气-液-固三相逆流化床热量传递研究

丁 洁

（青岛职业技术学院，山东 青岛 266555）



气-液-固三相逆流化床热量传递研究

丁 洁

（青岛职业技术学院，山东 青岛 266555）

摘 要：在内径0.152 m，高2.5 m的气-液-固三相逆流化床中系统研究了热量传递特性特性。获得了气体和液体速度及聚乙烯和聚丙烯颗粒密度对内置加热器与床层间热量传递系数的影响规律。研究结果表明密度相对高的聚乙烯颗粒的逆流化床的热量传递系数比密度相对低的聚丙烯颗粒的逆流化床的热量传递系数大；随着气体速度的增加，热量传递系数增加。然而，随着液体速度增加，热量传递系数具有最大值。在热量传递系数达到最大值时对应的液体速度随着颗粒密度或气体速度的增加而降低。

关 键 词：逆流化床；传热系数；传递

逆向流化过程是一个非常重要的研究技术，目前在生物化工、生物过程、食品、环境以及石油化工过程等领域的应用得到迅速广泛的关注［1-3］。然而，对于两相和三相逆流化床，关于热量传递方面的研究与动力学方面研究相比更少［4］。近几年，两相和三相逆流化床在生物过程中的应用越来越引起人们的关注，在生物反应器或生物过程中准确控制和维持温度，为微生物提供良好的环境显得至关重要［5］。为了进一步丰富两相和三相逆流化床在生物化工的应用理论，系统研究三相逆流化床传热规律，为了设计和放大该类型反应器奠定基础。

在本文中，系统研究了两相或三相逆流化床热量传递现象规律，获得了气体和液体速度及颗粒密度对内置加热器与床层间热量传递系数的影响规律。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置为内径0.152 m和高2.5 m的有机玻璃塔，见图1所示。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

液体分布器安装在主反应器的顶部。液体由储水槽经过内径2.54 cm的管子通过液体缓冲部分进入反应器。液体分布器安装在主反应器和不锈钢盒子间以保证液相往下流动。在反应器底部，气体通过四个均匀间隙6.35 mm的管式气体分布器进入塔中，该管式气体分布器含有孔径1 mm的28个孔组成。

1.2 测试方法

气体和液体流速由流量计测量，其数值大小利用在进料和旁路管线的球形阀控制。

在逆流流化床的中心处，垂直安装一个管壳式加热器（内径25.4 mm×1.5 m长度）。利用（J型）铁-康铜热电偶测量加热器表面和流化床床体的温度，这些热电偶以15 cm的高度间隔安装在塔中［6］。

根据外界提供热量和加热器表面与流化床床体间温度差，利用下面方程确定热量传递系数［7］。

式中:h — 热量传递系数，J/（m2·K·s）；

Q — 热量流量，J/s；

A — 加热器表面积，m2；

Th和TB— 分别表示加热器表面温度和床层温度，K。

在整个实验过程中，水为连续液相，压缩过滤空气为气相，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）珠为固相，它们密度分别为966.6和877.3 kg/m3，粒径为4 mm。应用Erma型接触角测量仪（model G-1， Japan）测量每个颗粒与水的接触角。PP和PE颗粒的接触角分别为84°和85°。

2 结果与讨论

2.1 液固逆流化床传热系数（h1）的研究

以PE和PP为固相，系统考察了不同液速对逆流化床传热系数的影响规律，其结果如图2所示。

由图2结果可见，随着液体速度增大传热系数增大，然而，进一步增大液体速度，传热系数减小，对以PE 和PP颗粒为固相的流化床，传热系数有一个极大值。该传热系数的变化趋势与传统流化床的变化趋势非常相似［6］。传热系数随着液体速度的变化具有最大值的原因是由于固含量和固体流动行为的变化引起的。在较低液体速度范围内，颗粒不能充分流化，不能对热量传递产生足够湍动。这样，增加液速导致湍动增加，从而引起传热系数的增加。然而，在较高液体速度范围内，进一步增加液体速度，固含量降低很明显。由于流化颗粒的存在，降低了湍动程度。随着液体速度进一步增加，传热系数降低。

图2 液体速度对液-固逆流化床传热系数（h1）的影响Fig.2 Effect of liquid velocity on hlin liquid-solid inverse fluidized beds

由图2还发现，以PE为固相的传热系数比以PP为固相的传热系数高。这表明具有相对高密度的颗粒对传热更有效。

2.2 间歇三相逆流化床传热系数（h2）的研究

以PE和PP为固体颗粒，考察了不同气体速度对间歇三相逆流化床传热系数（h2）的影响，结果见图3。

图3 三相逆流化床气体速度对传热系数（h2）的影响Fig.3 Effect of gas velocity on h2in three-phase inverse fluidized beds（UL=0）

在间歇过程（UL=0），颗粒仅仅通过气体流动实现流化。由图3可见，由于随着气体速度增加湍动程度增加，所以，随着气体速度增加两种颗粒条件下的传热系数均增加，且以PE为固相的传热系数比以PP为固相的传热系数高。随着气体速度增加气泡大小和上升速度均增加，导致床层的湍动强度随着气体速度增加剧烈增加。然而，间歇系统得到的传热系数（h2）值比连续系统得到的传热系数（h3）略低。

2.3 三相逆流化床传热系数（h3）的研究

图4给出了气体速度对三相逆流流化床中传热系数（h3）的影响规律。

由图4结果可见，随着气体速度增加，传热系数（h3）几乎呈线性增加。由于随着气体速度增加，鼓泡现象变得更加剧烈，气泡与颗粒间传质传热阻力降低，增大了传热系数。可以理解为：随着气体速度增加，三相床中气固相间湍动强度增加，增加了气泡和气泡聚并体的破裂程度，使得气泡的数目增加，导致气含率增加。为了强化传热，在条件允许的情况下，尽可能增加气体的流量。

图4 三相逆流化床气体速度对传热系数（h3）的影响Fig.4 Effect of gas velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

图5给出了液体速度对三相逆流流化床中传热系数（h3）的影响规律。

图5 三相逆流化床液体速度对传热系数（h3）的影响Fig.5 Effect of liquid velocity on h3in three-phase inverse fluidized beds

由图5可以看出，随着液体速度增加，传热系数（h3）有一个最大值。与传统三相流化床相比，三相逆流化床的传热系数（h3）的变化趋势非常相似。这由于固含率降低及固体颗粒流型转变造成的。也就是说，在较高液体速度范围内，随着液体速度增加，固含率降低非常明显，导致流化颗粒与加热器表面接触概率下降，且接触不充分，这样，加热器表面周围液体薄膜不能有效破坏。所以，进一步增加液体速度，导致传热系数（h3）降低。此外，在较高液体速度范围内，固含率降低势必将减少散式流化范围内的湍动强度。通过实施干扰三相流化床中液相连续流动的流体单元和上升气泡措施，使得流化颗粒具有一个较大的湍动势能。

3 结 论

（1）以相对高密度的PE为流化颗粒的两相或三相逆流化床中，传热系数大于以相对低密度的PP为流化颗粒的逆流化床。

（2）随着气体速度增加传热系数增加；然而，在液-固和三相逆流化床中，随着液体速度增加，传热系数具有一个最大值。

（3）在两相和三相逆流化床中，增加颗粒密度或气体速度，传热系数达到最大值时对应的液体速度降低。

参考文献：

［1］Beristain-Cardoso R， Texier A C， Sierra-Álvarez R， et al . Simultaneous sulfide and acetate oxidation under denitrifying conditions using an inverse fluidized bed reactor［J］. Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2008， 83（9）：1197-1203.

［2］Rajasimman M， Karthikeyan C . Performance of inverse fluidized bed bioreactor in treating starch wastewater［J］. Frontiers of Chemical Engineering in China，2009，3（3）：235-239.

［3］Sokol W， Woldeyes B . Evaluation of the inverse fluidized bed biological reactor for treating high-strength industrial wastewaters［J］. Advances in Chemical Engineering and Science， 2011， 1（5）：239-244.

［4］刘明言，孙冰峰，林瑞秦 . 三相流化床传热模型与计算式分析［J］.化学工程，2006， 34（1）：12-15 .

［5］刘明言，聂万达，姜峰，等 . 中药更年安浸取液汽液固三相流自然循环蒸发浓缩［J］. 化工学报， 2003，54（7）：1029-1131.

［6］Kang Y， Sun I S， Kim S D . Heat transfer characteristics of three-phase fluidized-beds［J］. Chemical Engineering Communication，1985，34（1）：1328-1332.

［7］林诚， 林春深， 张济宇 . 三相流化床间歇反应器中固体轴向浓度分布［J］. 化工学报，2001，2（52）：3-7.

Study on Heat Transfer in Gas-Liquid-Solid Three Phases Inverse Fluidized Bed

DING Jie
（Qingdao Technical College， Shandong Qingdao 266555， China）

Abstract:A gas-liquid-solid three phases inverse fluidized bed with 0.152 m diameter and 2.5 m height was employed to investigate the characteristics of heat transfer. Effect of gas and liquid velocities and particle density （polyethylene and polypropylene） on the immersed heater-to-bed heat-transfer coefficient was determined. The results show that the heat-transfer coefficient in two- and three-phase inverse fluidized beds with relatively high density particles （polyethylene） is higher than that in the beds with relatively low density particles （polypropylene）. The heat-transfer coefficient increases with increasing of gas velocity. However， it exhibits the maximum value with increasing of liquid velocity in liquid-solid as well as three- phase inverse fluidized beds. The liquid velocity decreases with increasing of particle density or gas velocity when the heat-transfer coefficient reaches to the maximum value.

Key words:Inverse fluidized bed； Heat-transfer coefficient； Transfer

中图分类号：TQ 051.6

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0253-03

收稿日期：2015-09-26

作者简介：丁洁（1967-），女，山东省潍坊市人，高级工程师，1992年毕业于青岛科技大学无机化工专业，研究方向：从事化工工艺开发工作。E-mail：Dj5791@163.com。