一种用于鼓泡流化床内颗粒流动特性研究的实验装置及方法与流程

本发明涉及一种以鼓泡流化床为理论基础，能够同时进行干颗粒系统和湿颗粒流动特性研究的实验装置及方法。

背景技术：

床内流化气体的速度超过颗粒的最小流化速度时的流化床被称为“鼓泡流化床”。此时，床内颗粒系统将不再保持均匀稳定的状态，流化床底部所产生的气泡将穿过固体颗粒密相区达到床层表面。床内伴随着气泡的产生、运动、成长和破裂的周而复始的过程，期间强烈的鼓泡现象使得颗粒的运动变得更加剧烈，并且颗粒系统存在复杂的混合、团聚和分离现象。

对于实际生产中，颗粒系统中不可避免的存在一定量的液体。早在1960年代，人们已经在工业应用中提出了湿颗粒的流化问题。由于尺度效应，液桥力在毫米和微米尺度范围内相对于惯性力来说不可忽略，这导致了湿颗粒系统的流体动力学行为与运动特性和干颗粒系统的差别很大，出现颗粒的流态化变弱甚至失效，即发生“去流态化现象”：大量的湿颗粒形成稳固的聚团或结块、床内气泡尺寸减小而颗粒流化所需的操作气体量增加，甚至在流化床中形成固定的气体通道的气体短路现象。这种“去流态化现象”将对湿颗粒系统的混合、分离和传热传质等流体动力学过程产生很大的影响，从而影响流化床的设计和运行。深入了解和掌握湿颗粒系统中气固两相流的微观机理和宏观动力学规律，如颗粒、颗粒聚团和气泡等介尺度结构的瞬态和时均特征，对于化工反应器等的设计、运行和优化有着重要的实际意义。

但是对鼓泡流化床内湿颗粒运动特性进行实际探测是一大难题。因此结合PIV（Particle image velocimetry，粒子图像测试技术）来详细深入研究床内湿颗粒以及湿颗粒聚团（气泡）等介尺度结构，对于改进现有流化床的设计和运行是至关重要的，同时有助于深入了解鼓泡流化床内颗粒的流动特性，利于提高规模化和设计更高效的工业过程。因此，对于设计一种用于研究鼓泡流化床内湿颗粒流动特性的实验装置及方法是十分重要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于鼓泡流化床内颗粒流动特性研究的实验装置及方法，能够进行同时进行干颗粒系统和湿颗粒流动特性研究。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于鼓泡流化床内颗粒流动特性研究的实验装置，包括PIV图像处理系统、高速摄像机、光源、加湿器、固定支架、鼓泡流化床、布风板、风室、热风流量计、通风管道、涡轮流量计、气体阀门和风机，其中：

所述鼓泡流化床固定在固定支架上；

所述加湿器安装在鼓泡流化床顶部；

所述光源设置在鼓泡流化床的斜上方45°角；

所述高速摄像机位于鼓泡流化床前部并与PIV图像处理系统连接，对颗粒在鼓泡流化床内的流动情况进行等时间间隔高频率瞬时拍摄，最后通过相关分析得到颗粒在鼓泡流化床内的速度场分布情况；

所述风室为倒锥形，位于鼓泡流化床底部，通过布风板与鼓泡流化床连接；

所述热风流量计安装在靠近鼓泡流化床风室入口的位置；

所述风机通过通风管道与风室连接；

所述通风管道上安装有涡轮流量计和气体阀门。

一种利用上述实验装置研究鼓泡流化床内颗粒流动特性的方法，包括如下步骤：

一、将实验用颗粒均匀填充在鼓泡流化床底部；

二、打开高速摄像机，将鼓泡流化床恰好全部摄入镜头之内，同时调节光源，使高速摄像机内拍摄到的画面足够清晰以便保证后期图像处理的准确性；

三、打开风机，调节气体流量，同时观察涡轮流量计的示数，当示数稳定之后等时间间隔读取气体流量，多次读取之后取平均值；

四、当流动稳定且拍摄了足够长的时间，即鼓泡床颗粒出现周期性运动变化，同时注意到风机温度不要过热，先关闭风机，当颗粒完全静止之后，关闭高速摄像机；将拍摄结果导入后处理电脑中，得到颗粒流动特性。

本发明中，实验颗粒为干颗粒或湿颗粒。

本发明中，当颗粒为干颗粒时，在流化过程中应保证流化床内为干燥状态。

本发明中，当颗粒为湿颗粒时，所述湿颗粒为干颗粒与硅油的混合物，所需硅油的体积为颗粒总体积的0.1~5%，在流化过程中通过加湿器向颗粒系统中加入一定量的硅油，以保证流化床内硅油的体积分数保持不变。

与其他技术相比，本发明具有以下优点：

（1）实验过程中，用于混合的湿颗粒的水选用硅油代替：选用硅油的目的在于其物理性质与水相似，但不具有挥发性，不涉及到传热传质等复杂过程，可以代替水来研究鼓泡流化床湿颗粒系统中两相流动状态。如果选用水用于湿颗粒流动特性的研究，则需要考虑水的蒸发以及传质等复杂传热传质过程，由于目前主要是针对冷态实验环境进行研究，所以为了避免水作为湿颗粒研究介质所带来的干扰，本发明选用硅油作为实验液体介质。

（2）鼓泡流化床布风板下侧设有倒锥形的风室，其目的在于使流化气体从管道进入鼓泡流化床布风板过程中，气体在风室内可以实现均匀布风。

（3）从目前的研究来看，多数的研究单纯集中更在于干颗粒流动特性的实验研究上，而实际过程中颗粒系统中不可避免的存在一定量的液体，且液体的存在对颗粒流动特性产生重要的影响。为了弥补以上缺点，本实验结构设置了加湿器装置，根据不同工况的要求可以在实验过程中向颗粒系统各种添加不同量的液体，保证实验过程中液体量基本保持不变，因此可以更为准确地实现对鼓泡流化床内湿颗粒流动特性的研究。

（4）目前对于流化床内颗粒流动的实际探测存在一定的难度，这很不利于颗粒流动特性的研究：本发明选用PIV图像处理系统，对颗粒在鼓泡流化床内的流动情况进行等时间间隔高频率瞬时拍摄，最后通过时均处理得到颗粒在鼓泡流化床内的速度场分布情况。利用PIV图像处理系统颗粒在鼓泡流化床内的流动过程，能够有效分析湿颗粒在鼓泡流化床内的流动特性。

（5）在布风板处安装热风流量计，在鼓泡流化床入口处重新测量流量，可以保证气体测速的准确性。

附图说明

图1为鼓泡流化床实验装置实物图，图中：1-PIV图像处理系统，2-高速摄像机，3-光源，4-加湿器，5-固定支架，6-鼓泡流化床，7-床内颗粒，8-布风板，9-风室，10-热风流量计，11-通风管道，12-涡轮流量计，13-气体阀门，14-风机；

图2为相对液体量为0.55%时鼓泡床内颗粒运动；

图3为相对液体量为0.91%时鼓泡床内颗粒运动。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的用于鼓泡流化床内湿颗粒流动特性研究的实验装置由PIV图像处理系统1、高速摄像机2、光源3、加湿器4、固定支架5、鼓泡流化床6、床内颗粒（实验用干颗粒或湿颗粒）7、布风板8、风室9、热风流量计10、通风管道11、涡轮流量计12、气体阀门13和风机14构成，其中：

所述鼓泡流化床6固定在固定支架5上；

所述加湿器4安装在鼓泡流化床1顶部；

所述光源3设置在鼓泡流化床6斜上方45°角；

所述高速摄像机2位于鼓泡流化床1前部并与PIV图像处理系统1连接，对床内颗粒7在鼓泡流化床6内的流动情况进行等时间间隔高频率瞬时拍摄，最后通过相关分析得到床内颗粒7在鼓泡流化床7内的速度场分布情况；

所述风室9为倒锥形，用于流化气体均匀布风，风室9位于鼓泡流化床6底部，通过布风板8与鼓泡流化床6连接；

所述热风流量计10安装在鼓泡流化床6风室9入口的位置；

所述风机14通过通风管道11与风室9连接；

所述通风管道11上安装有涡轮流量计12和气体阀门13，其中：涡轮流量计12靠近鼓泡流化床风室入口。

上述鼓泡流化床内湿颗粒流动特性研究的实验装置工作过程如下：

气体通过风机送入位于鼓泡流化床底部的风室，在这过程中，气体经过足够长的通风管道，使气体流动得到充分发展。涡轮流量计安装在通风管道上并靠近鼓泡流化床风室入口的位置此举可以最大程度的减少管道沿程阻力对流量测量的影响，使测量结果更为接近于鼓泡流化床底部的气体流量，准确的测量有利于后期对相同工况下的鼓泡流化床内颗粒流动状态进行模拟计算；气体通过鼓泡流化床底部的布风板均匀送入鼓泡流化床内，对床内颗粒进行流化；实验开始前，将干颗粒或者混合好的湿颗粒均匀填充在鼓泡流化床底部，气体在鼓泡流化床底部均匀布风，在流化气体的作用下颗粒在鼓泡流化床内随气体运动；颗粒运动开始之前，将高速摄像机打开，保证鼓泡流化床内颗粒运动范围恰好填充在高速摄像机的画面当中。在拍摄过程中，在鼓泡流化床后部外壁上粘有深色吸光纸，因此减少实验过程中造成的杂光干扰。

注意事项：

（1）应严格控制环境温度和实验持续时间，为保证各个工况下湿颗粒系统的液体量基本不变；

（2）高速相机拍摄的图像质量很大程度上取决于鼓泡流化床的照明情况，因此，必须在鼓泡流化床的前部使用大功率探照灯实现连续的强光照明，并且探照灯对鼓泡流化床的照明角度应小于45°，减少灯光在树脂玻璃上的反射对图像质量降低的影响；

（3）应尽量减少周围杂光的干扰，一方面，在鼓泡流化床背部布置深色的布，以吸收其他物体多余的反射光，以及由于室内人员走动在鼓泡流化床玻璃上产生的倒影，另一方面，将整个实验设备放置在一个黑暗的房间里以避免其他杂光光源的干扰。

具体实施方式二：准备足够且适量直径为2.50mm的球形颗粒，并将颗粒均匀填充在鼓泡流化床底部，打开高速摄像机，将鼓泡流化床恰好全部摄入镜头之内，同时调节光源，使摄像机内拍摄到的画面足够清晰以便保证后期图像处理的准确性；打开风机，调节气体流量，同时观察涡轮流量计的示数，当示数稳定之后等时间间隔读取气体流量，多次读取之后取平均值；在流化过程中保证流化床内为干燥状态，当流动稳定且拍摄了足够长的时间之后，先关闭风机，当颗粒完全静止之后，关闭高速摄像机；将拍摄结果导入后处理电脑中，得到颗粒的速度分布等结果。

具体实施方式三：准备足够且适量直径为2.50mm的球形颗粒，按颗粒总体积以及所需液体量0.55%计算好所需硅油的体积，并颗粒硅油混合均匀；将混合好的颗粒均匀填充在鼓泡流化床底部，打开高速摄像机，将鼓泡流化床恰好全部摄入镜头之内，同时调节光源，使摄像机内拍摄到的画面足够清晰以便保证后期图像处理的准确性；打开风机，调节气体流量，同时观察涡轮流量计的示数，当示数稳定之后等时间间隔读取气体流量，多次读取之后取平均值；在流化过程中通过加湿器向颗粒系统中加入一定量的硅油，以保证流化床内硅油的体积分数保持不变，当流动稳定且拍摄了足够长的时间之后，先关闭风机，当颗粒完全静止之后，关闭高速摄像机；将拍摄结果导入后处理电脑中，得到颗粒的速度分布等结果（图2）。

具体实施方式四：准备足够且适量直径为2.50mm的球形颗粒，按颗粒总体积以及所需液体量0.91%计算好所需硅油的体积，并颗粒硅油混合均匀；将混合好的颗粒均匀填充在鼓泡流化床底部，打开高速摄像机，将鼓泡流化床恰好全部摄入镜头之内，同时调节光源，使摄像机内拍摄到的画面足够清晰以便保证后期图像处理的准确性；打开风机，调节气体流量，同时观察涡轮流量计的示数，当示数稳定之后等时间间隔读取气体流量，多次读取之后取平均值；在流化过程中通过加湿器以保证流化床内硅油的体积分数保持不变，当流动稳定且拍摄了足够长的时间之后，先关闭风机，当颗粒完全静止之后，关闭高速摄像机；将拍摄结果导入后处理电脑中，得到颗粒的速度分布等结果（图3）。