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文檔簡介
1、多相流化床換熱器流固分布裝置發(fā)展現(xiàn)狀孫姣一張少(河北工業(yè)大學(xué))摘要:對多相流化床換熱器流固分布裝置的發(fā)展情況進行了綜合分析,為進一步優(yōu)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(guān)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(tǒng)換熱器的基礎(chǔ)上引入惰性氣體或固體顆粒并實現(xiàn)固體顆粒的 分離和再循環(huán)。在影響多相流化床換熱器設(shè)計和放大的諸多因素中,固體顆粒在床內(nèi)的行為 (顆粒在床內(nèi)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(nèi)的流體力學(xué)性質(zhì)、傳熱系數(shù)以及垢層的形成和去除等。因此,多相 流
2、化床換熱器設(shè)計和運行的關(guān)鍵之一就是使換熱設(shè)備中數(shù)量眾多的上升管中的工況盡可能 一致,同時上升管和循環(huán)管的結(jié)構(gòu)和阻力要合適,這樣才能實現(xiàn)有效可靠的顆粒循環(huán)。要使 固體粒子均勻分布,避免無顆?;蝾w粒較少的管內(nèi)結(jié)垢而影響正常運行,就需要在物料人口 處設(shè)置氣液和顆粒分布裝置。為此,研究者開發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)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(yè)上一般采用錐帽和泡罩型分布板。流體分布板對流 化質(zhì)量的影響很大。根據(jù)板孔數(shù)量的不同,可將分布板分為單孔板、多孔板和密孔板。有關(guān) 研究證實,
3、采用密孔板能使流體與固體顆粒之間接觸良好,對流化質(zhì)量有利。但在工業(yè)設(shè)備 中要考慮到這種高壓降分布板所消耗的動力,并從經(jīng)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(fā)展已經(jīng)很完善。工業(yè)生產(chǎn)用的氣體分布板的形式有很 多種,主要有直流式、側(cè)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(jié)構(gòu)簡單,易于設(shè)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,- 般不使用直流式分布板。石油催化裂化的流
4、化床反應(yīng)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(yīng)力。由于鼓泡和溝流 主要發(fā)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(xiàn)象。(砂直孔板形fffi板圈1直旋式分布板側(cè)流式分布板側(cè)流式分布板如圖2所示,側(cè)流式分布板在分布板的孔中裝有錐形風(fēng)帽(或錐帽),氣流 從錐帽底部的側(cè)縫或錐帽四周的側(cè)孔流出。目前這種帶錐帽的分布板應(yīng)用最廣,效果也較好。 其中側(cè)縫式錐帽采用尤多,它具有下列優(yōu)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(zhì)量;氣體緊貼分布板面從側(cè)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
5、除了在板面上形成死床和發(fā)生燒結(jié)的現(xiàn)象。 a)側(cè)繾式錐帽分布板(b)JS孔式錐帽分布板02側(cè)流式分布板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(wǎng)上間隔地鋪上 卵石一石英砂一卵石。該分布板結(jié)構(gòu)簡單,能達到均勻布氣的要求,因而具有較好的流化質(zhì) 量。圖3填充式分布板(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10。的噴嘴噴出。該噴嘴 常用于流化床煤氣發(fā)生器,一般應(yīng)用于對氣體產(chǎn)品要求不高的粗粒流化床。排灰口圖4旋流式噴嘴(5)短官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(shè)置了若 干根短管,每根短管下
6、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(wěn)定。短管不應(yīng)過短,否則起不到應(yīng)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(shè)計了應(yīng)用于內(nèi)循環(huán)流化床的不均勻布風(fēng)分布板,如圖5所示。這種分布板有兩 個不同開孔率的區(qū)域,中部為低開孔率區(qū),運行時呈移動床狀態(tài);周圍為高開孔率區(qū),運行 時呈流態(tài)化狀態(tài)。兩種狀態(tài)共同作用,實現(xiàn)物料在床內(nèi)的內(nèi)部循環(huán)。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(chuàng)造一個良好的起始流化條件并將此穩(wěn)定地保持下去。氣體分布板已
7、在工業(yè) 中得到廣泛的應(yīng)用。圖5不均勻布風(fēng)旅化床氣體分布板2固液分布器在液固流化床換熱器中顆粒分布板的設(shè)計研究還很不完善。在國外的許多研究中,都設(shè) 計出了顆粒循環(huán)和分布裝置。但由于該項技術(shù)的保密性,有關(guān)顆粒循環(huán)和分布裝置的詳細設(shè) 計還未見文獻報道,而且在國外其所應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域也不寬。D. G. K1aren_j首先采用多孔板作為液體和顆粒分布板,隨后又設(shè)計了一種固體顆粒 分布板,使固體顆粒和流體在換熱器官箱中接觸、流化并均勻混合,經(jīng)分布板后進入換熱器 管束。但沒有分布板的具體結(jié)構(gòu)和分布性能的實驗數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)都有明顯提高。在國內(nèi),葉施
8、仁等對液固流態(tài)化換熱器的結(jié)構(gòu)進行改進,在下管箱內(nèi)增加一塊開孔率 較低的篩板作為分布器,流體介質(zhì)流經(jīng)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(cè)的壓差A(yù)JP就愈小;流體介 質(zhì)流速愈大,AJP也愈大;AJP通常為48kPa;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(nèi)顆粒的流化質(zhì)量;實驗表明,孔徑4mm和5mm 都可以滿足要求,且孔板與循環(huán)管之問的距離在75mm90mm之間為宜。劉吉普、吳金香等對管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化換熱器進行研究。開發(fā)了兩種不同形式的 分布板:篩孔結(jié)構(gòu)式分布板和泡罩結(jié)構(gòu)式分布板,如圖6和圖7
9、所示。(1)篩孔結(jié)構(gòu)式分布板篩孔結(jié)構(gòu)式分布板上均布許多篩孔,孔徑是固體粒子的l3倍。分布板上對應(yīng)于下降管 管口下方位置大于下降管內(nèi)徑的區(qū)域不開孔,并安裝與底部相通的、在側(cè)面成水平或稍向上 傾斜的開有導(dǎo)砂孔的導(dǎo)流件。這樣可減小由底部進入的液體對循環(huán)下降管管口的沖擊力,使 進入的液體通過導(dǎo)流件上的導(dǎo)砂孔噴出,有效地加快了固體粒子的回送。(2)泡罩結(jié)構(gòu)式分布板泡罩結(jié)構(gòu)式分布板的邊緣做成鋸齒形,泡罩直徑為該泡罩應(yīng)負擔的分布板當量圓直徑的0. 50. 75倍,在泡罩上對應(yīng)于下降管口稍大于下降管外徑的圓周上,開若干導(dǎo)砂孔。由 于泡罩的作用,使液固流態(tài)化沸騰且相當激烈。此時應(yīng)在下降管管口與上升管管口之間的橫
10、 截面上安裝使液固流態(tài)化均勻穩(wěn)定的均布板,均布板上設(shè)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(jié)構(gòu)式分布板上篩孔的雜物時,或者可能在篩孔上結(jié)垢引起 堵塞時,可采用泡罩結(jié)構(gòu)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(shè)計出三種多孔板,用于液固循環(huán)流化床作為 顆粒分布器,并進行了初步研究。結(jié)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(yīng)器中的氣液分布不均勻的問題,國外Dong Hyun Lee等.七 在一個直
11、徑為127mm的三相循環(huán)流化床中,對其內(nèi)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(yù)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(huán)量增大
12、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(chǎn)生更小的氣泡。清華大學(xué)楊衛(wèi)國等l1用管式氣液分布器來實現(xiàn)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(jīng)管式分布器均勻分布后用于流化顆粒;二次水 從塔側(cè)部引入,經(jīng)板式分布器均布后用來改變固相人口阻力,從而調(diào)節(jié)顆粒的循環(huán)量。令氣和水進口水進口幸氣進口圖8氣液分布板(不同開孔形式的分布板,圖中圓圈表示水的入口,實點表示氣體人口 J圈9管式氣液分布器1一氣被分布管?一氣體入口 3一二次水入口4-i 水人口 5 R 水口迄今為止,研究者已開發(fā)了多種應(yīng)用于流化床換熱器的流固分布器。氣體分布器的發(fā)展 已進入成熟階段,但由于技術(shù)保密等原因,尚未見
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