空气重介质流化床压降计算模型研究

作者： 冯祥[1,2,3];周涛[1,2,3];李子超[1,2,3];姜华伟[4];石顺[1,2,3];闫新[5]
作者机构： [1]华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;[2]华北电力大学核热工安全与标准化研究所,北京102206;[3]非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京102206;[4]青岛大学,山东青岛266071;[5]内蒙古华电蒙东能源有限公司,内蒙古通辽028000
出版物刊名： 科技创新与应用
页码： 39-41页
年卷期： 2018年 第25期
主题词： 流化床;压力波动;驻波模型;频率预测
摘要：流化床内颗粒运动是以波动为特征的, 研究压力波动对了解流化床中气固两相流动机制具有重要作用.对流化床颗粒波动数学建模, 然后进行编程计算, 并与收集的实验数据相比较.可以发现： 预测频率仅依赖于床高和床径, 与流体的密度无关; 对于同样几何尺寸的床层, 节涌频率一般低于飞溅频率; 尽管床波动的激发起源于气泡, 但波动频率受到表面波的控制.。

基于Euler-Euler模型的空气重介质流化床密度分布特性贺靖峰;赵跃民;何亚群;骆振福;段晨龙;葛林瀚;孙启潇【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2013(038)007【摘要】以Geldart B类磁铁矿粉为主体加重质,采用试验测量与基于Euler-Euler 多相流模型的数值计算相结合的方法,考察流化床沿床层高度方向和轴向的密度分布特性.结果表明:当操作气速控制在1.50Umf≤U≤2.20Umf时,床层密度沿床层高度方向与轴向位置的分布范围分别为1.95～2.10 g/cm3与2.00 ～2.10 g/cm3,两者的密度标准差均小于0.20 g/cm3.其中,轴向密度稳定性要高于床高方向密度稳定性,因此在实际分选过程中要侧重保持沿床高方向的密度波动性最小,进而提高流化床三维空间内的密度均匀稳定性,试验测量与数值模拟结果基本吻合.【总页数】6页(P1277-1282)【作者】贺靖峰;赵跃民;何亚群;骆振福;段晨龙;葛林瀚;孙启潇【作者单位】中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116;中国矿业大学化工学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TD94【相关文献】1.空气重介质流化床流化特性及密度梯度分布研究 [J], 张翠玉2.空气重介质流化床压降计算模型研究 [J], 黄伟;骆振福;庄宏乾3.空气重介流化床密度的数学模型 [J], 黎浩明;杨毅4.空气重介质流化床分选技术：（Ⅲ）有能量引入的空气重介流化床分选技术 [J], 刘有智;张济宇5.空气重介质流化床的双流体模型及其数值验证 [J], 管玉平;徐守坤;陈清如;赵跃民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

摘要：利用旋转法对空气重介质流化床的床层黏度进行研究，分析影响流化床床层黏度的因素，建立床层黏度与影响因素的数学模型。

结果表明：流化床床层黏度随着加重质磁铁矿粉平均粒度的增大而增大，随着流化气速的增大而减小，随着床层高度及重介质水分含量的增大而增大；当煤粉质量分数大于12%时，床层黏度明显增大，煤粉质量分数为17%时，气-固两相流的流动性变差。

关键词：空气重介质流化床；床层黏度；磁铁矿粉中图分类号：TQ021.1,TD91文献标志码：A文章编号：1008-5548（2014）05-0010-05Research on Viscosity of Air Dense MediumFluidized BedJI Yonghua 1,QIN Bingke 1,ZHAO Yuemin 2,LUO Zhenfu 2(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China ；2.School of Chemical Engineering and Technology,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221008,China)Abstract ：The viscosity of air dense medium fluidized bed was measured by the method of rotation.The factors influencing the viscosity of fluidized bed were analyzed.The mathematical model between those factors and the viscosity was proposed.The results indicate that the bed viscosity increases with an increase in mean particle size,decreases with an increase in gas velocity,and increases with the increase of bed height and moisture content.When the mass fraction of coal powders is larger than 12%,the bed viscosity significantly increases.When the mass fraction of coal powders is 17%,the bed fluidization becomes poor.Key words:air dense medium fluidized bed;viscosity of fluidized bed;magnetite powder空气重介质流化床干法选煤技术具有不用水、污染小、投资少、分选精度高、密度调节范围宽等特点，受到广泛关注。

流化床干燥设备中风阻与压降的研究与优化流化床干燥设备是一种广泛应用于化工、制药、食品等工业领域的干燥设备。

在流化床干燥过程中，风阻和压降是两个重要的参数，直接影响着设备的干燥效果和能耗。

因此，研究和优化流化床干燥设备中的风阻和压降对于提高设备性能和降低能耗具有重要意义。

首先，我们需要明确流化床干燥设备中的风阻和压降的含义。

风阻是指气流通过床层或设备时所受到的阻力，其大小与流体的黏性、床料的密度、颗粒物的形状和相对湿度等有关。

压降是指气流在设备中通过各个部分时所产生的压力损失，其大小与设备内部结构、气体流速和床料的颗粒大小等相关。

风阻和压降的研究和优化有助于减少能耗，提高干燥效果，降低设备的维护成本。

在流化床干燥设备中，风阻和压降主要受到以下影响因素的影响：1. 床料的性质：床料的密度、颗粒大小和形状等会直接影响到风阻和压降的大小。

密度较大、颗粒较小、形状较规则的床料会导致较高的风阻和压降。

2. 气体流速：气体流速是决定风阻和压降大小的重要因素。

当流速过高时，会增加摩擦阻力，导致较大的风阻和压降。

3. 设备内部结构：设备内部结构的设计合理与否直接影响到气流的运动和床料的混合程度。

合理的内部结构可以减小风阻和压降。

针对上述影响因素，我们可以进行一系列的研究和优化来减小流化床干燥设备中的风阻和压降，提高设备的性能和能效。

具体可采取以下措施：1. 优化床料的选择：选择适合的床料，如密度较小、颗粒较大、形状较规则的床料，可以减小风阻和压降。

此外，也可以通过改变床料的组成和比例来减小风阻和压降。

2. 调整气体流速：合理控制气体的流速，防止流速过高导致较大的风阻和压降。

可以通过改变风机的转速、调整风门开度等方式来实现。

此外，也可以采用多级风机或增加风机数量来降低风阻和压降。

3. 设备结构的改进：通过对流化床干燥设备的内部结构进行改进，如优化气体分布板的形状和布局，增加混合器的数量和大小，减小气流的阻力，降低风阻和压降。

气-液-固自然循环流化床中的流动特性和压降齐国鹏;姜峰;赵燕禹;赵国华;周震;李修伦【摘要】A fluidized-bed evaporator for gas-liquid-solid natural circulation was set up to research the flow and distribution of solid particles and pressure drop of liquid-solid two-phase flow in a heating pipe bundle. With CCD image collecting and processing system,the influences of the particle kinds,particle holdup and additive air amount were studied. The experimental results show that air inlet positions have much effect on the distribution of solid particles in the heating pipe bundle. The form of moving and fluidization of solid particles in up-channel is different from that in down-channel. In up-channel,solid particles make circulating movement with the central part rising and perimeter dropping. As the density decreases,the distribution of solid particles in up-channel gradually becomes uniform. In down-channel,solid particles form two big whirls at both sides of the central axis. As additive air amount increases,the rotation rate of whirls increases. When the air is input from the up-channel,the pressure drop of liquid-solid two-phase flow in the heating pipe bundle increases with the increase of particles holdup and air amount. The pressure drop model of liquid-solid two-phase flow in the heating pipe bundle has been set up,and the calculated data agree well with the experimental results.%建立了气-液-固冷模多管自然循环流化床蒸发器,利用CCD图像采集和处理系统,研究了固体颗粒的种类、含率和通气量等操作参数对于固体颗粒的流化和运动形态、分布以及加热管束中液-固两相流压降的影响.结果表明:通气位置对于固体颗粒在加热管束中的分布影响较大.在上、下管箱中,固体颗粒的运动和流化形态不同.在上管箱中,固体颗粒形成中心上升、四周下降的循环运动,并且随着其密度的降低,固体颗粒在上管箱中的分布逐渐趋向均匀;在下管箱中,固体颗粒在中心轴的两侧形成两个大的旋涡,旋涡的旋转速度随着通气量的增加而增大.当气体从上管箱加入时,加热管束中液.固两相流的压降随着固体颗粒加入量和通气量的增加而增大.利用实验数据建立了加热管束中液.固两相流的压降模型,模型结果与实验数据吻合较好.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2009(042)010【总页数】7页(P901-907)【关键词】气-液-固;自然循环;循环流化床;压降【作者】齐国鹏;姜峰;赵燕禹;赵国华;周震;李修伦【作者单位】天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津职业大学环境生物工程学院,天津,300402;天津职业大学环境生物工程学院,天津,300402;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1;TQ021.3气-液-固三相流防、除垢和强化传热技术的研究已开展多年，在实验室研究[1-9]和工业化应用[10-11]方面都已经取得了一定的成果，积累了一定的经验．但是由于技术本身的复杂性和工业化过程中存在着较多的问题，使得该技术还有许多可待研究和完善之处，其中包括多管循环流化床内相的流动、分布和压降；自然循环操作时循环速度的计算和颗粒合理用量的确定；载气的加入方法和用量以及一些突发性的问题等．针对上述问题，建立了一套冷模透明多管循环流化床蒸发装置，通过较为系统的可视化研究，分析自然循环条件下，固体颗粒的种类和加入量以及通气量等因素对颗粒的流动、分布和多相流压降的影响，定性和定量地分析颗粒的流动和分布规律，为建立三相循环流化床蒸发器中压降的合理计算模型以及三相流防、除垢技术的工业化应用奠定基础．1.1 实验装置与流程实验装置为冷模透明多管循环流化床蒸发器，装置流程如图1所示．首先向装置中加入液相流体到指定液位，然后加入一定量的固体颗粒．空气由压缩机输入后，经气体分布器，进入上管箱上方的循环管内，造成装置左侧上升管和右侧下降管内多相流体的密度差，使装置内形成气-液-固三相流自然循环．气-液-固三相流到达分离器后，气相和液、固两相分开．气相由分离器顶部排出，液-固两相流经循环管进入加热室，进行装置内的循环流动．为便于可视化研究，整套装置由有机玻璃制成．加热室采用“薄片模型”，即 9根加热管呈“一”字形排列在管箱中，如图2所示．加热管长0.6,m，内径34,mm，壁厚为3,mm，管间距为管外径的 1.25倍．矩形管箱长 460,mm，宽50,mm．在上、下箱上开有测压口，与 U管压差计相连．此外，上管箱和下管箱底部的循环管上各装有气体加入口．以加入的固体颗粒体积占蒸发器中液相体积的百分数来计算，固体颗粒的加入量分别为 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%．1.3 参数测量及数据处理方法(1)空气加入量采用转子流量计进行测量，型号为LZB-40，量程为4～40,m3/h，精度为1.5%．(2)流体循环速度采用均速管进行测量，公称压力为1.0,MPa．(3)加热管束中液-固两相流的压降采用 U管压差计来进行测量，指示液为CCl4．(4)固体颗粒的运动和分布采用 CCD图像采集和处理系统进行测量．对采集的图像数据采用相应软件进行处理后，最终得到固体颗粒的含率，数据处理步骤如图3所示．2.1 颗粒流动形态的观测与分析2.1.1 通气位置对颗粒流动和分布的影响实验结果表明，由上管箱通气时，在不同的气量、颗粒种类和用量下，加热管束中颗粒的分布均较为均匀，如图 4(a)和(b)所示；然而，由下管箱通气时，空气在管束中的分布极不均匀，绝大部分空气由管束右侧(靠近下行床的一侧)的加热管进入上管箱，如图4(c)所示．空气分布不均造成了不同加热管中颗粒含率和速度的不均．在有大量空气通过的加热管中，颗粒随高速气流迅速向上运动到达上管箱．在上管箱中，颗粒在气流的扰动下做杂乱无章的运动，大部分颗粒被携带到上管箱上方的循环管中，少量颗粒经由几乎没有空气通过的左侧加热管向下运动返回下管箱．这样，部分颗粒就在加热室内形成内循环．由此可见，通气位置对于加热管束中颗粒分布的影响很大，而这种影响主要是由下管箱中的流场造成的．因此当由下管箱通气时，应设计和安装适当的分布板，以调整流场，达到颗粒在管束中的均匀分布．2.1.2 水平管两相流中颗粒的运动形态循环流化床底部水平管中为液-固两相流，如图5所示，对于此部分，当颗粒加入量一定，且颗粒已在整个床中形成正常循环时，若通气量较小，则颗粒一部分悬浮在流体中，随流体循环；另一部分则沉积在水平管的底部，贴着壁面向前运动．随着气量增大，颗粒运动速度加快，沉积在底部的颗粒量越来越少，逐渐从壁面转移到流体中．当气量达到一定程度时，颗粒完全悬浮起来．颗粒流化形态的改变，源于循环速度的变化．气量增大，循环速度和流体的湍流程度增加，流体对颗粒的曳力和搅动增大，使颗粒逐渐脱离壁面，随流体悬浮流动．了解底部水平管中固体颗粒的流化形态随操作参数的变化，对于确定三相循环流化床蒸发装置中颗粒的合理用量非常重要．对于水平管中不同颗粒在不同条件下的完全流化速度，将进一步进行研究．图5中颗粒为聚甲醛，其加入量为1.5%．2.1.3 加热室下管箱中颗粒的流动形态当由上管箱通气时，在下管箱的液-固两相流中，颗粒的集团运动呈现出两个大的旋涡，如图 6所示．两个旋涡分别位于下管箱的左、右两侧(其中靠近下行床一侧为右)，大小尺度相当，但是所含颗粒量不同，右侧旋涡所含的颗粒量要明显高于左侧旋涡．两个旋涡的旋转方向相反，其中夹带了下管箱中绝大部分的颗粒．旋涡中的颗粒在靠近管箱壁面处向下运动，在靠近管箱中心处向上运动．旋涡中向上运动的颗粒，在惯性的作用下，部分被旋涡带入到加热管束中．左侧的旋涡虽然含颗粒较少，但旋转速度快于右侧旋涡，因此，单位时间由两个旋涡带到各加热管中的颗粒量基本相当，使管束中颗粒的分布较为均匀．通气量增加时，旋涡转速加快；颗粒量增加时，旋涡的面积增大，两个旋涡逐渐向管箱中心汇聚．颗粒旋涡的形成，反映了下管箱中的流场，即中心处流速较高，颗粒向上运动，壁面处流速较低，颗粒向下运动，进而形成旋涡．由于旋涡的流速及其中颗粒含量的分布，可以满足管束中颗粒的均匀分布，因此在一定的操作条件下，无需在下管箱中设置分布板，这样有利于降低循环阻力．图 6中颗粒为聚甲醛，其加入量为1.0%，通气量为8.6,m3/h．2.1.4 加热室上管箱中颗粒的流动形态由上管箱通气时，颗粒在随流体流出加热管束后，在上管箱中形成循环流动．靠近上管箱前、后两个壁面，流体速度较低，颗粒向下运动，靠近管箱中心流速较高处的颗粒则向上运动．在颗粒加入量和通气量一定的条件下，随着颗粒密度的增大，颗粒在上管箱中分布的不均匀程度逐渐增加．即颗粒密度较低时，颗粒较为均匀地分布在整个管箱中，随着密度的增大，颗粒则大部分集中在上管箱的中部，如图 7所示．图7中颗粒分别为树脂、聚甲醛和陶瓷球1．由于上管箱中流动截面较大，流速较低，因此颗粒含率较高．若设备突然停车，则大量颗粒将回落到加热管束．若加热管中附着有一定的垢层，由于密度较大的颗粒主要集中在管箱中部，则其更容易造成管路堵塞．2.2 操作参数对加热管束压降的影响2.2.1 通气量对管束压降的影响在颗粒加入量一定的条件下，随着通气量的增加，加热管束中液-固两相流压降增大，但对于不同的颗粒，压降增加的幅度不同，如图 8所示．树脂颗粒压降增加的幅度较大，而陶瓷球和玻璃球压降增加的幅度较小．上述压降变化规律其原因如下：通气量的增加，将增加自然循环的推动力，使加热管束中流体流速增加，同时也加大了颗粒与加热管壁面的碰撞和摩擦，这些因素将导致加热管束中液-固两相流的压降增大；但另一方面，加热管束中的压降随着颗粒含量的增加而增大，而循环流速的提高，降低了颗粒的含量，这将导致管束压降降低．由于两种因素中，升高压降的因素起了主导作用，因此，管束中液-固两相流的压降随着通气量的增加而增大．气量增加时，密度较大的陶瓷球颗粒和玻璃球颗粒的流化程度进一步增加，管束中颗粒含量降低，因此压降增加幅度较小；而密度较低的树脂颗粒在较低的气量下就可以实现很好的流化，因此气量增大时，管束中的颗粒含量变化不大，所以压降增加的幅度较大．2.2.2 颗粒加入量对管束压降的影响在通气量一定的条件下，增加颗粒加入量，对于管束中液-固两相流的压降有两方面的影响．一方面，颗粒加入量增加，使加热管中颗粒含率增加，这将增大管束中液-固两相流的压降；但另一方面，颗粒加入量的增加，又会增加循环阻力，降低流体循环速度，这又将导致管束压降的降低．在这两方面因素的共同作用下，管束压降随着颗粒加入量的增加而增大，但是增加的幅度不大，如图9所示．2.2.3 颗粒种类对管束压降的影响图 10比较了在相同的颗粒加入量下，不同的颗粒对管束中液-固两相流压降的影响．不同颗粒正常流化所需的最小通气量不同，沉降速度较小的聚甲醛和树脂需要的最小通气量较小，而沉降速度较大的陶瓷球和玻璃球需要的最小通气量较大．另外，从图中还可以看到，在相同的颗粒加入量下，随着通气量的变化，不同颗粒的压降数值互相交错．这是因为，管束压降随着管束中颗粒含率和循环速度的增加而增大．通气量相同时，由于沉降速度较小的颗粒较易流化，管束中颗粒含率较低，而循环速度较高；沉降速度高的颗粒不易流化，管束中颗粒含率较高，而循环速度较低．因此，两相流压降随着颗粒种类的变化没有明确的趋势．2.3 压降模型的建立在实验研究的基础上，分析了影响加热管束压降的主要因素，包括管长 l、管路当量直径ed、管壁粗糙度ε′、液相密度ρ、液相黏度μ、液体循环速度u、颗粒当量直径pd、颗粒密度sρ和颗粒含率ε等，并采用无量纲数群的方法建立了加热管束中液-固两相流的压降模型，即模型的平均绝对回归偏差为 8.6%，适用范围为1.1× 104 ＜ Re ＜3.8× 104，模型计算值与实验值比较如图11所示．(1)通气位置对固体颗粒在加热管束中的分布影响显著．空气由下管箱加入时，有必要设计和安装适宜的分布板．(2)随着通气量和流体循环速度的增加，流化床下部水平管中颗粒的流化程度增加．(3)上、下管箱中颗粒的运动和流化形态不同：在上管箱中，颗粒形成中心上升、四周下降的循环运动，并且随着其密度的降低，颗粒在上管箱中的分布逐渐趋向均匀；在下管箱中，颗粒在管箱中心轴的两侧形成两个大的旋涡，且靠近下行床的一侧的旋涡中所含颗粒较多，旋涡的旋转速度随着气体加入量的增加而增大．(4)加热管束中液-固两相流的压降随着通气量的增加而增大，且密度较小的颗粒，压降增加的幅度较大；随着颗粒加入量的增加，加热管束的压降增大，但幅度较小．(5)建立了加热管束中液-固两相流的无量纲压降模型，模型的平均绝对回归偏差为8.6%．符号说明：【相关文献】［1］ Schmidthe H，Klaus G. 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