Geldart D类颗粒在狭缝型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少铁，刘品达，高新源，徐 庆

（天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学机械工程学院，天津 300222）

Geldart D类颗粒在狭缝型分布板流化床的流化特性研究

李占勇，王少铁，刘品达，高新源，徐 庆

（天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学机械工程学院，天津 300222）

采用自主研发的狭缝型分布板流化床，对 Geldart D类颗粒物料核桃壳（2～2.8，mm）的流化特性进行了实验研究.结果表明：与传统多孔型分布板相比，空床时狭缝型分布板的分布板压力降较小，加入物料时狭缝型分布板的床层压力降大，更多的能量用于物料的流化，特殊的瓦楞结构也可改善物料的流化特性；Geldart D类颗粒物料在狭缝型分布板流化床内流化效果较好，相应的床层膨胀比也较大.

狭缝型分布板；分布板压力降；流化特性；床层膨胀比

流化床在干燥领域的应用非常广泛，其特点有气固混合良好、传质传热速率高、床层均匀、可控性强等.根据 Geldart［1］的研究，气固流化床中，粗颗粒和细颗粒的流态化特性有明显的差异，根据颗粒的密度和直径将流态化的颗粒分为 4类：A、B两类颗粒易于流化；而C类颗粒由于粒子间的黏着力，流化状况差；D类颗粒一般尺寸大，密度大，难以流化.

目前，对于大颗粒的流态化研究越来越受到重视.佐成俊清的研究表明，直径 5，mm以上的物料在适宜的条件下也可以达到流化状态，大颗粒流化床可以与一般流化床一样来处理；大颗粒物料流化时，需要提高表观气速，但能耗较大，也会产生沟流、腾涌等不期望发生的结果［2］.周勇敏等［3］研究得出大颗粒流态化过程具有特殊性，颗粒的流化是一个渐进的过程，其流化过程可以分为 5个阶段，即床层高度恒定阶段、颗粒位置调整阶段、表面颗粒运动阶段、节涌波动阶段、完全流化阶段.

许多研究者通过对传统气固流化床的整体结构或个别部件进行改进，从而改善大颗粒物料在流化床内的流化特性.如鲁林平等［4］在喷动床的基础上开发了射流喷动流化床，降低了喷动床柱体部分的高度，提高了喷动速度，用于大颗粒物料的干燥和包衣，并进行了物料的涂敷造粒实验.黄颖等［5］研究了大颗粒物料1.2，mm芥末籽在流化床中的流化特性和气泡尺寸变化规律，将流化气体改为脉动气流后，比连续气流流化床气泡小，说明气流的脉动可以达到抑制气泡尺寸增大的作用，因此能减小腾涌现象的发生，是应用于大颗粒流化的一种方法.Li等［6］提出了用组合气流来对大颗粒进行流化，即一股连续气流加一股脉动气流，可以降低单一使用脉动气流或单一使用连续气流的流量和压力，有利于节能.

此外，还有其他处理大颗粒农产品物料流态化干燥的方法被应用.如Li等［7-9］采用添加与大豆颗粒密度相似的硅胶颗粒（同属于 D类颗粒）对大豆进行流化床干燥，一方面大豆与硅胶两种组分可以较好的混合，通过轻质硅胶颗粒的流化提高大豆在流化床中的流化和干燥效果；另一方面硅胶颗粒可以作为大豆颗粒的水分吸附剂，吸水的同时可以放出热量，也对大豆的干燥起到促进作用.赵丽娟等［10］以黄瓜籽和萝卜籽为物料，以干燥后产品的发芽率和湿基含水量为质量指标，研究了蔬菜种子在烘箱及振动流化床中的干燥特性.提出在振动流化床的干燥过程中，物料悬浮在气流中不停运动，单位质量物料的传热传质面积大幅增加，干燥速率大，干燥时间短，产品质量均匀.但以上研究中存在设备结构复杂、辅助设备繁多以及需要物料与辅助流化颗粒分离等缺点.

本研究的目的是开发一种结构简单、制造加工容易、气体分布均匀的狭缝型流化床气体分布板（简称狭缝型分布板），以提高处理D类颗粒在流化床中的流化特性.

1　实 验

1.1实验物料

利用核桃壳可以制备比表面积较大的活性炭，通常将核桃壳放入流化床内在流化状态中制备.据此，选用核桃壳为实验物料.经粉碎后用泰勒标准筛（8～10目）筛分，选择粒径为 2～2.8，mm的颗粒，密度为1，250，kg/m3.

1.2实验流程与仪器

实验流程如图 1所示，用电子天平（JJ3000型，美国双杰兄弟（集团）有限公司）称取一定质量的物料放入流化床.罗茨风机（YJ3LR型，美国 Gardner Denver公司）产生的气体，由旁路阀调节流量，经转子流量计（LZB型，流量 0～600，m3/h，中国天津市五环仪表厂）显示流量后，进入矩形流化床（自制，尺寸300，mm×200，mm），经过狭缝型分布板［11］（开孔率6%，）气体分布后，对物料进行流化.两个U型管压差计（BY-U型，中国天津市塘沽玻璃仪器厂），分别用于测量分布板压力降和床层压力降.

图1　实验流程图Fig.1 Flow diagram of experiment

狭缝型分布板是自主研发的新型流化床气体分布板，该分布板由标准角钢焊接而成，类似瓦楞结构，角钢间的缝隙为2，mm，瓦楞高度为19，mm，如图2所示.用于对比实验的传统分布板采用多孔型流化床气体分布板（简称多孔型分布板），材料是聚酯（PET，聚对苯二甲酸类塑料），开孔采取正四边形分布，孔直径为2，mm，开孔率为6%，，如图3所示.

图2　狭缝型气体分布板Fig.2 Slotted gas distributor

图3　多孔型气体分布板Fig.3 Porous gas distributor

1.3实验方法

分别将狭缝型分布板和多孔型分布板固定在流化床内，将 U型管测压计接于流化床，开启风机，调节阀门控制流量，记录两个 U型管压差计的测量值.改变风速，测量空床时的分布板压力降；分别改变物料装载质量和风速，测量床层压力降和床层高度.实验均重复3次，取平均值.

1.4床层膨胀比计算

床层膨胀比 η是指通入气体流化时物料层所达到的最大高度和静止状态下物料层高度的比值，是反映流化状态的重要指标，通常与物料的流化质量、物料的密度、物料颗粒大小及床层的孔隙率有关［12］.

2　结果和讨论

2.1空床时分布板压力降

图 4为在不同风速下两种气体分布板的压力降变化.由图4可知：在分布板的开孔率相同（6%，）时，多孔型分布板的压力降明显高于狭缝型分布板的压力降，而且随着风速的增加，两种气体分布板的压力降之间的差值增大.气体分布板的压力降低，说明气体经过时的能量损失小，这样就保证气体有充足的能量流化物料，进行流态化操作.根据 Karri等［13］提出的理论，为了实现均匀的气体分布，气体分布板的压力降不能太低，应大于床层压力降的30%，.

图4　不同风速下的两种气体分布板压力降变化Fig.4 Distributor pressure drop of different plates vs velocity

2.2物料的流化特性

2.2.1床层压力降

适当的床层高度，可以保证有足够的空气以合理的流速流过床层，有利于物料的流化.考虑到在物料质量为 3，000，g以下时表现出的流化特性不明显，尤其是物料质量在2，000，g以下时床层高度低于瓦楞高度，物料质量在 6，000，g以上时，床层高度过高会导致在床层内空气分布不均，床内流化现象表现为鼓泡床，物料不能很好地流化且有物料的喷出.因此，实验中选取的物料质量范围为 3，000～6，000，g，确定选取 3，000、4，500、6，000，g对狭缝型分布板流化床的流化特性进行研究.

物料质量为 3，000，g时，狭缝型分布板流化床内的床层高度为 90，mm，高于多孔型分布板流化床内的床层高度 80，mm，在图 5中表现为狭缝型分布板流化床的床层压力降比多孔型分布板流化床的床层压力降要大，这主要是由于狭缝型分布板内存在瓦楞结构.

观察图5中压力降和风速的变化，根据最小流化速度确定方法，在 3，000，g物料时，狭缝型分布板流化床的最小流化速度为0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床的最小流化速度为0.79，m/s左右.因此可以看出，在相同条件下物料在狭缝型分布板流化床内流化更好.

图5　3 000，g物料时床层压力降及膨胀比随风速的变化Fig.5　Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 3 000，g material vs velocity

装填量为 4，500，g物料时，床层高度继续增加，其中狭缝型分布板流化床的床层高度为 125，mm，多孔型分布板流化床的床层高度为 120，mm.两种分布板的床层高度差比物料为 3，000，g时变小，这是由于随着重量的增加，下层的物料受到更大的压力，导致颗粒之间的缝隙变小.如图6所示，狭缝型分布板流化床的床层压力降小于多孔型分布板流化床的床层压力降.根据压力降和流速的流化曲线确定最小流化速度，发现狭缝型分布板流化床的最小流化速度仍为0.69，m/s左右，而多孔型分布板的最小流化速度亦仍为 0.79，m/s左右.依然可以看出，物料在狭缝型分布板流化床内更易于流化.

物料质量为 6，000，g时，发现两分布板床层高度均为165，mm.从图7中床层压力降和风速的关系可以看出，在风速大于 0.14，m/s之后，相对于多孔型分布板流化床而言，狭缝型分布板流化床具有更小的床层压力降，这是由于狭缝型分布板独特的瓦楞结构，可以产生类似喷动床的效果，更有利于大颗粒物料的流化.此时狭缝型分布板流化床的最小流化速度仍在0.69，m/s左右，而多孔型分布板流化床中物料的流化速度仍大于狭缝型分布板且仍在0.79，m/s左右.

图6　4，500，g物料时床层压力降及膨胀比随风速的变化Fig.6 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 4，500，g material vs velocity

图7 6，000，g物料时床层压力降及膨胀比随风速的变化Fig.7 Bed pressure drop and expansion ratio of different distributors with 6，000，g material vs velocity

图5—图7的实验结果也验证了这样的结论，狭缝型的瓦楞结构使气体通过狭缝后会形成类似喷射一样的动力，有助于物料的流化［14］.所以，物料在狭缝型分布板比多孔型分布板流化床中的最小流化速度小，需要的流化动力小，更加节能.

2.2.2床层膨胀比

观察图 5—图 7中床层膨胀比和风速的变化发现，两种流化床中膨胀比大于1所对应的风速均小于相应的最小流化速度，这是由于床中颗粒在未达到完全流化状态时，颗粒床层的流化是自上而下逐步形成的，即先是固定床上层出现流化，之后向下层扩散，渐渐达到整个床层的流态［3］，床层膨胀导致床层高度增加.同时，当床层内颗粒流化起来之后，原本疏松的床层随着风速的增大变得更容易被吹起，表现为床层膨胀比的逐渐增大.

由图5—图7还可以看出，同在风机最大输出风速1.02，m/s下，狭缝型分布板流化床的床层膨胀比均值为1.45，比多孔型分布板流化床中的床层膨胀比均值1.37更大.由膨胀比变化曲线可以看出，狭缝型分布板流化床从床层开始膨胀所需的风速小，说明狭缝型分布板流化床内物料流化更剧烈且更节能.这也是因为狭缝型的瓦楞结构和 V型结构可以像喷动床一样产生喷射动力.在这种喷射动力作用下，物料在流化床内运动剧烈，从而床层膨胀比也相应的增加.其中，在3种物料质量情况下只有当气体流化速度达到一定速度时，两种分布板的床层膨胀比才出现差别，说明床体逐步由固定床向流化床的转变，这与前面讨论的压力降和最小流化速度是一致的.

2.2.3狭缝型分布板流化床中物料质量对最小流化速度的影响

从图 8可以看出，在物料质量分别为 3，000、4，500、6，000，g时，狭缝型分布板流化床对应的最小流化速度均为 0.69，m/s左右.可见，对于粒径在 2～2.8，mm的核桃壳这种大颗粒物料，所需的最小流化速度不随物料质量改变而变化.周勇敏等［3］通过实验得出不同质量大颗粒物料在多孔型分布板流化床中的最小流化速度不随物料质量增加而增大.因此可分析得出，这种现象的发生与这两种分布板的构造没有关系，而是在流化过程中大颗粒物料本身的特性.

图8　　不同物料质量时狭缝型分布板流化床床层压力降随风速的变化Fig.8　Bed pressure drop in the fluidizing bed with a slotted gas distributor vs velocity of different quality materials

3　结 语

在研发的狭缝型分布板流化床中，对 Geldart D类颗粒核桃壳（粒径 2～2.8，mm）进行流化实验，并与多孔型分布板流化床对比.结果表明：在逐渐增加物料质量的情况下，狭缝型分布板流化床的床层压力降比多孔型分布板流化床的小，且最小流化速度也均小于多孔型分布板流化床；当物料质量变化时，两种分布板流化床各自的临界流化速度始终保持不变，狭缝型分布板流化床所需最小流化速度为 0.69，m/s，小于多孔型分布板流化床的 0.79，m/s，说明狭缝型分布板流化床能够利用更少的能源对物料进行更好的流化；在实验中的最大风速下，狭缝型分布板流化床内的床层膨胀比均值为1.45，大于在相同条件下多孔型分布板流化床的床层膨胀比均值1.37，更有利于物料的流化和混合.

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责任编辑：常涛

Fluidization Characteristics of Geldart D Type Particles in a Fluidizing Bed with a Slotted Gas Distributor

LI Zhanyong，WANG Shaotie，LIU Pinda，GAO Xinyuan，XU Qing
（Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for the Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment，College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

The fluidization characteristics of the Geldart D type large particles（2-2.8，mm Walnut shell）have been researched on，using a self-designed fluidizing bed with a slotted gas distributor.Compared with the traditional porous distributor，the pressure drop of the new distributor is smaller.The corrugated structure of the slotted gas distributor is better for the fluidization characteristics of large size particles，and also the minimum fluidization velocity is reduced.Because of the fine fluidization in the fluidizing bed with a slotted gas distributor，the bed expansion ratio is bigger than that of the fluidizing bed with a traditional distributor.

slotted gas distributor；distributor pressure drop；fluidization characteristics；bed expansion ratio

TH49；TQ026.7

A

1672-6510（2016）04-0056-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150156

2015-10-13；

2015-12-16

天津市人才引进与科技合作计划国际科技合作项目（14RCGFGX00850）；国家农业科技成果转化项目（2014GB2A100526）

李占勇（1968—），男，山西人，教授，zyli@tust.edu.cn.

数字出版日期：2016-05-19；数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20160519.1036.010.html.