、的增加，鼓泡相区增大而密相区减少，两波峰在中间区域（l/L=0.498~0.806）基本接近。当表观气速超过转变速度后，概率分布广且变化连续，在鼓泡相和密相之间的界线变得模糊，说明床内原来的两相流已被打破。同时沿边壁的变化较中心平稳，说明表观气速对边壁的影响较小。从鼓泡流态化到湍动流态化的转变过程中，通过局部颗粒浓度标准偏差，得到刚开始进入湍动流态化的速度（U1）和完全进入湍动流态化时的速度（U2）。说明整个转变过程是一个逐步的发展过程，同时越靠近边壁附近这个转变过程持续的时间越长；压I四川大学博士学位论文力

7、梯度波动标准偏差是气泡相行为，而颗粒浓度的变化反映了密相的转变，同时转变的时间较气泡相更长；只由压力梯度波动来确定从鼓泡流态化到湍动流态化的转变是不充分的。转变速度不仅与床层高度有关还与水平方向位置有关。静床高度对转变速度、局部颗粒浓度和局部颗粒速度都有影响。随着静床高度增加，床层轴向各截面转变速度Uc表现出同步增加。静床高度越大，局部颗粒浓度和局部颗粒速度的分布越紊乱，同时在相同的表观气速下，相同位置静床高度大的颗粒浓度更大，颗粒速度更低。现有的转变速度预测模型没有考虑静床高度的影响，其定量的研究值得进一步

8、的探讨。大量数据的分析表明，在圆形流化床和方形流化床中转变速度的变化规律、颗粒浓度的概率分布规律相同；水平方向和轴向颗粒浓度、颗粒速度的变化趋势也基本一致，均是在床层中心首先发生转变。在相同的表观气速下，颗粒浓度和颗粒速度的变化值与流化床的横截面积、形状和静床高度等因素有直接关系。在方形流化床中边角效应明显，在边壁颗粒浓度和颗粒速度变化都不大，在边壁处没有出现流型的转变。这可能是在方形边角形成了二次