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第2期机械设计与制造 2016年 2月Machinery Design & Manufacture267循环湍动流化床的研究进展曾 涛 ．一，谢君科 1,2t刘少北 1,2刘 鹏 1,2(1．四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000；2．四川理工学院 过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000)摘 要：循环湍动流化床是将循环流化床和湍动流化床的优点综合为一体的新型流化床反应器，使床层在操作过程中不仅能在较高的颗粒循环速率下操作，处理能力大，且床层混合充分，气固之间传质传热性能好。对循环流化床、湍动流化床和循环湍动流化床三种装置图进行了简单的对比，并介绍了近年来一些学者在该领域的研究现状和进展 ，探讨了操作条件对循环湍动流化床反应器内流动特性的影响规律，并指出了今后循环湍动流化床研究的方向，为加快循环湍动流化床的工业应用提供参考。关键词：循环湍动流化床；进展；流动特性中图分类号：TH16；TQ051 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2016)02—0267—03ResearchProgressofCircuIating—TurbuIentFluidizedBedZENGTao一，XIEJun—ke ，LIUShao-bei一，LIUPeng，(1．SichuanuniversityofScienceandEngineeringSchoolofMechanicalEngineering，SichuanZigong643000，China；2．KeyLabinSichuanCollegesonIndustuProcessEquipmentsandControlEngineering，SichuanZigong64300，China)Abstract：Circulating-turbalentfluidizedbedisanovelgas-solidsbedreactorbyappropriatelycouplingcirculatingfluidizedbedandturbulentfluidizedbedadvantages，suchasoperatingunderM rateofsolidscirculationintheprocessofthebedoperation，greattreatmentability，thoroughmixingofsolidsnadexcellentmassandheattransferpropertiesbetweengasnadsolids．Thecirculatingfluidizedbed，turbulentfluidizedbedandcireularturbulentfluidizedbedcomparisonofthreekindsQ厂simpleinstdlationdrawing，nadthepresentsituationnadprorgessinthe of circulating—turbulentfluidizedbedweregeneralized．TheeffectofoperatingconditionsforflowchraacteristicsofbedreactorWasstudied．Thefuturestudydirectionofthecirculating-turbulentfluidizedbedWaspointedout，nadgivingareferenceforthecirculating-turbulentfluidizedbedindustrial paplication．KeyW ords：Circulating-TurbulentFluidizedBed；Advance；Flow Characteristics和TFB的缺点并将两者的优点组合起来，使床层在操作过程中 l l百能在较高的颗粒循环速率下操作，处理能力大，接触效率高，从而流化床是利用流态化技术对流体或固体颗粒进行物理或化可以有效地提高反应器的操作性能。

学加工的设备 。气一固流态化技术以其极好的气一固接触、均匀 的温度分布以及极大的相间接触表面等特点得到了人们广泛的 2三种流化床结构对比 重视，其中以循环流化床 (CFB)和湍动流化床(TFB)在工业应用CFB、TFB、C—TFB三种装置，如图1所示。CFB由提升管、旋 最多 。风分离器、伴床及颗粒循环控制设备等部分构成，典型的TFB一然而，它们也 日益显现出一些不足，如CFB提升管中存在轴 般由床体、气体分布器、稀相空间段和内构件等组成，C—TFB主要 径向流动结构不均匀和边壁区颗粒反混，因此导致了气固两相的 由循环湍动段、二次进风口、旋风分离器、伴床 、颗粒循环设备等 分离且减少了接触效率；TFB的致命缺点是轴向气固反混严重 、 构成。C-TFB与CFB和TFB明显的区别在于C-TFB有二次进风 停留时间不易控制，导致了在化学反应器中选择性较差。2008年口，当通入气体时，可以将稀相管内颗粒快速地吹人伴床；C-TFB 文献5[1提出循环湍动流化床 (c—TFB)的概念，C—TFB克服了CFB 与 CFB均有颗粒循环控制设备可以使颗粒及时再生。来稿 日期：2015—08—05基金项目：四川省科技创新苗子工程(2015129)；过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金资助项目(GK201407)四川理工学院创新基金 (y2014032)作者简介：曾 涛，(1967一)，女，四川自贡人，博士研究生，教授 ，主要研究方向：多相流技术研究 268曾 涛等：循环湍动流化床的研究进展第2期现出均匀的压差分布；标准偏差随固体循环比率(G)的增加或表观气速()的减小而增加，这是由于颗粒与颗粒的相互作用增强了流体的波动程度。

．。(a)CFB(b)TFB(c)C_TFB图1几种不同流化床装置Fig．1Stup ofSeveralDifferentFluidizedBedsdP，dZ(P n) 3循环湍动流态化流型的认识(a)文献哪【使用光纤探针测量不同径向位置颗粒的浓度、速度和 气固两相循环比率流动行为，文献171应用力矩连续性数据处理分 析方法(MCDPM)详细研究了各种流型结构 ，文献[8】通过对比不 同流化床轴向、径向颗粒的浓度、速度分布图，均证明C~TFB是 不同于其他流化床流动状态的新流型。文献明j模糊系统识别方 法通过小波分析获得的数据，如图2对比了不同流化床中概率密 度分布函数(PDD)与固含率的分布。从图2中可以看出，每种流 化床都有独特的流型，且每种PDD曲线都有两个峰值，一个代表 稀相固含率(0～0．08)，另一为浓相固含率为(0．4加．55)；由于气固(b) 两相分离，快速流态化(FF)与密相悬浮上升流(DSU)的气固接触图3C-TFB压差分布图 较差；C-TFB的流型与TFB流型的PDD曲线相似，在流化床的Fig．3 DifferentPressureProfilesAlongC-TFB 中心区域存在两峰值的PDD曲线，这是由于稀浓两相共存。

中心 4．2循环湍动流化床局部流动结构 区域和提升管的边壁区颗粒浓度分布范围较小表明了稀相区是了解 C-TFB内的局部流动结构是应用循环湍动流态化这 气固悬浮的主要组成部分，而浓相颗粒悬浮是固相的主要组成部 类新型操作流型反应器的基础，循环湍动流态化中气固两相间的 分Ⅲ。以上研究都表明循环湍动流态化是一种新的操作流型。相互作用，气固速度的分布，轴向和径向颗粒浓度的分布特征等主要影响因素是研究C—TFB流体动力学规律的关键内容。4．2．1局部颗粒浓度的分布CentralregionMiddlere onWallregion( --0．00—0．63) (r =0．63-0．89) ( ：o．89—1．o0)●‘z= ．4mUlIm／s)Gg(k nZs)．h~lD．=4．I一 ’：l猢 ●·1 z=1．84n1▲·12200rIlIlv l2300l●J_ -r●●_，k’hiDI-．=1．59I= 1．21mSolidsholdup(-)。rl-1l1．图2同一高度，不同的操作条件不同流型的-0．0 0．2 0．4 0．00．2 0．4 0．0 0．2 0．40．6固含率和概率密度分布对比图LocalsolidsconcentrationindifferentradialregionsFig．2ComparisonofProbabilityDensityDistributionsofTransient图4不同轴向高度径向局部颗粒浓度分布图SolidsHoldupFluctuationsofDifferentFlow RegimesattheSameFig．4ProfilesofApparentLocal SolidsConcentration atDifferentHeightAxialHeight(z=1．74m)UnderDifferentOperatingConditions文献 “埘 循环湍动流化床局部颗粒浓度进行了研究，结 4循环湍动流化床总体流动结构果表明在径向位置的颗粒浓度由中心向边避区逐步增大。

文献 4．1不同轴向压差的分布更系统地研究了不同位置的颗粒浓度 ，如图4所示。在中心区颗文献l计首次提出了在C-TFB内用压差曲线表示总体流动特 粒浓度径向扩大段底部浓度相对较低 ，上升到充分发展的流动区 性，如图3所示。在不同的表观气速和固体循环比率的条件下，展 急剧的减小；在中间位置，在出口处的浓度也有所减小，但在立管 No．2 Feb．2016机械设计与制造269 内通入二次进风颗粒浓度变化幅度较小；而边壁处颗粒浓度相对 均匀的分布是由于稀浓两相向上颗粒的速度和固含率综合影响 较大且分布均匀，同时采用玻兹曼函数得到湍动段平均颗粒浓度 的结果。 公式为f：t0( )㈣圳( )一● ● ● ●● l · ¨ 。 ‘．． r● ●●●●●●． ．-．．-t． =：3●●0m ． ．-H通过对湍动段颗粒浓度分布的公式预测，可以进一步了解● ． 新型流化床流动特性，同时对反应器的建模和设计提供的更多的| ● ● ●●● ● ●●●● ● ● ● ●● 理论基础。● _●’●●… 、： 4．2．2局部颗粒速度的分布： 1．5 ．● ●利用平均粒径为651xm的催化剂颗粒关于激光多普勒信号●●l · 。

． ．．． ．I● ●●●●● 显示的较大差异可测得密相提升管内气固两相局部颗粒速度[141。●一·枷 -8m 文献 【对影响C-TFB提升管与下行床中颗粒速度径向分布操作0 0．5 0 0．5 0 0．5 l 条件进行了考察，如图5所示。结果表明提升管与下行床颗粒速r／R(一) 度在中心很高，由床中心到边壁速度逐渐降低；提升管中稀相颗图6颗粒质量流率沿径向分布 粒速度径向分布呈抛物线，但在环形区域急剧的变小，浓相边壁Fig．6Distribution ofLocalSolidsFlux 处的颗粒速度减小趋势近似线性；在中心区颗粒速度随固体循环 5循环湍动流化床流动力学的模拟 比率的增加而增加，浓相区固体循环比率较低则速度较低且均匀可视化的研究已证明C-TFB的部分动力学特性循环流化床，通过大涡 的通过床层。下行管内随着固体循环比率增加颗粒速度显著减 模拟和拉格朗日方法模拟 CFB提升管中的湍流状态。然而，基于 小，浓相的颗粒速度小于稀相是由于浓相颗粒聚集，流动状态不 用CFD方法模拟研究气固密相CFB的湍动特性，通过欧拉一欧 易改变。

拉双流体模拟C-TFB的总体流动性能，在循环湍动区几乎不存在大气泡和初始的颗粒堆积状态，以较小尺寸气泡为主循环流化床，从而表bd现出良好气固传质性能；轴向中心区域压力随高度均匀变化；轴· ·z=3．0m’ 。。、向颗粒在上升的过程中存在一个减速一加速的状态，这与文献[15】·● ●●●●●_等实验研究结果接近。’ 、 ． 。z=1．5m’··◆．--_6结论l◆ ◆’．●●●●■◆ Dense作为一种高效、无气泡气固接触技术，循环湍动流态化是当● Dilute。-。z=0．8m代流态化研究中最活跃的领域之一。就近年来对 C—TFB总体与◆ ·-◆ ●●●●．．-0 0．5 0 0．5 0 0．5 0 0．5 1局部流动结构，循环湍动流态化流型的认识等研究进行了分析。r／R(一)相对于传统的流化床的研究，目前对C-TFB的研究主要是面向(a)提升管内稀浓两相径向颗粒速度分布图宏观流动行为的研究(浓度、速度、气固通量)远不够充分，对流化床内两相接触与传递本质问题还不是很清楚，因此，今后在C-TFBi’一}● ●．| -◆ ·上重点的研究领域将会在以下几个方面：●’ ． ．z=3．0mbd(1)c—TFB传热及传质的研究，对于反应器的设计具有重要．·．． ． ·．．． ◆ ●．．—■ -· ·意义。

●’z=1．5m(2)~JII强对循环湍动流态化过渡段颗粒浓度的研究。‘-● ◆．．I．Il一(3)研究颗粒在C-TFB中的磨损对实验结果的影响。．． ．·● ●．．●I● Dense(4)]JI强气固两相流动模型研究，更清晰的得出流型间的转● Dilute z--0．8m变机理与调控方法，为优化 C—TFB反应器提供理论依据。r／R(一)参考文献(b)下行管内稀浓两相径向位置颗粒速度分布图[1]曾涛，张祥，黄卫星．气固湍动流化床的研究进展EJ]．机械设计与制造 ，图5提升管内与下行管内稀浓两相径向颗粒速度分布图Fig．5ProfilesofUpwardandDownwardRadical2010：262—263．Velocity oftheDilutenadDensePhases ．(ZengTao，ZhangXiang，HuangWei—xing．Advancesresearchongas— 4．2．3颗粒局部质量流率的分布solidsturbulentfluidization[J]．MachineryDesignandMan~actum，2010：文献[12_-对C-TFB局部颗粒净通量进行了研究，如图6所262—263．) 示。

从图6中颗粒看出颗粒质量流率在径向存在一个较大的梯 [2]JiangXM，ZhouLs，LiuJG．Amodelonattritionofquartziteparticlesasa 度；同时说明了C-TFB局部质量流率存在环一核分布流动结构；bedmaterialinfluidizedbeds[J]．PowderTechnology，2009，195(1)：44— 提高固体循环量有益于减小颗粒反混；而在流动结构中心区颗粒49．(下转第272页)No．2 272机械设计 与制造Feb．2016 有限和支架内部结构复杂，无法精确控制细胞的位置和分布，而 力学性能又不够好；(3)大多数AM成形方法都只能对某些特定 细胞打印不仅能保证不同种类细胞位置和分布的准确性 ，打印后 性能的材料进行加工，应用范围窄。由于基于AM制备骨组织工 的细胞还能自组装形成组织。打印过程是：首先将细胞与溶胶置 程支架的制造技术较复杂，涉及医学、生物、材料和制造等多个学 于打印机喷头中，然后由计算机控制沉积位置逐点打印逐层叠 科领域，只有通过多学科的交叉融合才能促进骨组织工程的快速 加，最终形成空间多细胞，凝胶体系。

目前采用的细胞打印技术包 发展 ，更好的用于临床造福患者。 括喷墨打印、电喷射、激光和声控技术等。参考文献[1]江静，祁文军，阿地力 ·莫明．快速成型技术在医学上的应用 [J]．机械一 些科研人员构造了人体微脉管系统，打印出人微脉血管设计与制造，2011(5)：254-256． 内皮细胞和纤维凝胶混合体并观测了细胞增殖和微脉管系统形(JiangJing，QiWen-jun，Moming—Adli．Applicationofrapidprotype 成过程 ，得到培养时间与细胞排列形状的关系，证明了细胞打印technologyinmedicine[J]．Machinery&Manufacture。2011(5)：254--256．)[2]BartoloPJ，ChuaCK，AlmeidaHA．Biomanufacturingfortissueenginee— 形成血管化组织和器官的可能性。一些科研人员利用机械喷射打ring：presentandfuturetrends[J]．VirtualandPhysicalPretotyping，2009 印技术构造了由人皮肤纤维细胞和角质化细胞组成的空间多层(4)：203-216．[3]ScaleraF，CorcioneCE，MontagnaF．Developmentandcharacterizationof 类皮肤组织。文献呀U用细胞打印构建了鼠膀胱的肌肉微组织。文UVcurableepoxy／hydre