循環流化床氣固流態化實驗平臺的設計及應用

賀 嬌， 劉夢溪， 魏耀東， 王江云， 陳曉玲， 趙 敏

（1.中國石油大學（北京）重質油全國重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

流態化技術用于氣液固多相反應過程，主要應用在化工、能源、冶金等領域，氣固流態化知識是支撐工藝工程設計的理論基礎［1-2］。流態化實驗作為過程裝備綜合設計的重要單元，不僅可以直觀地觀察循環流化床的內部流動規律，還可以了解工業流化床的結構特點［3-5］。

目前氣固流態化實驗以流態化現象觀測為主，同時對顆粒流化參數進行簡單測算［6］。流化床內的壓力脈動受操作參數、顆粒物性、流化床幾何結構、流態特性等因素的影響，因此循環流化床內的壓力脈動信號能夠實時反映流化床內的流動變化。通過對流化床內壓力脈動參數的分析，可進一步了解流化床內的流體力學特征，從而對流態類型、流化質量等進行評定［7-11］。氣固流態化是一種復雜的動態多尺度結構，流化床內氣固兩相的相間接觸、傳遞與反應以及流動結構等對流化床的性能及產品的收率具有重要的影響［12］。

為此，設計了一套多功能循環流化床氣固流態化實驗平臺，可為氣固流態化課程提供實驗教學平臺。同時，該平臺具有多功能性和靈活性，豐富和完善了過程裝備與控制、化工等專業教研內容［13-14］。

1 循環流化床氣固流態化實驗平臺的設計

以流化催化裂化為背景，結合氣固流態化和化工原理等相關理論知識，對循環流化床氣固流態化實驗平臺的床層尺寸、氣體分布器等進行設計，并根據實驗工藝要求對所需配件（流量計、管線、閥門、壓差計等）進行配備。實驗平臺主要由多功能循環流化床實驗裝置和配套測量系統組成。

1.1 多功能循環流化床實驗裝置設計

多功能循環流化床實驗裝置示意圖如圖1 所示，實驗裝置除底座由碳鋼制造外，其余部分均采用有機玻璃。根據催化劑顆粒的流動可將實驗裝置分為顆粒外循環回路和顆粒內循環回路兩部分。實驗過程中采用布袋除塵器除塵、羅茨鼓風機和空壓機供風。羅茨鼓風機為預提升器和流化床提供流化風，并盡可能達到工業級別。空壓機為氣固流動提供松動風，目的是提高整個裝置循環流化質量。為降低噪音，配備了隔聲罩。

圖1 多功能循環流化床實驗裝置示意圖

（1）顆粒外循環回路。由提升管、二級旋風分離器、料腿、流化床、返料斜管、返料閥門等組成，可進行顆粒循環回路壓力分布、顆粒軸徑向分布、流化床壓力脈動測定等相關科教實驗。催化劑顆粒和氣體由預提升器提升進入提升管，氣固兩相上行通過提升管后進入二級旋風分離器，經過氣固分離后顆粒返回流化床，完成顆粒外循環流動。經過二級分離后的氣體由布袋除塵器除塵后排出。旋風分離器出口的氣體由布袋除塵器除塵后排出。進入提升管的循環顆粒量由返料斜管上設置的蝶閥控制。通過一級料腿上的氣動三通閥進行顆粒循環量的計量，量取固定時間內的顆粒質量，即可計算顆粒循環量。

（2）顆粒內循環回路。由氣體分布器、流化床、一級旋風分離器、返料閥門等組成，可進行流化床內臨界速度測定以及流化床流型的演變、流化速度對床層壓降的影響等教學實驗。流化風經氣體分布器后進入流化床，隨著氣速的增加，床內氣固兩相的相互作用逐漸增強，顆粒床層依次出現固定床、散式床、鼓泡床、湍動床、快速床直至氣力輸送等多個床型。隨后，氣固兩相在流化床稀相空間上行，由一級旋風分離器氣固分離后，顆粒經料腿和返料閥門返回流化床，一級分離后的氣體由布袋除塵器除塵后排出。

1.2 配套測量系統設計

循環流化床氣固流態化實驗平臺配套測量系統包括多通道顆粒速度/濃度測量儀、多通道壓力傳感器，并在裝置現有測點進行測量。同時，根據冷模實驗裝置開發相應的虛擬仿真系統。

（1）顆粒濃度測試系統。中科院研發的PV-6D氣固兩相流顆粒速度統計測量儀可測量流化床內顆粒濃度分布。該測量儀由主機、光導纖維探針、信號電纜以及應用軟件組成，如圖2（a）所示。探頭光源照射到顆粒群，反射光轉被換為電壓信號，電壓值越大，顆粒濃度越大。實驗過程中同時測量流化床徑向4 個測量點的顆粒濃度。

圖2 循環流化床氣固流態化實驗平臺配套測量系統

（2）壓力信號采集系統。通過壓力傳感器測量流化床內壓力脈動信號，從而對顆粒循環回路中的壓力分布進行分析。如圖2（b）所示，壓力傳感器的型號為CGYL-300B，主要包括多通道模擬信號采集儀（16 通道）、動態壓力傳感器以及壓力測量探頭。在流化床沿徑向分別設置5 個測量點，采集后的數據經過數據卡模數轉換后，在計算機內進行處理。

（3）虛擬仿真系統。根據循環流化床氣固流態化實驗平臺的結構和工藝流程開發的虛擬仿真系統如圖2（c）所示。

1.3 實驗設計

循環流化床氣固流態化實驗平臺包括顆粒內循環回路和顆粒外循環回路兩部分（見圖3），可獨立運行，也可協同作用［9］。循環流化床氣固流態化實驗平臺通過改變操作氣速的方法實現固定床、散式床、鼓泡床、湍動床、快速床、氣力輸送等不同床型的轉變，可對床型變化進行實時觀察。不同流型下氣固接觸形式、化學反應速率等均呈現截然不同的特點，正確認識流化床內氣固流型轉變至關重要。通過升速法測定最小流化速度，還可通過顆粒濃度測試系統和壓力信號采集系統測得不同床層高度的固體顆粒濃度和壓力，掌握流化床內氣固兩相的流動特性。將循環流化床氣固流態化實驗平臺虛擬仿真系統與實驗結果相結合，通過單元操作過程的訓練，顯示氣固流態化工藝流程，從而實現過程控制。

圖3 循環流化床氣固流態化實驗設計流程

2 循環流化床氣固流態化實驗平臺的應用

2.1 流化床內流型的演變

圖4 為循環流化床氣固流態化流型示意圖。實驗過程中逐漸增大通過流化床床層的表觀氣速，當表觀氣速達到顆粒起始流化速度時床層由固定床演變為散式床。隨著表觀氣速的繼續增大、氣泡數量的增多，氣泡尺寸變大，床層的膨脹規律不再按散式流化進行，而是依次出現鼓泡床、湍動床、快速床以及氣力輸送。實驗過程中使用旋風分離器對帶出顆粒進行收集。循環流化床采用有機玻璃制成，實驗現象可實時觀測。

圖4 氣固流態化流型示意圖

2.2 流化速度對床層壓降的影響

圖5 為流化速度對床層壓降的影響，采用壓力信號采集系統對流化床內不同流化速度下床層壓降進行測量。隨著流化速度的增加，在鼓泡床、湍動床流態下床層界面波動較大，床層內的壓力持續升高，當到達快速床時壓力開始減小。在密相氣力輸送區域，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，此時摩擦壓降與顆粒靜壓頭相當。隨著流化速度的進一步增大，床層空隙率急速上升，部分顆粒被旋風分離器分離后返回床層，流化床進入循環狀態。實驗過程中還可對最小流化速度和顆粒帶出氣速進行測量。

圖5 流化速度對床層壓降的影響

2.3 顆粒循環回路壓力分布

采用壓力信號采集系統測量流化床、斜管、提升管等關鍵位置的壓力信號，得到顆粒循環回路的壓力分布，如圖6 所示。由于循環流化床提升管和流化床間存在壓力差，確保了顆粒在循環回路中的平穩流動，因此顆粒循環的穩定輸送與顆粒循環回路中提升管和流化床壓力平衡密切相關。通過對提升管和流化床壓力平衡的計算，可確定提升管和流化床的相對位置及頂部壓力的設置，頂部壓力的變化會引起提升管和流化床內催化劑藏量和循環量的改變［15］。

圖6 顆粒循環回路壓力分布

2.4 流化床內顆粒質量濃度軸向分布

顆粒質量濃度的分布對反應效率及產物分布具有重要的影響，因此采用顆粒濃度測試系統同時測量流化床內10 個軸向位置的局部顆粒質量濃度，得到不同流型流化床內顆粒質量濃度軸向分布。如圖7 所示，鼓泡床、湍動床、快速床的頂部顆粒質量濃度高于底部顆粒質量濃度，且底部顆粒質量濃度逐漸減小，頂部顆粒質量濃度逐漸增大。隨著流化速度的增大，床內達到氣力輸送流型時，顆粒質量濃度最小并呈垂線分布。

圖7 不同流型流化床內顆粒質量濃度軸向分布

3 結 語

研制了一套循環流化床氣固流態化實驗平臺，由多功能循環流化床實驗裝置和配套測量系統組成。該實驗平臺能夠根據需求設計不同實驗，如氣固流態化課程的驗證性實驗、綜合性實驗和演示實驗等，有助于深入了解流化床內氣固兩相流的相間接觸、微觀流動結構。循環流化床氣固流態化實驗平臺的搭建對實驗教學質量的提高、科技創新實踐活動的開展以及產學研項目的推進起到重要作用。