DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.039

ECT测量A类颗粒初始流化特性

罗琴^{1, 2}，张玉黎¹，赵银峰¹，叶茂¹，刘中民¹

(1. 中国科学院 大连化学物理研究所，辽宁 大连，116023；

2. 中国科学院大学，北京，100049)

摘要：利用电容层析成像技术对Geldart A类颗粒流化性质进行研究。研究结果发现：流化床中固体质量分数随着气速的变化趋势与压力波动变化趋势具有一定的相似性，即固体质量分数的突变点与压降的突变点一致，据此可以推断出Geldart A类的最小流化速度，为流化床基础流化特性研究提供新的研究手段。

关键词：电容层析成像技术；最小流化速度；两相流测量

中图分类号：TQ021.1         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)11-3916-06

Measuring minimum fluidization velocity of Geldart particles by use of electrical capacitance tomography

LUO Qin^{1, 2}, ZHANG Yuli¹, ZHAO Yinfeng¹, YE Mao¹, LIU Zhongmin¹

(1. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China;

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract: The electrical capacitance tomography (ECT) technology was used to measure the minimum fluidization velocities of Geldart A particles in fluidized bed. The results show that the fluctuation of solid fraction obtained from the ECT images can be well related to the pressure drop profile along the bed by altering the gas velocity. As the pressure drop across the fluidized bed is considered as a standard method for determining the minimum fluidization velocity, which provides a method for measuring the minimum fluidization velocity of Geldart A particles.

Key words: electrical capacitance tomography; the minimum fluidization velocity; fluidized bed measurement

流化床具有传热效率高、气固接触好等优点，在燃烧、化工、材料制备等领域得到了广泛的应用。GELDART等^[1]根据颗粒的物性和流态化性质将颗粒分为4类，其中A类颗粒广泛应用于化工过程中，如流化催化裂化(FCC)催化剂和甲醇制烯烃(MTO)催化剂等。A类颗粒有其特有的流化特性，如可充气性、流化性能好等特点。最小流化速度是流化床本征性质，传统的测量最小流化速度的方法是利用床层压降和床层高度随气速的变化曲线来求得^[2]。电容层析成像是将医学断层成像(CT)和现代测量技术相结合的一种过程成像技术^[3]。其基本原理是通过传感器阵列电极之间电容的变化反映管道中多相介质的分布。目前国内外对于ECT的应用研究主要在于固体相浓度测量^[4-6]、流型识别^[7-8]、相关性测速度^[9-10]和流化床干燥过程的检测^[11-12]等。近年来电容层析成像技术(ECT)以其非侵入性、结构简单、成本低廉、安全性好、易于实现等特点，得到了广泛的应用^[13-14]。本实验基于ECT的测量原理，开展了对A类颗粒的流化性质的测量研究。根据流化床在流化前后床层特性，提出一种基于ECT的方法来测量A类颗粒的流化特性。

1  实验

1.1  实验装置

实验装置主要由流化床、流量计和测量系统3部分组成(如图1所示)，通过压缩空气管路对流化床进行供气，采用BROOKS SLA5850S1AAB1C2A1型流量计控制气体流量。

流化床内径为20.7 mm，外径为23.0 mm。实验测量系统以ECT(电容层析成像)系统为主，压力传感器为辅。其中压力传感器安装在气体分布板和进气空之间，测量的是整个床层和分布板的总压降。ECT系统采用双平面ECT传感器，同时测量床层顶部和底部的固体质量分数变化，上、下平面ECT均采用8电极系统，电极长度均为2.5 cm，ECT传感器系统电极分布如图1所示，且电极中心距离流化床分布板距离分别为5.25和22.25 cm。

图1  实验装置

Fig. 1  Experimental facility

1.2  实验材料

实验所用的固体颗粒为商业生产所用的DMTO催化剂颗粒，实验研究不同粒径的催化剂颗粒的流化特性，测量得到不同粒径颗粒冷态实验条件下的初始流化特性，如最小流化速度。将DMTO催化剂经过标准筛筛分成粒径为80~106 μm和48~53 μm的样品进行实验。用马尔文激光粒度仪测量实验颗粒的平均粒径以及粒度分布，2种样品的粒径分布如图2所示。实验材料的相关性质和实验条件如表1所示。

表1  实验材料的相关性质和实验条件

Table 1  Experimental materials and experimental conditions

图2  颗粒粒度分布图

Fig. 2  Particle size distribution

1.3  实验

本实验以ECT为主要测量手段，结合压力传感器测量不同粒径DMTO催化剂颗粒的初始流化特性，主要是最小流化速度。传统测量最小流化速度的方法是利用压降随气速的变化曲线求得，本实验以压力传感器的测量结果为参照，对比ECT的实验测量结果的准确性。

1.3.1  床层压降实验

本实验采用升速法研究最小流化速度。压力传感器安装在分布板和进气口之间，测量整个床层和分布板的总压降，在实验开始之前，先测量空管的压降随气速变化曲线，得到分布板压降和气速的函数关系。实验时，总的压降减去分布板压降即为整个床层的压降。压力传感器数据采集频率为100 Hz，每组气速采集2 000个数据。

1.3.2  ECT量程标定

实验过程中，在未填料之前进行ECT空管的校准，然后将2种不同粒径的DMTO催化剂颗粒分别作为流化物料，加入到流化床内，填料量以覆盖整个ECT上平面测量电极为最低标准，进行ECT满管的校准，同时记录颗粒填充量。

1.3.3  ECT实验测量

实验开始测量前先用大气速让床层充分流化，消除填料对实验结果的影响，同时估计最小流化速度，以确定合理的实验气速范围，然后缓慢调节气速至0 cm/s，稳定30 min，进行ECT满管的校准，记录此时的初始床层高度并开始测量。测量时，先从零逐渐增大气速至床层达到完全流化状态，同时记录相应气速下压力传感器和ECT的测量数据，再依次降低气速至0 cm/s，采用同样方法得到降速实验数据。基于ECT测量原理，得到测量管道平均截面的固体质量分数随气速的变化曲线。

本实验采用双平面ECT传感器系统，同时测量床层上部和下部固体质量分数随气速的变化，ECT数据采集频率约为55 Hz，每组气速采集1 000个数据。测量时，控制ECT传感器和压力传感器采集数据的同步性，便于进行对比分析。

2 验结果和讨论

2.1  ECT测量结果

ECT在线测量时，可以直观地反映测量管道内瞬时气固分布情况。表2所示为2种粒径分布的催化剂颗粒在不同气速下上、下平面气固分布图像。其中红色代表固体颗粒，当气速为零即床层初始状态，床层充满固体颗粒，此时上、下平面图像显示均为满管时的状态，即全红色；随着气速增加，床层内有气流通过，此时ECT测量的是管道内平均截面的气固分布，气速的增加导致颗粒流化，产生气流，由于固体颗粒和气体的介电常数差异导出测量电容发生变化，从而反应管道内的气固分布发生变化。对于粒径48~53 μm催化剂颗粒，在气速小于0.253 cm/s时，气固分布图像基本没有变化；当气速达到0.258 cm/s时，气固分布图像发生变化，红色变浅，表示此时固体质量分数下降，即床层膨胀，颗粒进入初始流化状态。对于粒径80~106 μm催化剂颗粒，也存在这样1个气速点，预示床层由固定床进入初始流化阶段，即气速达到0.575 cm/s时，颗粒进入流化状态。图3所示为2种不同粒径分布的催化剂颗粒在床层处于临界初始流化状态和床层刚进入初始流化状态时，ECT测得的床层上、下部固体质量分数波动曲线。从图3可以看出：当床层处于临界初始流化状态时，床层上、下部测得的固体质量分数值与床层初始状态基本没变化，且固体质量分数波动曲线平缓，而当气速稍大于临界最小流化速度时，床层此时由固定床进入初始流化状态，上、下平面固体质量分数平均值明显下降，且固体质量分数曲线波动也增大。对比表2和图3可知：粒径48~53 μm催化剂由固定床进入流化床固体质量分数分布图像和曲线变化更明显，这是因为小粒径颗粒充气性好，流化时床层膨胀更高，所以，固体质量分数下降更大，导致测图像变化更明显。

表2  粒径48~53 μm和80~106 μm的催化剂颗粒在不同气速下上、下平面气固分布图像

Table 2  Gas-solid distribution images of catalyst particles with particles sizes of 48-53 μm and 80-106 μm under different gas velocities

图3  粒径80~106 μm和48~53 μm的催化剂颗粒在床层处于临界初始流化状态和刚进入初始流化状态时床层固体质量分数波动曲线

Fig. 3  Solid content curves of catalyst particles with particle sizes of 80-106 μm and 48-53 μm in and before initial fluidization bed

2.2  最小流化速度

最小流化速度是研究流态化过程的基础，也是流化床设计的重要参数之一。通常定义固定床压降曲线和完全流化时流化床压降曲线交点对应的气速为最小流化速度，它是流化床操作的最低气速，因此，对最小流化速度的研究一直受到重视^[15-20]。

颗粒的最小流化速度通常应用降速法测定^[21]，即在较高的床层表观气速下(床层处于完全流化状态)，逐渐降低床层表观气速，得到一系列床层压降和表观气速值，而后利用床层压降与床层表观气速的关系曲线，求出最小流化速度。但由于降速法忽略了颗粒间黏附力对流化性质的影响^[22]，所以，本实验采用升速法研究最小流化速度，结果见图4和图5。

由ECT实验结果可以直观发现当气速逐渐增加时，测量床层的固体质量分数在一定气速下会发生突变。为了更直观地描述这种变化情况，对ECT图像结果进行了处理，通过分析得到了ECT图像对应的平均固体质量分数，并根据气速变化情况给出了所测截面的平均固体质量分数变化曲线(见图4和图5)。

图4给出了粒径48~53 μm颗粒的ECT测量结果和压力传感器测量结果的对比。由图4可以看出：在气速增加的开始阶段，床层压降呈上升趋势，此时ECT固体质量分数结果显示床层固体质量分数几乎没有变化；继续增加气速后，床层压降会有1个突变点，在达到1个最大值后迅速降低，与此相对应的ECT固体质量分数结果同意出现了1个突变点，床层固体质量分数突然降低；随着气速继续增加，床层压降在经过突变点后稳定在一定范围内波动，而ECT结果显示床层固体质量分数会逐渐降低。从压降曲线可以看出：床层由固定床进入流化床需要克服颗粒间的相互作用力，升速流化曲线上出现1个突变点，此时气速即为最小流化速度。通过上下平面固体质量分数随气速的变化曲线可以看出，床层由固定床进入初始流化状态，固体质量分数也有1个突变点，且固体质量分数的突变点与床层压降突变点一致。也就是说，通过ECT监测床层固体质量分数同样观察到床层由固定状态向流化状态转变的气速点，即最小流化速度。继续增大气速，床层进入流化状态，此时床层发生膨胀，床层空隙率增大，床层固体质量分数将继续下降。

图4  粒径48~53 μm的催化剂上、下平面固体质量分数和床层压降随着气速的变化曲线

Fig. 4  Solids content and bed pressure drop curve with gas velocity for 48-53 μm catalysts

图5所示为粒径80~106 μm的催化剂上、下平面固体质量分数和床层压降随着气速的变化曲线。粒径80~106 μm颗粒测量结果(图5)与粒径48~53 μm颗粒测量结果相似，随着气速增加，ECT测量结果突变点与床层压降突变点对应气速相一致。同样能够观测到最小流化速度，与粒径48~53 μm颗粒相比，粒径80~106 μm颗粒具有更高的最小流化速度。

图5  粒径80~106 μm的催化剂上、下平面固体质量分数和床层压降随着气速的变化曲线

Fig. 5  Solids content and bed pressure drop curve with gas velocity for 80-106 μm catalysts

3  结论

1) 本次实验主要是用ECT来研究A类颗粒的流化特性，即最小流化速度。选用不同粒径分布的催化剂颗粒进行实验，通过固体质量分数和床层压降随气速的变化趋势具有一定的相似性和规律性，即固体质量分数的突变点与压降的突变点一致，由此可以判断最小流化速度。

2) 用ECT能够测量不同粒度颗粒的最小流化速度。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2016-01-15；修回日期：2016-03-09

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(91334205) (Project(91334205) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：叶茂，博士，研究员，博士生导师，从事气固两相流模拟测量以及流化床反应器研究；E-mail: maoye@dicp.ac.cn