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1、多功能循环流化床实验实验教学讲义合用专业：化学工程与工艺实验学时：2执笔人：刘梦溪一、实验的目的循环流化床特色实验装置是化工学院为提高大学生动手能力和科研能力而设计的一套大型冷模实验装置，可作为化工原理（本科）、流态化（研究生）等课程的实验内容，也可作为研究生、博士生科研、大学生科技创新的实验平台。通过变化不同的操作气速，装置内床层可经历由起始流化到鼓泡床、湍流床、迅速床直至气力输送等多种床型。在装置内可开展压力梯度、密度分布、速度分布和旋风分离器压降、颗粒流动特性、气控阀操作特性、颗粒混合、分离器内气相流场等实验，根据实验数据可进行全装置压力衡算。因此，可根据不同的需要设计不同的实验，是一种
2、设计型的实验装置。为了使学生可以清晰的看到装置内颗粒的流化状态，装置主体由有机玻璃制成。装置上的测量点也通过精心的设计，当采用测量仪器如光纤颗粒密度/速度测量仪等仪器时，可直接运用既有测量点进行测量。通过实验，使学生理解和掌握循环流化床的基本原理与控制过程，激发学生的学习爱好。二、实验原理循环流化床系统重要由提高管反映器及伴床（有时以用作反映器）所构成。为了使颗粒在提高管与伴床之间循环，在底部有颗粒循环控制装置，在顶部有气固分离器与之相连接。此外，根据实际需要，一般尚有颗粒储罐，除尘过滤设备以及必要的测试系统。在设计循环流化床反映器时，应考虑如下重要因素。1.操作条件的选定当选择提高管反映器的
3、设计时，一方面根据所需气体解决量，拟定操作气速及反映器直径。选择的操作气速必须满足迅速流化操作条件的规定，同步又能保证过程所必需的气、固接触时间。反映器高度的拟定重要根据停留时间的规定。颗粒循环速率的拟定分两种状况：第一种是当提高管内进行的过程为传热控制时，或固体颗粒的循环是为了带出或带入热量时，颗粒循环速率应由传热量的规定而决定，此时应当较好理解气、固传热的知识；在第二种状况下，当提高管内进行的为催化反映，而催化剂随反映的进行，失活不久时（如FCC过程），颗粒的循环速率应由催化剂失活特性来拟定，合适的颗粒循环速率应能保证新鲜（经再生的）催化剂的不断补入及已失活的催化剂的不断移出。固然也有也许
4、必须综合考虑上述两种状况的过程。2.化学反映特性化学反映特性与催化剂性能是循环流化床反映器设计时应考虑的重要因素。床层构造及所选定的操作条件应适应化学反映的规定。例如，对以中间产物为目的产物的迅速反映（FCC等），应当使气固流动接近于平推流，尽量减少催化剂颗粒的返混。因此，应当避免使用带气垫弯头的出口构造，尽量不合用内置构件等。当固体颗粒自身为反映物，且规定完全转化时（如煤燃烧、催化剂的再生等），应考虑可以增长颗粒浓度（及返混），延长颗粒停留时间的措施，如使用气垫弯头式出口构造等。3.颗粒循环控制装置颗粒循环控制装置的作用不仅是调节和控制颗粒循环，以达到所规定的颗粒循环速率，并且也协助避免气体
5、从提高管向伴床的“反窜”流动。特别是提高管中与伴床中进行不同氛围的反映过程（如氧化与还原）时，杜绝气体“反窜”变的尤为重要。如前所述，为了达到高循环速率，颗粒循环控制装置应具有尽量小的阻力。一般所用的颗粒循环控制装置有机械式阀（滑阀、蝶阀等）以及气力流动阀（L型阀、V型阀、J型阀等）。在实际工业装置中，为避免机械式阀在高温、高压状况下的操作困难（如颗粒的堵塞，摩擦等），常常需用非机械式气力控制阀。三、循环流化床装置的常用测试手段1、颗粒浓度测定颗粒浓度分布的研究对循环床的应用设计极为重要，要获得较为精确的固体颗粒浓度的分布数据，需要一种测量过程简朴、迅速和精确的测试技术。现阶段研究中常用的测量
6、技术涉及如下几种。（1）截面成像技术截面成像技术的基本原理是电磁辐射或电场的强度因穿过气固混合物而减少，单位距离上被吸取的能力与颗粒浓度有关。该测试技术长处在于对流体的流动无干扰，对于接近提高管管壁处以及复杂的流体流动仍然可以获得可靠的数据，但存在的问题：X射线或射线截面成像技术39所需的测量时间较长，时间辨别率低，价格昂贵，并且从事放射性工作的人员要受一定的专门训练，要具有相应的安全防护措施和条件；而电容截面成像技术的空间辨别率低，仪器的校准以及成果的再现都比较复杂。这些缺陷导致截面成像技术在流化床中应用不多。（2）光纤探头浓度测量法光纤探头浓度测量法的工作原理是把光投射到颗粒团上，通过检测
7、从颗粒团反射的光（反射型探头）或穿过颗粒团的光（传递型探头）强度，运用计算机做信号解决，测出颗粒浓度。颗粒浓度的光纤测量系统一般由光源、两束光纤束、光电倍增管、A/D转换器和计算机构成。光纤探头具有对高压的不敏感性，敏捷度好，精度高，信号沿光纤的损失非常小等长处，并且其尺寸小、重量轻，对流场的影响小，几何形状可根据需要灵活选择，价格也低廉，在目前流化床的研究中，这种技术具有广泛的应用。许多研究者已经运用该技术对流化床流动特性进行测量，得到较精确地数据。（3）电容探头测量技术在测量颗粒浓度时，将构成电容器的两片电极置于所测流场中，电极间的介电系数会随固体颗粒浓度的变化而发生变化，介电系数越高，固
8、体颗粒浓度越大，这样根据电极间介电系数就可以测量出固体颗粒浓度。电容器固体浓度测量探头装置一般涉及：测量探头、自振荡电路、解调电路。该系统敏捷度高，制造以便，可以有效测量局部固体颗粒浓度的瞬时值；但是探头的测量体积一般来说不小于探头自身，因此测量体积难以精确拟定；此外，电容探头对循环流化床内的湿度、温度、静电条件等非常敏感，同步容易受到环境电磁场的干扰，容易浮现测量误差，由于这些因素，它在循环流化床测量中的应用受到了一定的限制，目前在循环流化床的测量中已经应用不多，应用前景不是较好。（4）压差法由测压差法换算浓度，可以测得研究截面的平均颗粒浓度。在循环流化床中，忽视固体颗粒的加速作用和气固两相
9、与管壁摩擦导致的压降损失，单位高度的压力变化就是由单位体积的气体和颗粒重量产生的，其关系如下： （1）式中，是沿床高的压力梯度，可用压力传感器测定。是气体密度，是固体密度，为重力加速度，是截面平均颗粒浓度。只要测定，就可按下式计算： （2）式（2）的导出忽视了颗粒的加速作用及摩擦阻力的损失。而实际操作中，提高管底部有一段加速区，套用公式（2）得出的颗粒浓度偏差大。而比较合用于提高管充足发展段。2、常用颗粒速度的测量技术颗粒的运动速度对于提高管中的动力学行为和传递过程有重要影响，不仅直接反映了床内颗粒的运动状态并且与颗粒在床中的固含率和停留时间密切有关，并且也是循环流化床反映器和气力输送系统设计
10、和优化操作直接且基本的参量。然而对颗粒速度进行测量比较困难，选择一种精确、易操作的测试技术将大大减小测量误差，如下为几种常用颗粒速度的测量技术。（1）LDA(Laser Doppler Anemometry)激光多普勒技术LDA测速技术运用多普勒原理测量颗粒的局部速度:运动颗料的散射光与入射光之间存在着一定的频率差，称为多普勒频移()。LDA测试技术长处在于对流场无干扰作用，重要应用在颗粒浓度较低的速度测量上，但对于较高颗粒浓度(固体含量1.5 %)的研究应用很少。该技术测得的是单点平均流场信息，干扰问题较严重，并且要获得整个流场的信息耗时过多。（2）PIV(Particle Imaging
11、Velocimetry )技术PIV测试技术是一种瞬时全场测速技术，突破了空间单点测量技术的局限性，对流场不产生干扰，可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息，非常合用于涡流和湍流等复杂流动的研究。如图所示，PIV系统重要由照明、成像和图像解决等部分构成。在测试时，激光器发出激光束，光学元件将光束变成片光源照亮所测流场。如是脉冲激光器，需设立脉冲间隔，脉冲延迟期和激光脉冲等，高速CCD相机捕获2个激光脉冲照亮流场的2幅图像，并将图像转化为数字信号传入计算机。通过专用的软件采用一定的图像解决算法匹配图像粒子对，测出在一定期间间隔内示踪粒子在x， y方向上的位移，速度等于位移除以时间间隔；可得出移
12、动速度大小和速度方向。图1 PIV系统图该技术应用于密相区颗粒速度测量时仍有某些问题。一方面，在密相区的高颗粒浓度下，由于CCD相机所拍摄图像的清晰度不够、颗粒重叠等因素，使得PIV测量技术和图像分析措施很难应用到高颗粒浓度时的状况；另一方面，由于循环流化床特殊的环-核构造，其边壁区高颗粒浓度远高于核心区域，当循环床内颗粒浓度高到一定的数量时，边壁区的颗粒浓度将阻碍激光片光射入到床内，同步也会遮挡CCD相机拍摄图像，使测量无法进行。（3）光纤颗粒速度探头测量技术光纤颗粒速度探头的工作原理就是用光纤之间的有效分隔距离除以所测的相应信号时间差来得到颗粒的运动速度。光纤颗粒速度探头测量技术可用于测量
13、较高颗粒浓度条件下(如下部密相区和上部边壁区附近)循环流化床锅炉内的颗粒速度。此外，光纤颗粒速度探头还具有重量轻、尺寸小、几何形状可以根据需要灵活选择、敏捷度好以及价格低廉的长处，但由于探头制造水平的限制，探头的尺寸对流场的影响有时不能忽视，测量精度受到了影响，不合用于精度规定较高的测量。（4）等速采样法等速采样法就是运用等速采样管测量颗粒的流率来计算固体颗粒的运动速度29。已知空隙率的状况下，固体颗粒速度为：式中：是固体颗粒的流率，是颗粒密度。等速采样法在颗粒的流率及速度较大时精度较高。等速采样法的最大长处在于测量设备非常简朴，但是由于测量过程中假定颗粒流为持续流，该措施只合用于循环流化床密
14、相区高浓度颗粒的速度测量，而不合用于环-核构造的提高管中颗粒速度的测量，并且等速采样法对流场亦有干扰，测量精度不高。四、实验装置流程本研究中实验装置的基本流程如图所示。如图2所示，整个装置除底座、椎体和旋分采用碳钢材料外，其她部分均采用有机玻璃制成。图中，装置主体由底部的提高管环流床耦合预提高段和上部提高管构成。预提高段的内输送管内径70mm，高750mm，预提高段内径280mm，高1500mm；提高管内径100mm，高10000mm。1-风机 2-缓冲罐 3-空气转子流量计 4-管式分布器 5-预提高器 6，22-进料斜管A，B7-中心输送管 8，10，16，19，21-蝶阀 9，20-计量
15、罐 11-提高管12，14-高效旋风分离器 13-新型气固快分器 15-计量管 17-环流预提高器 18-储料罐图2 实验装置基本流程图实验中，空气由风机经缓冲罐、流量计，分5路进入装置，一路从内环底部的管式气体分布器进入预提高段内输送管，为流化主风；一路从外环底部的环形气体分布器通入环隙空间，为流化松动风；第三路经储料罐底部的环形气体分布器进入储料器，对循环物料起到流化松动作用；剩余两路分别进入环流预汽提器的底部和环形气体分布器。A、B两股进料均来自储料罐，并通过两个进料斜管（在此简称为“A进料管”和“B进料管”）以对称位置进入预提高底部。通过调节内、外环之间的风量差别，可以调节环流段内物料
16、循环量。颗粒除了在预提高段内、外环之间环流流动外，还在内导流筒的主风作用下进入提高管向上运动，最后经新型气固快分器和旋风分离器进入储料罐，然后沿两个循环回料管返回预提高段，完毕颗粒在整个系统中的循环流动，气体则经布袋除尘器净化。颗粒的重要物性参数为：颗粒密度=1500kg/m3，堆积密度=900kg/m3，平均粒径=60。实验中流化介质为常温条件下的空气。五、实验环节1、启动实验装置(1) 检查流程与否正常；(2) 检查流化风转子流量计，及其流量计调节阀与否完全关闭；(3) 检查松动风转子流量计，及其流量计调节阀与否完全关闭；(4) 检查罗茨风机的轴转动与否灵活并盘车；(5) 检查罗茨风机中加的润滑油量与否达到镜面的一半或
