王成秀，李婧雅，蘇 鑫，吳 賢，藍(lán)興英，葉 茂，高金森

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023

中國(guó)煉油廠實(shí)現(xiàn)可續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)型發(fā)展，眾多煉油企業(yè)已經(jīng)向煉油與化工結(jié)合的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變。石油催化裂解工藝生產(chǎn)低碳烯烴是一種有效的煉化一體化工藝技術(shù)。催化裂解工藝主要采用提升管作為反應(yīng)器，但提升管反應(yīng)器存在較大的氣固返混現(xiàn)象，氣固接觸時(shí)間長(zhǎng)和嚴(yán)重的氣固分布不均勻性會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物分布不理想、干氣及焦炭等低附加值產(chǎn)物產(chǎn)率比較高，影響整個(gè)過(guò)程經(jīng)濟(jì)性。

提升管反應(yīng)器氣固不均勻分布的本質(zhì)原因是其內(nèi)氣固流動(dòng)均為逆重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，而下行床反應(yīng)器內(nèi)氣固并流順重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，其均勻的氣固分布、短停留時(shí)間及接近平推流特性的流型使其具有一些提升管反應(yīng)器不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是下行床反應(yīng)器內(nèi)的顆粒濃度比提升管低，會(huì)降低氣固之間的傳熱效率，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率[1-9]。目前下行床內(nèi)氣固流動(dòng)規(guī)律、氣固混合行為、熱量及質(zhì)量傳遞現(xiàn)象及模型模擬已有大量研究工作報(bào)道[1-4,10-17]，這些研究中涉及的顆粒循環(huán)速率較小[Gs通常小于200 kg/(m2·s)]、床內(nèi)平均顆粒濃度較低（εs通常小于0.01），即研究多是在低密度條件下進(jìn)行的。也有一些對(duì)提高下行床內(nèi)顆粒濃度的系統(tǒng)研究[18-22]，LIU 等[18]在直徑為25 mm、高為5 m 的下行床內(nèi)對(duì)顆粒濃度分布進(jìn)行了研究，流化催化裂化（FCC）顆粒作為實(shí)驗(yàn)原料時(shí)顆粒循環(huán)速率最高達(dá)到400 kg/(m2·s)，以此提出了下行床內(nèi)顆粒循環(huán)速率達(dá)到200 kg/(m2·s)，顆粒濃度達(dá)到5%時(shí)，即可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了下行床的高密度操作。WANG 等[20]在直徑為50 mm、高度為5 m 的下行床內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，顆粒循環(huán)速率最高達(dá)到700 kg/(m2·s)。陳恒志[23]研究了高為5.6 m、直徑為80 mm 的下行床內(nèi)顆粒濃度的軸向、徑向分布等宏觀特性，發(fā)現(xiàn)較小的表觀氣速（Ug不大于2 m/s）下，顆粒循環(huán)速率Gs最高達(dá)到600 kg/(m2·s)。

鑒于目前有關(guān)高密度下行床的研究尚不充分，已有研究在床體尺寸、操作條件上都有很大的局限性，為進(jìn)一步探索高密度下行床的顆粒分布特性，本實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床裝置中，采用FCC顆粒進(jìn)行高密度下行床內(nèi)顆粒濃度及顆粒速度的分布特性研究，更深入地了解下行床內(nèi)的流動(dòng)特性，以期為實(shí)現(xiàn)下行床工業(yè)化提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

循環(huán)流化床系統(tǒng)包括提升管、氣固分離系統(tǒng)、伴床、下行床及儲(chǔ)料罐，見(jiàn)圖1。除儲(chǔ)料罐采用不銹鋼材質(zhì)外，其他部分均為有機(jī)玻璃材質(zhì)。下行床直徑為80 mm、高為8 m。下行床入口采用多管束約束入口，保證下行床內(nèi)顆粒分布的均勻性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由壓縮機(jī)來(lái)的空氣在提升管底部與儲(chǔ)料罐底部的FCC 顆?；旌希瑲夤滩⒘飨蛏线\(yùn)動(dòng)至提升管頂部，經(jīng)主旋風(fēng)分離器分離，固相由換向閥將顆粒引入下行床，主旋風(fēng)分離器上方的氣相經(jīng)次級(jí)旋風(fēng)分離器和布袋除塵器再次分離后排出，夾帶的顆粒由伴床返回儲(chǔ)料罐。進(jìn)入下行床的顆粒經(jīng)下行床入口的分布器與另一股空氣混合后進(jìn)入下行床，在重力和曳力的雙重作用下與氣體并流向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)快分裝置分離后大部分顆粒直接進(jìn)入儲(chǔ)料罐以完成循環(huán)，氣體則夾帶少部分顆粒進(jìn)入右側(cè)升氣管后由次級(jí)旋風(fēng)分離系統(tǒng)分離，顆粒返回儲(chǔ)料罐，氣體經(jīng)布袋除塵器進(jìn)一步凈化后排出。

FCC 固體顆粒的平均粒徑為85 μm，顆粒密度為1 500 kg/m3，顆粒堆積密度為970 kg/m3。下行床內(nèi)顆粒濃度與顆粒速度測(cè)定儀采用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所開(kāi)發(fā)的PV6D 型顆粒速度測(cè)定儀。實(shí)驗(yàn)所用FCC 固體顆粒的粒徑分布及所用測(cè)試儀器工作原理可參考文獻(xiàn)[24]。

圖1 循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of the circulating fluidized bed

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒濃度的徑向分布規(guī)律

圖2 為不同氣速和顆粒循環(huán)速率時(shí)下行床內(nèi)軸向位置z 為3.58 m 處顆粒濃度徑向分布。由圖中可以看出，當(dāng)顆粒循環(huán)速率（Gs）達(dá)到700 kg/(m2·s)時(shí)，下行床內(nèi)顆粒濃度（體積比）在整個(gè)徑向位置均大于0.05，這說(shuō)明在該操作條件下下行床內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高密度操作。從圖2 還可以看出，在所有操作條件下，下行床內(nèi)顆粒濃度在徑向分布均呈現(xiàn)“中間稀邊壁濃”的特點(diǎn)。尤其是在高密度操作條件下，這種不均勻分布特性更明顯。根據(jù)顆粒濃度在徑向上的分布規(guī)律，可以將下行床截面劃分成兩個(gè)區(qū)域，局部顆粒濃度基本恒定的中心區(qū)（r/R 為0～0.707）和顆粒濃度較中心區(qū)大的邊壁區(qū)（r/R為0.707～1）?？梢钥闯?，和提升管內(nèi)顆粒濃度分布相比，下行床顆粒濃度徑向分布更均勻，即便是在高密度操作條件下，下行床內(nèi)顆粒濃度仍然比提升管內(nèi)均勻很多。從中心區(qū)到邊壁區(qū)，提升管內(nèi)顆粒濃度相差達(dá)到300%，而下行床內(nèi)的顆粒濃度在高密度下的變化率只有50%。

圖2 下行床內(nèi)顆粒濃度的徑向分布的典型形式Fig.2 Typical radial profiles of solid holdup in the downer

圖3 給出了不同表觀氣速和顆粒循環(huán)速率時(shí)下行床不同軸向位置的顆粒濃度徑向分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，顆粒循環(huán)速率越大，任一軸向位置的徑向顆粒濃度也越大；當(dāng)顆粒循環(huán)速率較小，如Gs為300 kg/(m2·s)時(shí)，表觀氣速?gòu)? m/s 變化到2 m/s 并沒(méi)有造成顆粒濃度的明顯變化，而當(dāng)顆粒循環(huán)速率增加至500 kg/(m2·s)時(shí)，表觀氣速2 m/s 條件下顆粒濃度則較1 m/s 略有減小。

圖3 不同操作條件下顆粒濃度徑向分布Fig.3 Radial profiles of solid holdup a under various operating conditions

比較圖3 中不同軸向位置處的顆粒濃度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒循環(huán)速率低于500 kg/(m2·s)時(shí)，z為0.08 m 處的濃度分布顯著不同于其它軸向位置處的分布形式，此時(shí)顆粒濃度自中心向邊壁方向逐漸減小，這是由于顆粒進(jìn)入下行床入口結(jié)構(gòu)后，通過(guò)多管束的各個(gè)分布管流出時(shí)會(huì)向其四周產(chǎn)生一定散射，單個(gè)分布管會(huì)對(duì)其周圍分布管顆粒流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生覆蓋，越靠近分布器截面中心的分布管管束受到來(lái)自其他分布管的輻射覆蓋越多，相應(yīng)的顆粒濃度也會(huì)越高。隨著顆粒循環(huán)速率的增加，單根分布管內(nèi)顆粒量的增加會(huì)降低這種分布管散射作用。由于各個(gè)分布管內(nèi)大量顆粒的相互約束，使顆粒由于慣性作用垂直向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)不同分布管內(nèi)流出顆粒束之間的相互影響程度降低，少了管束的散射作用，靠近壁面的顆粒則主要受“壁面效應(yīng)”的影響，使得顆粒在該區(qū)域的加速作用受到抑制，故顆粒濃度在壁面處略有增加。

2.2 顆粒濃度的軸向分布規(guī)律

圖4 表示了不同操作條件下截面平均顆粒濃度（各個(gè)徑向位置顆粒濃度的平均值）的軸向分布情況。從圖中可以看出，下行床入口處的平均顆粒濃度較大，沿入口向下至下行床中部，顆粒濃度總體呈減小趨勢(shì)，自下行床中部至下行床底部，顆粒濃度逐漸增加。

圖4 不同操作條件下平均顆粒濃度沿軸向分布情況Fig.4 Axial distribution of solids holdup under different operating conditions

如圖4(a)所示，當(dāng)顆粒循環(huán)速率較小，Gs為100 kg/(m2·s)時(shí)，平均顆粒濃度在軸向分布上相對(duì)均勻。該條件下，僅在入口處顆粒濃度稍高。并且，低循環(huán)速率下表觀氣速對(duì)顆粒濃度的影響不顯著。由圖4(b)可以看出，當(dāng)顆粒循環(huán)速率增至300 kg/(m2·s)時(shí)，平均顆粒濃度在z 為0～3.58 m 時(shí)顯著降低，在z 為3.58～7.05 m 時(shí)逐漸增加。對(duì)比不同表觀氣速下曲線可以發(fā)現(xiàn)，表觀氣速對(duì)顆粒濃度軸向分布的影響與軸向位置有關(guān)。入口區(qū)顆粒濃度隨表觀氣速增加而降低。沿軸向向下顆粒濃度隨表觀氣速增加而減小。對(duì)比圖4(c)中各曲線走向可以發(fā)現(xiàn)，顆粒循環(huán)速率會(huì)對(duì)顆粒濃度軸向分布造成影響。當(dāng)顆粒循環(huán)速率在500 kg/(m2·s)及以下時(shí)，入口附近截面平均顆粒濃度先迅速增大后迅速減??；當(dāng)顆粒循環(huán)速率達(dá)到700 kg/(m2·s)時(shí)，入口處的平均顆粒達(dá)到0.15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往下行床內(nèi)顆粒濃度（一般在0.05～0.1 左右）。此時(shí)，整個(gè)床層內(nèi)平均顆粒濃度可達(dá)0.12。這說(shuō)明在該操作條件下，整個(gè)下行床實(shí)現(xiàn)了高密度操作。由此可見(jiàn)，顆粒循環(huán)速率的增加會(huì)顯著提高下行床內(nèi)的顆粒濃度。以z 為4.58 m處為例，在Ug為1 m/s時(shí)，當(dāng)顆粒循環(huán)速率以200 kg/(m2·s)的間隔從100 kg/(m2·s)增加至700 kg/(m2·s)，z 為4.58 m 處顆粒濃度的增量分別為0.008、0.032、0.039，故顆粒濃度隨顆粒循環(huán)速率增加的速率也隨顆粒循環(huán)速率的增加而增加。

為了更好地說(shuō)明操作條件對(duì)顆粒濃度的影響，圖5 給出了下行床軸向顆粒平均濃度隨顆粒循環(huán)速率和表觀氣速的變化趨勢(shì)。由圖5(a)可以看出，當(dāng)表觀氣速恒定時(shí)，平均顆粒濃度隨顆粒循環(huán)速率增加而增大。例如當(dāng)Ug為1 m/s 時(shí)，顆粒循環(huán)速率為100，300，500，700 kg/(m2·s)時(shí)平均顆粒濃度分別為0.005、0.018、0.034、0.089，顆粒濃度逐漸增加。同時(shí)，顆粒濃度的增幅隨著顆粒循環(huán)速率的增加而不斷增大。同樣當(dāng)Ug為1 m/s 時(shí)，顆粒循環(huán)速率由100 kg/(m2·s)增至300 kg/(m2·s)時(shí)，顆粒濃度增加了0.013；當(dāng)顆粒循環(huán)速率由300 kg/(m2·s)增至500 kg/(m2·s)時(shí)，顆粒濃度增加達(dá)到0.048。說(shuō)明，高密度下行床的形成與顆粒循環(huán)速率密切相關(guān)。在更大的顆粒循環(huán)速率條件下，顆粒循環(huán)速率提升對(duì)下行床內(nèi)增濃的收益更顯著。由圖5(b)可以看出相同顆粒循環(huán)速率下，顆粒濃度對(duì)表觀氣速的變化并不敏感，尤其在低顆粒循環(huán)速率下，顆粒速度隨表觀氣速的影響更不明顯。顆粒循環(huán)速率為100 kg/(m2·s)時(shí)，當(dāng)表觀氣速由0 m/s 增加至5 m/s，平均顆粒濃度幾乎沒(méi)有變化。在較高顆粒循環(huán)速率下，只在表觀氣速0 m/s 到1 m/s 時(shí)變化時(shí)，顆粒濃度有比較明顯的變化。

圖5 平均顆粒濃度隨操作條件的變化趨勢(shì)Fig.5 Variations of solids holdup with operating conditions

2.3 顆粒速度的徑向分布特性

圖6 為下行床軸向位置z 為5.42 m 處顆粒速度徑向分布情況。圖中實(shí)線表示下行床內(nèi)的顆粒速度分布，虛線為提升管內(nèi)顆粒速度分布特性[25]?？梢钥闯?，下行床內(nèi)顆粒速度徑向分布的形式與提升管存在較大差異。在提升管內(nèi)，顆粒速度在徑向上呈現(xiàn)為中心大且變化緩慢、邊壁小且迅速降低的“拋物線”型式[29]。壁面附近的顆粒速度的方向可能與中心區(qū)內(nèi)相反。而下行床內(nèi)速度徑向分布則相對(duì)均勻。局部顆粒速度在r/R 為0～0.707 的中心區(qū)內(nèi)變化很小，幅度不超過(guò)1 m/s，而在邊壁區(qū)內(nèi)有所降低，但局部顆粒速度變化幅度仍在2 m/s 以內(nèi)。相同實(shí)驗(yàn)條件[Ug為1 m/s，Gs為100 kg/(m2·s)]下提升管內(nèi)自中心向邊壁速度變化可達(dá)5 m/s。提升管與下行床內(nèi)顆粒速度徑向分布形式不同是因?yàn)樵谔嵘軆?nèi)，邊壁區(qū)內(nèi)顆粒受到重力和壁面摩擦力的阻礙速度較低，因此產(chǎn)生大量的顆粒聚團(tuán)，形成的顆粒聚團(tuán)進(jìn)一步造成氣體對(duì)顆粒群的曳力減小，更難以維持顆粒向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，使得比提升管壁面附近顆粒速度很小甚至為負(fù)值。而在下行床中，重力的加速作用使得顆粒間距較大，顆粒濃度較低，顆粒聚團(tuán)不易形成。各徑向位置處顆粒所處環(huán)境差異不大，因而速度分布相對(duì)均勻。

圖7 為顆粒速度在不同操作條件下的徑向分布情況。由圖7 可知，相同顆粒循環(huán)速率下除了下行床入口處（z 為0.58 m），其它各個(gè)徑向位置處的顆粒速度隨表觀氣速的增加略有增加。入口處顆粒速度的分布規(guī)律不明顯，主要是由于下行床入口結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致。相同表觀氣速下，徑向各位置處顆粒速度則隨著顆粒循環(huán)速率的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（如Ug為1 m/s 時(shí)的數(shù)據(jù)）。這是因?yàn)橄嗤碛^氣速意味著氣體提供給顆粒的總能量基本相近，當(dāng)顆粒循環(huán)速率增加時(shí)，意味著下行床整個(gè)截面上顆粒的數(shù)量增加，氣體提供給單個(gè)顆粒的平均能量則相應(yīng)下降。因此，顆粒循環(huán)速率增加，單個(gè)顆粒的加速能力有所降低。這時(shí)截面各個(gè)徑向位置的顆粒速度也會(huì)降低。

圖6 下行床內(nèi)顆粒速度的徑向分布的典型形式Fig.6 Typical radial profiles of particle velocity in the downer

由圖7 還可以得到，隨著距離入口長(zhǎng)度的增加，顆粒速度徑向分布趨向不均勻。當(dāng)z 小于3.58 m時(shí)，局部顆粒速度自截面中心向邊壁方向基本相同，顆粒速度分布相對(duì)均勻。而當(dāng)z 大于3.58 m 時(shí)，邊壁區(qū)的顆粒速度較中心區(qū)有明顯降低，在z 為5.42 m 處壁面附近顆粒速度與截面中心處顆粒速度的差值可以達(dá)到2 m/s；而隨著顆粒運(yùn)動(dòng)至z 為7.05 m 處，壁面與中心處顆粒速度的差值增加到約4 m/s。這主要是因?yàn)槿肟诮Y(jié)構(gòu)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的約束原因造成的。本實(shí)驗(yàn)采用的是多管束顆粒入口結(jié)構(gòu)。顆粒通過(guò)多根分布管流入下行床。下行床入口處，顆粒的運(yùn)動(dòng)受分布管的約束較為明顯。在均勻分布的多管束約束下向下運(yùn)動(dòng)，顆粒濃度的分布則相對(duì)比較均勻。而當(dāng)顆粒在下行床運(yùn)動(dòng)到3.58 m 以下時(shí)，分布管對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的約束作用相對(duì)降低，而分布在下行床內(nèi)的顆粒則受到壁面效應(yīng)的影響更顯著。在壁面效應(yīng)的作用下，顆粒濃度呈現(xiàn)出“中間高邊壁低”的分布形式。

圖7 不同操作條件下顆粒速度的徑向分布Fig.7 Radial profiles of particle velocity under various operating conditions

2.4 顆粒速度的軸向分布規(guī)律

圖8 為下行床內(nèi)截面平均顆粒速度在不同操作條件下的軸向分布。整體來(lái)看，截面平均顆粒速度隨軸向位置的增加而增加，表明下行床內(nèi)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展特性。由圖8(a)可以看出，當(dāng)顆粒循環(huán)速率較小時(shí)，如Gs為100 kg/(m2·s)，顆粒在入口區(qū)先加速，隨后進(jìn)入恒速度區(qū)。并且，表觀氣速在入口區(qū)與恒速區(qū)的影響規(guī)律不盡相同。在入口區(qū)由于入口效應(yīng)的作用，該區(qū)域內(nèi)表觀氣速對(duì)顆粒速度的影響規(guī)律不明顯；而在恒速區(qū)，平均顆粒速度隨著表觀氣速的增加而顯著增加。由圖8(b)可以看出，當(dāng)顆粒循環(huán)速率較大時(shí)，如Gs為500 kg/(m2·s)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)表觀氣速對(duì)平均顆粒速度的影響很小。這說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)操作條件范圍內(nèi)，高顆粒循環(huán)速率下，由于顆粒與顆粒之間的相互作用力增加，顆粒運(yùn)動(dòng)的“粘性”增加，表觀氣速對(duì)截面平均顆粒速度的變化的影響作用受到了削弱。

圖8 不同操作條件下截面平均顆粒速度軸向分布情況Fig.8 Variations of average particle velocity under different operating conditions

對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，顆粒循環(huán)速率會(huì)對(duì)速度軸向分布產(chǎn)生明顯的影響。隨著顆粒循環(huán)速率的增加，恒速區(qū)內(nèi)速度波動(dòng)程度增加。這在一定程度上說(shuō)明，高顆粒循環(huán)速率下氣固的湍動(dòng)程度有所增加。但就整個(gè)下行床而言，雖然高顆粒循環(huán)速率下顆粒速度的波動(dòng)性增加，但顆粒速度軸向分布的均勻性反而有所增加。在Ug為2 m/s 的條件下，當(dāng)Gs為100 kg/(m2·s)時(shí)，平均顆粒速度為3～6 m/s，而Gs為500 kg/(m2·s)時(shí)，平均顆粒速度為4～6 m/s。從圖8(c)隨著顆粒循環(huán)速率的增加，下行床整個(gè)軸向位置處平均顆粒速度減小。

為了更好地研究下行床內(nèi)顆粒速度的軸向發(fā)展情況，根據(jù)下行床內(nèi)顆粒濃度、速度在徑向上的分布規(guī)律，將下行床截面劃分為兩個(gè)子區(qū)域：占截面總面積50%的中心區(qū)域（r/R 為0～0.707）及占截面總面積的50%的邊壁區(qū)域（r/R 為0.707～1）。兩個(gè)局部區(qū)域內(nèi)平均顆粒速度在軸向的發(fā)展規(guī)律如圖9 所示。由圖9(a)可以看出，中心區(qū)與邊壁區(qū)內(nèi)平均顆粒速度在軸向上的發(fā)展不同步。中心區(qū)內(nèi)平均顆粒速度沿軸向方向的變化幅度要明顯小于邊壁區(qū)。按照顆粒速度變化速率可以將中心區(qū)與邊壁區(qū)內(nèi)平均顆粒速度軸向分布劃分為兩個(gè)區(qū)域：在距離入口0～3 m 內(nèi)速度變化速率較大，為加速區(qū)；在距離入口3 m 以外的區(qū)域，顆粒速度相對(duì)穩(wěn)定，為恒速區(qū)。比較圖中的實(shí)線和虛線可以看出，對(duì)于加速區(qū)，兩區(qū)域內(nèi)平均速度差異很小。而在恒速區(qū)中，邊壁區(qū)顆粒速度要明顯大于中心區(qū)。以Gs為300 kg/(m2·s)為例，在圖示的表觀氣速條件下，恒速區(qū)內(nèi)邊壁區(qū)的平均顆粒速度可以達(dá)到6.5 m/s，而中心區(qū)的顆粒速度僅為5.5 m/s。表觀氣速對(duì)平均速度的大小影響并不明顯。由圖9(b)可以看出，當(dāng)顆粒循環(huán)速率較大，如Gs為500 kg/(m2·s)時(shí)，在距離入口3～4 m 內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)存在減速過(guò)程，且中心區(qū)內(nèi)顆粒速度減小程度更大。

圖9 中心區(qū)、邊壁區(qū)內(nèi)平均顆粒速度軸向分布Fig.9 Axial profile of average particle velocity in core region and annulus region

3 結(jié) 論

通過(guò)下行床內(nèi)顆粒濃度和顆粒速度的軸徑向分布的考察得知，下行床內(nèi)顆粒濃度徑向分布受入口結(jié)構(gòu)影響顯著。除了進(jìn)口處受進(jìn)口結(jié)構(gòu)的影響外，余下位置的徑向顆粒濃度自中心向邊壁總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；下行床內(nèi)顆粒濃度軸向分布總體上呈現(xiàn)“上濃下稀”的形式。截面平均顆粒濃度隨表觀氣速的增加而減小，隨顆粒循環(huán)速率的增加而增大。在700 kg/(m2·s)的大顆粒循環(huán)速率條件下，下行床內(nèi)顆粒濃度可以達(dá)到0.12，表明在高顆粒循環(huán)速率下整個(gè)下行床實(shí)現(xiàn)了高密度操作。

下行床顆粒速度徑向分布與提升管存在較大差異。下行床內(nèi)的顆粒速度較提升管內(nèi)顆粒速度徑向分布更均勻，且下行床內(nèi)顆粒速度的均勻性在入口段比出口段附近更強(qiáng)。這說(shuō)明下行床入口結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)氣固流動(dòng)的約束作用明顯，入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)下行床內(nèi)氣固運(yùn)動(dòng)特性至關(guān)重要。截面平均顆粒速度隨軸向位置的增加而增加，表明下行床內(nèi)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展特性。

顆粒循環(huán)速率不同，截面平均顆粒速度的分布特性不同。當(dāng)顆粒循環(huán)速率較小時(shí)，顆粒在入口區(qū)先加速，隨后進(jìn)入恒速度區(qū)，截面平均顆粒速度隨表觀氣速的增加而增加。當(dāng)顆粒循環(huán)速率較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)表觀氣速對(duì)平均顆粒速度的影響很小。說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)操作條件范圍內(nèi)，高顆粒循環(huán)速率下，由于顆粒與顆粒之間的相互作用力增加，顆粒運(yùn)動(dòng)的“粘性”增加，表觀氣速對(duì)截面平均顆粒速度變化的影響作用受到了削弱。