納米T i O2在環隙流化床中流動特性的實驗研究

王 克 英

（1. 青島科技大學化工學院，山東 青島 266042; 2. 濟寧市技師學院，山東 濟寧 272000）

納米T i O2在環隙流化床中流動特性的實驗研究

王 克 英1,2

（1. 青島科技大學化工學院，山東 青島 266042; 2. 濟寧市技師學院，山東 濟寧 272000）

在環隙流化（AFB）床中，應用實驗測量技術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律。研究結果顯示，在升速流化時，隨著氣速增大，床層壓降和床層膨脹比也隨之增大，當氣速超過一定值時，納米TiO2顆粒完全流化，壓降波動和床層膨脹比趨于平穩。最小流化速度隨著納米TiO2質量的增加而增大。

環隙流化床；最小硫化速度；床層壓降；測試技術

TiO2超細顆粒由于其粘附性強，流化時易形成橫向裂紋和縱向溝流而難以實現平穩流化，因此超細顆粒的流態化一直備受關注[1-3]。Chaouki等首先發現氣速遠遠高于超細顆粒最小流化速度時，Cu/Al2O3氣溶膠會形成許多小的團聚體，進而以團聚體形式實現了平穩流態化[4]。隨后，國內外許多研究人員的研究成果也都證實了超細顆粒在高氣速下的自團聚流化現象[5-9]，但大都局限于傳統流化床的研究，對納米TiO2顆粒在環隙流化床中的流化現象和流化特征參數的研究鮮有報道[10]。本研究以原生納米顆粒TiO2為主要流化物料，在環隙流化床內研究了其流動現象和流態化特征，為該類型反應器的放大和應用提供了理論依據。

1 實驗部分

圖1為環隙流化床示意圖。環隙流化床的流化區域外壁是有機玻璃管，內徑180 mm，高680 mm；內壁是石英玻璃管，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玻璃管內，石英管與有機玻璃管之間的環形空隙為流化床流化區。該流化床系統由氣體風機、緩沖罐、空氣轉子流量計、環隙流化床等主要部件構成。氣體分布器是由有機玻璃多孔分布板，開孔率為0.5%，開孔直徑為1 mm。

圖1 實驗裝置示意圖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，啟動風機，檢查密封性。然后，加入實驗物料，進行流態化實驗研究，用直尺測量床層高度，分別在環隙周圍均勻設定6個采樣點，測量相應的數據，最后做平均計算取得實驗值；利用連接的流化床監控系統，在線測量床層壓降；利用掃描電鏡表征顆粒的團聚形貌和粒度；利用數字便攜式攝影機拍攝顆粒和氣泡的演變行為。采用PV6A型顆粒速度測量儀對環隙流化床中的TiO2納米顆粒的速度和濃度進行測量。

2 結果與討論

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量條件下納米TiO2顆粒在環隙流化床中流化時的膨脹曲線和床層壓降曲線。從圖中看出，在升速流化時，隨著氣速增大，床層壓降和床層膨脹比均隨之增大，當氣速超過一定值時，納米TiO2顆粒完全流化，壓降波動和床層膨脹比趨于平穩。由此可見，在高氣速下納米TiO2顆粒流化狀態較好。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，壓力波動比較平穩，床層高度的變化幅度也很小。但當氣速下降到一定數值時，床層壓降和膨脹比，都發生明顯的遞減趨勢。

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象。

圖2 環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，床層迅速塌落，隨后床層以不斷衰減的速率塌落。關機后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，關機時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脫氣階段構成。同時，圖4中還反映了不同氣速下床層塌落達到穩定所需的時間不同。

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

圖5 壓降與氣速的關系Fig.5 Correlation of pressure drop and gas velocity

2.3 聚團顆粒的最小流化速度

本文采樣床層壓降對表觀氣速做曲線求得不同流化物料質量的最小流化速度，如圖5所示。由圖5可見，隨著流化顆粒的質量增加，床層壓力降增大，相應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，當表觀氣速達到最小流化速度后，壓力降隨表觀氣速變化不再顯著。

3 結 論

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

（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，無氣泡溢出，塌落曲線主要由指數脫氣階段構成。

（3）隨著流化顆粒的質量增加，床層壓力降增大，相應床層最小流化速度增大。

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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，山東濟寧人，高級講師，1991年畢業于青島科技大學化學工程與工藝專業，研究方向：從事化工工藝開發工作。E-mail：WZM2273469@163.com。