循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

賀 嬌， 劉夢(mèng)溪， 魏耀東， 王江云， 陳曉玲， 趙 敏

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

流態(tài)化技術(shù)用于氣液固多相反應(yīng)過(guò)程，主要應(yīng)用在化工、能源、冶金等領(lǐng)域，氣固流態(tài)化知識(shí)是支撐工藝工程設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)［1-2］。流態(tài)化實(shí)驗(yàn)作為過(guò)程裝備綜合設(shè)計(jì)的重要單元，不僅可以直觀地觀察循環(huán)流化床的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，還可以了解工業(yè)流化床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［3-5］。

目前氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)以流態(tài)化現(xiàn)象觀測(cè)為主，同時(shí)對(duì)顆粒流化參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)算［6］。流化床內(nèi)的壓力脈動(dòng)受操作參數(shù)、顆粒物性、流化床幾何結(jié)構(gòu)、流態(tài)特性等因素的影響，因此循環(huán)流化床內(nèi)的壓力脈動(dòng)信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)反映流化床內(nèi)的流動(dòng)變化。通過(guò)對(duì)流化床內(nèi)壓力脈動(dòng)參數(shù)的分析，可進(jìn)一步了解流化床內(nèi)的流體力學(xué)特征，從而對(duì)流態(tài)類型、流化質(zhì)量等進(jìn)行評(píng)定［7-11］。氣固流態(tài)化是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)多尺度結(jié)構(gòu)，流化床內(nèi)氣固兩相的相間接觸、傳遞與反應(yīng)以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)等對(duì)流化床的性能及產(chǎn)品的收率具有重要的影響［12］。

為此，設(shè)計(jì)了一套多功能循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可為氣固流態(tài)化課程提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，該平臺(tái)具有多功能性和靈活性，豐富和完善了過(guò)程裝備與控制、化工等專業(yè)教研內(nèi)容［13-14］。

1 循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

以流化催化裂化為背景，結(jié)合氣固流態(tài)化和化工原理等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的床層尺寸、氣體分布器等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝要求對(duì)所需配件（流量計(jì)、管線、閥門、壓差計(jì)等）進(jìn)行配備。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由多功能循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置和配套測(cè)量系統(tǒng)組成。

1.1 多功能循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

多功能循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)裝置除底座由碳鋼制造外，其余部分均采用有機(jī)玻璃。根據(jù)催化劑顆粒的流動(dòng)可將實(shí)驗(yàn)裝置分為顆粒外循環(huán)回路和顆粒內(nèi)循環(huán)回路兩部分。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用布袋除塵器除塵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)供風(fēng)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)為預(yù)提升器和流化床提供流化風(fēng)，并盡可能達(dá)到工業(yè)級(jí)別。空壓機(jī)為氣固流動(dòng)提供松動(dòng)風(fēng)，目的是提高整個(gè)裝置循環(huán)流化質(zhì)量。為降低噪音，配備了隔聲罩。

圖1 多功能循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

（1）顆粒外循環(huán)回路。由提升管、二級(jí)旋風(fēng)分離器、料腿、流化床、返料斜管、返料閥門等組成，可進(jìn)行顆粒循環(huán)回路壓力分布、顆粒軸徑向分布、流化床壓力脈動(dòng)測(cè)定等相關(guān)科教實(shí)驗(yàn)。催化劑顆粒和氣體由預(yù)提升器提升進(jìn)入提升管，氣固兩相上行通過(guò)提升管后進(jìn)入二級(jí)旋風(fēng)分離器，經(jīng)過(guò)氣固分離后顆粒返回流化床，完成顆粒外循環(huán)流動(dòng)。經(jīng)過(guò)二級(jí)分離后的氣體由布袋除塵器除塵后排出。旋風(fēng)分離器出口的氣體由布袋除塵器除塵后排出。進(jìn)入提升管的循環(huán)顆粒量由返料斜管上設(shè)置的蝶閥控制。通過(guò)一級(jí)料腿上的氣動(dòng)三通閥進(jìn)行顆粒循環(huán)量的計(jì)量，量取固定時(shí)間內(nèi)的顆粒質(zhì)量，即可計(jì)算顆粒循環(huán)量。

（2）顆粒內(nèi)循環(huán)回路。由氣體分布器、流化床、一級(jí)旋風(fēng)分離器、返料閥門等組成，可進(jìn)行流化床內(nèi)臨界速度測(cè)定以及流化床流型的演變、流化速度對(duì)床層壓降的影響等教學(xué)實(shí)驗(yàn)。流化風(fēng)經(jīng)氣體分布器后進(jìn)入流化床，隨著氣速的增加，床內(nèi)氣固兩相的相互作用逐漸增強(qiáng)，顆粒床層依次出現(xiàn)固定床、散式床、鼓泡床、湍動(dòng)床、快速床直至氣力輸送等多個(gè)床型。隨后，氣固兩相在流化床稀相空間上行，由一級(jí)旋風(fēng)分離器氣固分離后，顆粒經(jīng)料腿和返料閥門返回流化床，一級(jí)分離后的氣體由布袋除塵器除塵后排出。

1.2 配套測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配套測(cè)量系統(tǒng)包括多通道顆粒速度/濃度測(cè)量?jī)x、多通道壓力傳感器，并在裝置現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，根據(jù)冷模實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真系統(tǒng)。

（1）顆粒濃度測(cè)試系統(tǒng)。中科院研發(fā)的PV-6D氣固兩相流顆粒速度統(tǒng)計(jì)測(cè)量?jī)x可測(cè)量流化床內(nèi)顆粒濃度分布。該測(cè)量?jī)x由主機(jī)、光導(dǎo)纖維探針、信號(hào)電纜以及應(yīng)用軟件組成，如圖2（a）所示。探頭光源照射到顆粒群，反射光轉(zhuǎn)被換為電壓信號(hào)，電壓值越大，顆粒濃度越大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)測(cè)量流化床徑向4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的顆粒濃度。

圖2 循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配套測(cè)量系統(tǒng)

（2）壓力信號(hào)采集系統(tǒng)。通過(guò)壓力傳感器測(cè)量流化床內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)，從而對(duì)顆粒循環(huán)回路中的壓力分布進(jìn)行分析。如圖2（b）所示，壓力傳感器的型號(hào)為CGYL-300B，主要包括多通道模擬信號(hào)采集儀（16 通道）、動(dòng)態(tài)壓力傳感器以及壓力測(cè)量探頭。在流化床沿徑向分別設(shè)置5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。

（3）虛擬仿真系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工藝流程開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)如圖2（c）所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括顆粒內(nèi)循環(huán)回路和顆粒外循環(huán)回路兩部分（見(jiàn)圖3），可獨(dú)立運(yùn)行，也可協(xié)同作用［9］。循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)改變操作氣速的方法實(shí)現(xiàn)固定床、散式床、鼓泡床、湍動(dòng)床、快速床、氣力輸送等不同床型的轉(zhuǎn)變，可對(duì)床型變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。不同流型下氣固接觸形式、化學(xué)反應(yīng)速率等均呈現(xiàn)截然不同的特點(diǎn)，正確認(rèn)識(shí)流化床內(nèi)氣固流型轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。通過(guò)升速法測(cè)定最小流化速度，還可通過(guò)顆粒濃度測(cè)試系統(tǒng)和壓力信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)得不同床層高度的固體顆粒濃度和壓力，掌握流化床內(nèi)氣固兩相的流動(dòng)特性。將循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，通過(guò)單元操作過(guò)程的訓(xùn)練，顯示氣固流態(tài)化工藝流程，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。

圖3 循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

2 循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 流化床內(nèi)流型的演變

圖4 為循環(huán)流化床氣固流態(tài)化流型示意圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸增大通過(guò)流化床床層的表觀氣速，當(dāng)表觀氣速達(dá)到顆粒起始流化速度時(shí)床層由固定床演變?yōu)樯⑹酱病ｋS著表觀氣速的繼續(xù)增大、氣泡數(shù)量的增多，氣泡尺寸變大，床層的膨脹規(guī)律不再按散式流化進(jìn)行，而是依次出現(xiàn)鼓泡床、湍動(dòng)床、快速床以及氣力輸送。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用旋風(fēng)分離器對(duì)帶出顆粒進(jìn)行收集。循環(huán)流化床采用有機(jī)玻璃制成，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可實(shí)時(shí)觀測(cè)。

圖4 氣固流態(tài)化流型示意圖

2.2 流化速度對(duì)床層壓降的影響

圖5 為流化速度對(duì)床層壓降的影響，采用壓力信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)流化床內(nèi)不同流化速度下床層壓降進(jìn)行測(cè)量。隨著流化速度的增加，在鼓泡床、湍動(dòng)床流態(tài)下床層界面波動(dòng)較大，床層內(nèi)的壓力持續(xù)升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)快速床時(shí)壓力開始減小。在密相氣力輸送區(qū)域，隨著氣速的增大，壓降降低，主要是靜壓阻力損失，密相氣力輸送是快速床中軸向顆粒濃度均勻的部分。在稀相氣力輸送區(qū)域，隨著流化速度的增大，壓降上升，主要是摩擦阻力損失，此時(shí)摩擦壓降與顆粒靜壓頭相當(dāng)。隨著流化速度的進(jìn)一步增大，床層空隙率急速上升，部分顆粒被旋風(fēng)分離器分離后返回床層，流化床進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可對(duì)最小流化速度和顆粒帶出氣速進(jìn)行測(cè)量。

圖5 流化速度對(duì)床層壓降的影響

2.3 顆粒循環(huán)回路壓力分布

采用壓力信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)量流化床、斜管、提升管等關(guān)鍵位置的壓力信號(hào)，得到顆粒循環(huán)回路的壓力分布，如圖6 所示。由于循環(huán)流化床提升管和流化床間存在壓力差，確保了顆粒在循環(huán)回路中的平穩(wěn)流動(dòng)，因此顆粒循環(huán)的穩(wěn)定輸送與顆粒循環(huán)回路中提升管和流化床壓力平衡密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)提升管和流化床壓力平衡的計(jì)算，可確定提升管和流化床的相對(duì)位置及頂部壓力的設(shè)置，頂部壓力的變化會(huì)引起提升管和流化床內(nèi)催化劑藏量和循環(huán)量的改變［15］。

圖6 顆粒循環(huán)回路壓力分布

2.4 流化床內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度軸向分布

顆粒質(zhì)量濃度的分布對(duì)反應(yīng)效率及產(chǎn)物分布具有重要的影響，因此采用顆粒濃度測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量流化床內(nèi)10 個(gè)軸向位置的局部顆粒質(zhì)量濃度，得到不同流型流化床內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度軸向分布。如圖7 所示，鼓泡床、湍動(dòng)床、快速床的頂部顆粒質(zhì)量濃度高于底部顆粒質(zhì)量濃度，且底部顆粒質(zhì)量濃度逐漸減小，頂部顆粒質(zhì)量濃度逐漸增大。隨著流化速度的增大，床內(nèi)達(dá)到氣力輸送流型時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度最小并呈垂線分布。

圖7 不同流型流化床內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度軸向分布

3 結(jié) 語(yǔ)

研制了一套循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由多功能循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置和配套測(cè)量系統(tǒng)組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)，如氣固流態(tài)化課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)等，有助于深入了解流化床內(nèi)氣固兩相流的相間接觸、微觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。循環(huán)流化床氣固流態(tài)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高、科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的開展以及產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目的推進(jìn)起到重要作用。