王 克 英

（1. 青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042; 2. 濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000）

納米T i O2在環(huán)隙流化床中流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究

王 克 英1,2

（1. 青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042; 2. 濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000）

在環(huán)隙流化（AFB）床中，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)研究了床層壓降和床層膨脹曲線以及最小流化速度的變化規(guī)律。研究結(jié)果顯示，在升速流化時(shí)，隨著氣速增大，床層壓降和床層膨脹比也隨之增大，當(dāng)氣速超過一定值時(shí)，納米TiO2顆粒完全流化，壓降波動(dòng)和床層膨脹比趨于平穩(wěn)。最小流化速度隨著納米TiO2質(zhì)量的增加而增大。

環(huán)隙流化床；最小硫化速度；床層壓降；測(cè)試技術(shù)

TiO2超細(xì)顆粒由于其粘附性強(qiáng)，流化時(shí)易形成橫向裂紋和縱向溝流而難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流化，因此超細(xì)顆粒的流態(tài)化一直備受關(guān)注[1-3]。Chaouki等首先發(fā)現(xiàn)氣速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超細(xì)顆粒最小流化速度時(shí)，Cu/Al2O3氣溶膠會(huì)形成許多小的團(tuán)聚體，進(jìn)而以團(tuán)聚體形式實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)流態(tài)化[4]。隨后，國(guó)內(nèi)外許多研究人員的研究成果也都證實(shí)了超細(xì)顆粒在高氣速下的自團(tuán)聚流化現(xiàn)象[5-9]，但大都局限于傳統(tǒng)流化床的研究，對(duì)納米TiO2顆粒在環(huán)隙流化床中的流化現(xiàn)象和流化特征參數(shù)的研究鮮有報(bào)道[10]。本研究以原生納米顆粒TiO2為主要流化物料，在環(huán)隙流化床內(nèi)研究了其流動(dòng)現(xiàn)象和流態(tài)化特征，為該類型反應(yīng)器的放大和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為環(huán)隙流化床示意圖。環(huán)隙流化床的流化區(qū)域外壁是有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑180 mm，高680 mm；內(nèi)壁是石英玻璃管，外徑140 mm，高680 mm；以兩管的中軸線為中心，石英玻璃管嵌套于有機(jī)玻璃管內(nèi)，石英管與有機(jī)玻璃管之間的環(huán)形空隙為流化床流化區(qū)。該流化床系統(tǒng)由氣體風(fēng)機(jī)、緩沖罐、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)、環(huán)隙流化床等主要部件構(gòu)成。氣體分布器是由有機(jī)玻璃多孔分布板，開孔率為0.5%，開孔直徑為1 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

首先，檢查流化床管路連接處的氣密性，在管路連接處涂抹肥皂水，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，檢查密封性。然后，加入實(shí)驗(yàn)物料，進(jìn)行流態(tài)化實(shí)驗(yàn)研究，用直尺測(cè)量床層高度，分別在環(huán)隙周圍均勻設(shè)定6個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)量相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后做平均計(jì)算取得實(shí)驗(yàn)值；利用連接的流化床監(jiān)控系統(tǒng)，在線測(cè)量床層壓降；利用掃描電鏡表征顆粒的團(tuán)聚形貌和粒度；利用數(shù)字便攜式攝影機(jī)拍攝顆粒和氣泡的演變行為。采用PV6A型顆粒速度測(cè)量?jī)x對(duì)環(huán)隙流化床中的TiO2納米顆粒的速度和濃度進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 床層壓降與床層膨脹曲線

圖2和3分別為不同流化物料質(zhì)量條件下納米TiO2顆粒在環(huán)隙流化床中流化時(shí)的膨脹曲線和床層壓降曲線。從圖中看出，在升速流化時(shí)，隨著氣速增大，床層壓降和床層膨脹比均隨之增大，當(dāng)氣速超過一定值時(shí)，納米TiO2顆粒完全流化，壓降波動(dòng)和床層膨脹比趨于平穩(wěn)。由此可見，在高氣速下納米TiO2顆粒流化狀態(tài)較好。降低氣速的流化過程中，在一定氣速條件下，納米TiO2顆粒的壓降變化幅度很小，壓力波動(dòng)比較平穩(wěn)，床層高度的變化幅度也很小。但當(dāng)氣速下降到一定數(shù)值時(shí)，床層壓降和膨脹比，都發(fā)生明顯的遞減趨勢(shì)。

比較升速（從固定床到流化床）和降速（從流化床到固定床）得到的壓降和床層膨脹曲線有明顯的滯后現(xiàn)象。

圖2 環(huán)隙流化床床層膨脹曲線Fig.2 Bed expansion curves for agglomerate fluidization in AFB

2.2 床層塌落曲線

圖4為不同氣速下150 g納米TiO2顆粒的床層塌落曲線。由圖4可見，在剛開始切斷氣流的5 s內(nèi)，床層迅速塌落，隨后床層以不斷衰減的速率塌落。關(guān)機(jī)后10 s，床層高度不再變化。該曲線一般由氣泡逸出階段和指數(shù)脫氣階段兩部分組成。床層塌落以第一階段氣泡逸出階段為主，在隨后的過程中，床層高度變化不大，類似于A類顆粒的塌落曲線。

圖3 環(huán)隙流化床床層壓降曲線Fig.3 Pressure drop curves for agglomerate fluidization in AFB

在高氣速下，關(guān)機(jī)時(shí)能明顯看到床層上部氣泡的溢出，也就是曲線中的氣泡溢出階段，氣泡溢出速度較快，該階段床層高度呈直線下降；而在低氣速下，看不到床層氣泡的溢出，塌落曲線則主要是由指數(shù)脫氣階段構(gòu)成。同時(shí)，圖4中還反映了不同氣速下床層塌落達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間不同。

圖4 納米TiO2顆粒的床層塌落曲線Fig.4 Bed collapsing curves of nanoTiO2

圖5 壓降與氣速的關(guān)系Fig.5 Correlation of pressure drop and gas velocity

2.3 聚團(tuán)顆粒的最小流化速度

本文采樣床層壓降對(duì)表觀氣速做曲線求得不同流化物料質(zhì)量的最小流化速度，如圖5所示。由圖5可見，隨著流化顆粒的質(zhì)量增加，床層壓力降增大，相應(yīng)床層最小流化速度增大。隨著表觀氣速增大，起初床層壓力降呈線性增加，當(dāng)表觀氣速達(dá)到最小流化速度后，壓力降隨表觀氣速變化不再顯著。

3 結(jié) 論

（1）隨著氣速增大，床層壓降和床層膨脹比均隨之增大，當(dāng)氣速超過一定值時(shí)，壓降波動(dòng)和床層膨脹比趨于平穩(wěn)，壓降和床層膨脹曲線有明顯的滯后現(xiàn)象。

（2）在高氣速下，氣泡溢出速度較快，床層高度呈直線下降；在低氣速下，無(wú)氣泡溢出，塌落曲線主要由指數(shù)脫氣階段構(gòu)成。

（3）隨著流化顆粒的質(zhì)量增加，床層壓力降增大，相應(yīng)床層最小流化速度增大。

［1］李功虎，馬胡蘭，安緯珠．納米二氧化鈦氣相光催化降解三氯乙烯[J]．催化學(xué)報(bào)，2000，21（4）：350-354.

［2］馬武生，汪浩，劉岳樹．三相流化床TiO2光助催化降解苯胺的研究[J]．揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,11(4):45-48.

［3］ 吳志敏，張麗，鄧沁蘭. 氣固流化床光催化反應(yīng)器的研究進(jìn)展[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào),2006，13（3）：91-94.

［4］ Chaouki J., Chavarie C., Klvana D. Effect of inter-particle forces on the hydrodynamic behavior of fluidized bed[J]. Power Technology, 1985, 43(3): 117-121.

［5］Morooka S, Kusakabe K, Kokata A. Fluidization state of ultrafine powders[J]. J. Chem. Eng. Japan, 1988, 21: 41-46.

［6］Satoru M., Hiroyuki H., Tomoya M. Modeling for Size Reduction of Agglomerates in Nanoparticle Fluidization[J]. AIChE Journal, 2004, 50(11): 2763-2771.

［7］Zhou Tao, Li Hongzhong. Force balance modeling for agglomerating fluidization of cohesive particles[J]. Powder Technol., 2000, 111(1-2):60–65.

［8］ Lu Huilin, Wang Shuyan, Zheng Jianxiang. Numerical simulation of flow behavior of agglomerates in gas–cohesive particles fluidized beds using agglomerates-based approach[J]. Chem. Eng. Sci. , 2010, 65 (4):1462–1473.

［9］Wang Hui, Zhou Tao, Yang Jing-Si. Model for calculation of agglomerate sizes of nano-particles in a vibro-fluidized bed[J]. Chem. Eng. Technol. , 2010, 33(3): 388–394.

［10］周濤，李洪鐘. 粘性顆粒流化床中聚團(tuán)大小的計(jì)算模型[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1999，15(1): 44-51.

Experimental Investigation into Fluid Behaviors of Nano-TiO2in an Annular Fluidized Bed

WANG Ke-ying1,2
（1. College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China; 2. Ji’ning Technician College, Shandong Ji’ning 272000, China）

The pressure drop of bed and bed expansion curve and the minimum fluidization velocity were obtained by experimental measurements in an annular fluidized bed. The experimental results show that the bed pressure drop and ratio of bed expansion increase with increasing of gas velocity in fluidization state of gas increasing velocity. When gas velocity exceeds fixed value, nano-TiO2particles are completely in fluidization; pressure fluctuation and ratio of bed expansion are smooth and steady. The minimum fluidization velocity increases with increasing of nano-TiO2mass.

Annular fluidized bed; Minimum fluidization velocity; Pressure drop; Measuring technique

TQ 426.94

A

1671-0460（2012）09-0927-03

2012-03-21

王志敏（1967-），男，山東濟(jì)寧人，高級(jí)講師，1991年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：從事化工工藝開發(fā)工作。E-mail：WZM2273469@163.com。