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多相流化床換熱器流固分布裝置發展現狀
責任編輯:chineselng    瀏覽:2322次    時間: 2008-04-05 18:19:59      

摘要:多相流化床換熱器流固分布裝置發展現狀孫姣一張少峰(河北工業大學)摘要:對多相流化床換熱器流固分布裝置的發展情況進行了綜合分析,為進一步優化流化床換熱器流固分布裝置,使流化床換熱器更好地傳熱和防垢、除垢。提供了有益的參考。關鍵詞:流化床換熱器分布裝置顆..

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   多相流化床換熱器流固分布裝置發展現狀
                                        孫姣一   張少峰
                                        (河北工業大學)
    摘要:對多相流化床換熱器流固分布裝置的發展情況進行了綜合分析,為進一步優化流化床換熱器流固分布裝置,使流化床換熱器更好地傳熱和防垢、除垢。提供了有益的參考。
    關鍵詞:流化床   換熱器   分布裝置   顆粒   三相床
    0 前言
   多相流化床換熱器是在傳統換熱器的基礎上引入惰性氣體或固體顆粒并實現固體顆粒的分離和再循環。在影響多相流化床換熱器設計和放大的諸多因素中,固體顆粒在床內的行為(顆粒在床內的徑向分布、速度分布、相含率等)被認為是重要的因素之一。這是因為固體顆粒的行為會影響換熱器內的流體力學性質、傳熱系數以及垢層的形成和去除等。因此,多相流化床換熱器設計和運行的關鍵之一就是使換熱設備中數量眾多的上升管中的工況盡可能一致,同時上升管和循環管的結構和阻力要合適,這樣才能實現有效可靠的顆粒循環。要使固體粒子均勻分布,避免無顆粒或顆粒較少的管內結垢而影響正常運行,就需要在物料人口處設置氣液和顆粒分布裝置。為此,研究者開發了多種不同結構的流化床換熱器和不同形式的分布裝置。
    1 氣體分布器
    流體分布器的類型多種多樣,常見的有單層多孔板、錯迭多孔板、凹形或碟狀多孔板、凸形多孔板、錐帽和泡罩型分布板,工業上一般采用錐帽和泡罩型分布板。流體分布板對流化質量的影響很大。根據板孔數量的不同,可將分布板分為單孔板、多孔板和密孔板。有關研究證實,采用密孔板能使流體與固體顆粒之間接觸良好,對流化質量有利。但在工業設備中要考慮到這種高壓降分布板所消耗的動力,并從經濟上予以比較。一般認為,分布板的安裝高度限于一定值,超過某一安裝高度,分布板的作用就消失了。
    在氣固流化床中,氣體分布板的發展已經很完善。工業生產用的氣體分布板的形式有很多種,主要有直流式、側流式和填充式分布板以及無分布板的旋流式噴嘴,另外還有一種短管式分布板。
    (1)直流式分布板
    直流式分布板如圖l所示,其結構簡單,易于設計和制造。但也存在一些缺點:氣流方向正對床層,易使床層形成溝流,小孔易堵塞,停車時又易漏料。因此,除特殊情況外,一般不使用直流式分布板。石油催化裂化的流化床反應器,由于催化劑粒子與氣流同時通過分布板,常用直流式凹形篩板。這種凹形篩板能夠承受催化劑重荷和熱應力。由于鼓泡和溝流主要發生在流化床的中心部分,凹形篩板有助于抵消或減緩鼓泡和溝流現象。
                       
    (2)側流式分布板
    側流式分布板如圖2所示,側流式分布板在分布板的孔中裝有錐形風帽(或錐帽),氣流從錐帽底部的側縫或錐帽四周的側孔流出。目前這種帶錐帽的分布板應用最廣,效果也較好。其中側縫式錐帽采用尤多,它具有下列優點:固體顆粒不會在錐帽頂部堆成死床,改善了床層的流化質量;氣體緊貼分布板面從側縫吹出而進入床層,在板面上形成一層“氣墊”,使顆粒不能停留在板面上,這就消除了在板面上形成死床和發生燒結的現象。
                      
    (3)填充式分布板 
    填充式分布板如圖3所示,填充式分布板是在直孔篩板或柵板和金屬絲網上間隔地鋪上卵石一石英砂一卵石。該分布板結構簡單,能達到均勻布氣的要求,因而具有較好的流化質量。
                      
    (4)無分布板的旋流式噴嘴
    無分布板的旋流式噴嘴如圖4所示,氣體通過六個向上傾斜l0。的噴嘴噴出。該噴嘴常用于流化床煤氣發生器,一般應用于對氣體產品要求不高的粗粒流化床。
                      
    (5)短管式分布板
    短管式分布板是近年來國外采用的一種分布板形式。在整個分布板上,均勻地設置了若干根短管,每根短管下部有一個氣體流人的小孔。短管及其下部的小孔起著整流的作用,即防止氣體渦流以達到均勻布氣,并使流化床操作穩定。短管不應過短,否則起不到應有的整流作用。小孔尺寸和開孔率的大小在于保證足夠的氣速,以防止催化劑漏到分布板下方。趙明舉等 還設計了應用于內循環流化床的不均勻布風分布板,如圖5所示。這種分布板有兩個不同開孔率的區域,中部為低開孔率區,運行時呈移動床狀態;周圍為高開孔率區,運行時呈流態化狀態。兩種狀態共同作用,實現物料在床內的內部循環。
    上述這些氣體分布板用于氣固流化床中,可起到支承固體顆粒和均勻布氣的作用,依靠氣體分布板可以創造一個良好的起始流化條件并將此穩定地保持下去。氣體分布板已在工業中得到廣泛的應用。
                        
    2 固液分布器
    在液固流化床換熱器中顆粒分布板的設計研究還很不完善。在國外的許多研究中,都設計出了顆粒循環和分布裝置。但由于該項技術的保密性,有關顆粒循環和分布裝置的詳細設計還未見文獻報道,而且在國外其所應用的工業領域也不寬。
    D.G.Klaren_j 首先采用多孔板作為液體和顆粒分布板,隨后又設計了一種固體顆粒分布板,使固體顆粒和流體在換熱器管箱中接觸、流化并均勻混合,經分布板后進入換熱器管束。但沒有分布板的具體結構和分布性能的實驗數據發表,只是說明在采用固體顆粒分布板后,固體顆粒的防、除垢能力和傳熱系數都有明顯提高 。
    在國內,葉施仁等 對液固流態化換熱器的結構進行改進,在下管箱內增加一塊開孔率較低的篩板作為分布器,流體介質流經小孔能獲得較高的流速,使沉積在篩板上的粒子能均勻地流化起來。葉施仁等還指出:孔板開孔率愈大,篩板兩側的壓差△JP就愈小;流體介質流速愈大,△JP也愈大; △JP通常為4~8kPa;開孔率 控制在5% ~15% 的范圍較適合,開孔率 不能太大,否則會影響下管箱內顆粒的流化質量;實驗表明,孔徑Φ4mm和Φ5mm都可以滿足要求,且孔板與循環管之問的距離在75mm~90mm之間為宜。
    劉吉普、吳金香等 對管程內循環液固流態化換熱器進行研究。開發了兩種不同形式的分布板:篩孔結構式分布板和泡罩結構式分布板,如圖6和圖7所示。
                          
    (1)篩孔結構式分布板
   篩孔結構式分布板上均布許多篩孔,孔徑是固體粒子的l~3倍。分布板上對應于下降管管口下方位置大于下降管內徑的區域不開孔,并安裝與底部相通的、在側面成水平或稍向上傾斜的開有導砂孔的導流件。這樣可減小由底部進入的液體對循環下降管管口的沖擊力,使進入的液體通過導流件上的導砂孔噴出,有效地加快了固體粒子的回送。
   (2)泡罩結構式分布板
   泡罩結構式分布板的邊緣做成鋸齒形,泡罩直徑為該泡罩應負擔的分布板當量圓直徑的0.5~0.75倍,在泡罩上對應于下降管口稍大于下降管外徑的圓周上,開若干導砂孔。由于泡罩的作用,使液固流態化沸騰且相當激烈。此時應在下降管管口與上升管管口之間的橫截面上安裝使液固流態化均勻穩定的均布板,均布板上設置孔徑大于固體粒子3倍粒徑以上的孔。當管程液體含有堵塞篩孔結構式分布板上篩孔的雜物時,或者可能在篩孔上結垢引起堵塞時,可采用泡罩結構式分布板。
    為了減小液固流化床中的液相返混,胡新輝、朱家驊 提出了采用變孔徑分布板來改善液速的非均勻分布。后來,賈麗云等 l。。又設計出三種多孔板,用于液固循環流化床作為顆粒分布器,并進行了初步研究。結果表明,多孔板的面積與進口段面積之比越大,固體顆粒分布的不均勻度就越小,但床層粒子濃度也
變小
    3 三相床中的分布器
    為解決氣液固流化床反應器中的氣液分布不均勻的問題,國外Dong Hyun Lee等¨‘。在一個直徑為127mm的三相循環流化床中,對其內部的氣液分布裝置進行了初步的研究,如圖8所示,考察了分布板局部開孔率和分布板下氣液預混合程度對相含率和全床氣液分布不均勻度的影響。實驗以直徑3.3mm的聚合體顆粒和直徑3.7mm 的玻璃珠(密度分別為1280kg/m 和25lOkg/m )作為固相,水和空氣分別作為液相和氣相,除了對一種具有相同氣液分布比的分布板進行研究外,還考察了六種具有不同氣液分布比的分布板。在低氣體流量下,安裝不同分布板時,空隙率基本相似。但是,在高氣速下分布板的幾何形狀對空隙率的影響就很明顯,尤其對于密度小的顆粒影響更為嚴重,這可能是由于氣液分布板的加入使氣液循環量增大的緣故。安裝相同氣液分布比的分布板與安裝不同分布比的分布板相比,全床空隙率要高,除非后者產生更小的氣泡。
    清華大學楊衛國等l1 用管式氣液分布器來實現氣液固流化床中的氣液分布,如圖9所示。水分兩路引入床中:主水由塔底進入,經管式分布器均勻分布后用于流化顆粒;二次水從塔側部引入,經板式分布器均布后用來改變固相人口阻力,從而調節顆粒的循環量。
                        
                        
    迄今為止,研究者已開發了多種應用于流化床換熱器的流固分布器。氣體分布器的發展已進入成熟階段,但由于技術保密等原因,尚未見到關于氣液固三相流化床換熱器顆粒分布裝置的詳細報道。為進一步提高流化床換熱器的換熱和防、除垢質量,需要優化配置流固分布器,使氣液固在床體中更好地均勻分布,這將是一個長久的探討課題。
    參考文獻
    1.郭宜祜,王喜忠,流化床基本原理及其工業應用[M],北京:化學工業出版社,1980,
    2.趙明舉,曹青,宋旗躍,等,不均勻布風的內循環流化床特性研究[J],煤炭轉化,2002,25(4),50~53.
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