气_液_固三相循环流化床局部相含率分布

实验在如图 1 所示的 GL S TCFB 系统中进行 . 该系统由 3 个主要部分组成 , 即上升段 、气2液2固 分离器和固体颗粒循环部分 . 上升段为内径 150 mm 、高 3500 mm 的垂直有机玻璃塔 . 无油空气 为气相 , 水及 01 05 % 、01 20 % ( 质量 ) SCM C 水
Distribution of local p ha se holdup s of ga s2liquid2solid thre e2p ha se circulating fluidize d beds
CAO Changqing , LIU Mingyan , WANG Yiping , QIN Xiuyun , HU Zongding
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化 工 学 报
第 56 卷
混合 , 增加单位面积反应器产量 , 同时 , 高的剪切 应力还能提高生物膜更新 . 然而 , 到目前为止 , 三相循环流态化领域的研 究结果与传统流化床相比仍较少 . Liang 等 [ 3 ,4 ] 在 循环流型中 , 建立了统一尾涡模型 , 预测了相含率 分布 . 韩社教等[ 5 ] 对 GL S TCFB 气 、固相含率沿 轴 、径向分布进行了实验研究和模拟 . Yang 等[ 6 ] 对 GL S TCFB 液相流结构和返混特性进行了实验研 究 . J ames 等[ 7 ] 对循环流化床气相速度波动进行了 研究 . 过去的研究工作 , 采用水为液相 , 玻璃珠为固 相 , 而生物化工所应用的液相介质的黏度相对较 大 , 当小或轻颗粒在较高黏度液体介质中被流化 时 , 上面研究成果的应用受到限制 . 另外 , 过去研 究工作对床层平均相含率等参数已有很好的研究 , 而对三相局部含率轴径向分布的研究报道很 少 [ 8 ,9 ] , 这主要因为三相局部含率测试技术的缺乏 所致 . 本文采用自行开发的微电导探针技术 , 同时测 得三相流化床各相局部含率 . 研究了在不同操作条 件和不同液体黏度下 , 各相局部含率轴径向分布规 律 . 在此基础上 , 将局部固含率和局部气含率关联 成操作条件 、流体物性及轴径向位置的函数式 , 从 而进一步揭示 GL S TCFB 的内在规律 , 并为工业反 应器的设计提供基础实验数据 .
1 实验装置和测试方法
11 1 实验装置
Fig1 1 Schematic diagram of experimental apparat us
1— conductivity probe ; 2 — conductivity2meter ; 3 — A/ D transfer card ; 4— AS T/ 386 comp uter ; 5 — test section ; 6 — gas dist ributor ; 7— liquid dist ributor ; 8 — secondary liquid dist ributor ; 9— air flow2meter ; 10 — buffer tank ; 11 — air co mp ressor ; 12 — particle metering tank ; 13 — passage2way for particle ; 14 — butter valve ; 15 — particles reservoir ; 16 — liquid flow2meter ; 17 — liquid reservoir ; 18 — cent rif ugal p ump ; 19 — filter ; 20 — liquid2solid separator ; 21 — secondary liquid2solid separator
引 言
气2液2固三相循环流化床 ( GL S TCFB ) 除了
具有传统三相流化床的优点外 , 还具有自身独特的 优点 . 如三相流化床生物反应器通常用一些轻和小 的固体颗粒 [ 1 ] , 循环操作不仅能够提高固相的充分
2004 - 10 - 14 收到初稿 , 2005 - 02 - 04 收到修改稿 .
) , 男 , 副教 联系人 : 刘明 言 . 第 一作 者 : 曹 长青 ( 1965 —
Received date : 2004 - 10 - 14.
Corre sponding author : L IU Mingyan. tju1 edu1 cn
E - mail : myliu @
ห้องสมุดไป่ตู้
授 , 博士研究生 .
Table 1 Physical properties of three phases and operation conditions
Physical properties Phases ) air (20 ℃ ) water (20 ℃ 01 05 %( mass) SCMC 01 20 %( mass) SCMC glass beads st yrene resins Fluid densit y ρ / kg ・ m- 3 11 2 9981 2 9971 4 9991 2 2460 1264 721 0 761 23 721 17 51 87 11 25 01 48 11 45 Surface tension σ m- 1 l / mN ・ Sedimentation rate Average diameter ut × 10 2 / m ・s - 1 d× 10 3 / m Operation conditions Fluid viscosit y μ× 10 5 / Pa ・ s 11 81 1001 5 3321 2 18171 6 Fluid velocit y u/ cm ・ s- 1 0— 61 8 0— 121 5 0— 121 5 0— 121 5
[2 ]
溶液为液相 , 玻璃珠 ( dp = 01 48 mm , ρ s = 2460 kg ・ - 3 ) ( ρ m 和苯乙烯树脂 dp = 11 45 mm , s = 1264 kg ・ - 3 ) m 为固相 . 用离心泵从储槽将液体分两股引入流化床 . 一 股称为主流体 , 从塔底进入 ; 另一股称为辅助流 体 , 从低于颗粒入塔口位置进入上升段 . 多孔板置 于固体颗粒入口和辅助流体入口之间 , 用于辅助流 体的合理分布 , 以减小固体颗粒的运动阻力 , 增加 颗粒的循环 . 液体分布器和气体分布器详细结构尺 寸见文献 [10 ]. 固体颗粒从床的顶部加入 , 在气2 液分离器中分离 , 固体颗粒返回到颗粒储槽 . 通过 一定时间间隔 , 测量计量槽中颗粒的收集量来确定 颗粒的循环速率 U d . U d 通过调节主流体和辅助流 体流量比得到控制 . 实验体系物性与操作条件见表 1.
第 56 卷 第 11 期 2005 年 11 月
化 工 学 报 Vol1 56 No1 11 Journal of Chemical Indust ry and Engineering ( China) November 2005
研究论文
气2液2固三相循环流化床局部相含率分布
曹长青 , 刘明言 , 王一平 , 秦秀云 , 胡宗定
( 天津大学化工学院 , 天津 300072)
摘要 : 应用自行开发的微电导探针测试技术 , 以玻璃珠 ( dp = 01 48 mm , ρ m - 3 ) 和苯乙烯颗粒 s = 2460 kg ・ - 3 ( dp = 11 45 mm , ρ m ) 为固相 , 空气为气相 , 水及 01 05 % 、01 20 % ( 质量) SCMC ( 羧甲基纤维素 s = 1264 kg ・ 钠) 水溶液为液相 , 对三相循环流化床 ( TCFB) 的各相局部含率进行了同时测定 . 考察了不同表观液体速度 、 辅助液体速度 、液体黏度及颗粒密度对局部相含率轴径向分布的影响 . 在不同操作条件下 , 获得了 1286 套局部 相含率实验数据 . 给出了局部固含率和局部气含率与操作条件 、流体物性及床层轴径向位置的关联式 , 关联式的 计算值与实验值吻合较好 . 关键词 : 气2液2固三相循环流化床 ; 微电导探针 ; 局部相含率 ; 轴径向分布 ; 局部相含率关联式 中图分类号 : O 359 文献标识码 : A 文章编号 : 0438 - 1157 ( 2005) 11 - 2089 - 07
( S chool of Chemical En gi neeri n g an d Technolog y , Ti an j i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na)
Abstract : Local p hase holdup s in gas2liquid2solid t hree2p hase circulating fluidized beds wit h glass beads ( dp = 01 48 mm , ρ m - 3 ) and st yrene resin ( dp = 11 45 mm , ρ m - 3 ) as solid p hases s = 2460 kg ・ s = 1264 kg ・ were measured simultaneo usly by t he imp roved micro2co nductivit y p ro be technique wit h air as gas p hase and water and 01 05 % ( mass ) , 01 20 % ( mass ) SCMC as liquid p hases under a wide range of operating co nditio ns1 The axial and radial dist ributio ns of local p hase holdup s were st udied under different operating co nditio ns , liquid visco sit y values and particle densit y values. 1286 set s experimental data were o btained. Correlatio ns of local solid holdup and gas holdup as a f unctio n of operating co nditio ns and fluid p hysical p roperties as well as axial and radial distances were established respectively1 The calculated local solid holdup and gas holdup dist ributio n p rofiles were co mpared wit h t ho se measured by t he micro2co nductivit y p ro be technique. The correlatio ns co uld describe well t he dist ributio n of local solid holdup and gas holdup o bserved experimentally. Key words : t hree2p hase circulating fluidized bed ; micro2elect rical co nductivit y p ro be ; local p hase holdup ; axial and radial dist ributio n ; correlatio ns of local p hase holdup