姚梅琴;岳君容;战金辉;许光文;刘晓星
【摘 要】Considering the pressing needs of developing micro fluidized bed reaction analyzer (MFBRA) suitable for analyzing chemical vapor deposition reaction, this study conducted a preliminary research on the hydrodynamics of internally circulating micro fluidized bed. It investigated the influences of central jetting tube height, in-bed draft tube diameter and initial particle bed height on the start-up gas velocity of internal particle circulation and the gas bypass into the annulus. The results showed that raising the height of jetting tube increases the start-up gas velocity for particle internal circulation. There is an existed optimal draft tube diameter (20 mm) that minimizes such a start-up gas velocity. The start-up gas velocity becomes lower with the increase of initial particle bed height. The gas bypass into the annulus was evaluated according to the mass-spectrum intensities of the tracer gas. For the tested experimental conditions, the bypass of gas from draft tube to annulus was ignorable in the bottom section but discernable at the top of the annulus.%针
对开发适用于化学气相沉积反应动力学研究的微型流化床反应分析仪的应用需求,研究了外径为30 mm的内循环微型流化床中气固流动特性,具体考察了中心射流管伸入高度、内导流管直径和颗粒装载量对实现固体物料内循环的最小操作气速和导流管与环隙区间窜气的影响.结果表明,随着射流管伸入高度的增大,实现颗粒内循环流动的最小操作气速变大;存在最优的导流管直径(20 mm),使得实现颗粒环流的最小操作气速较小;增大颗粒装载量有利于降低颗粒内循环的最小操作气速.通过检测示踪气体在环隙区内的质谱信号,发现在所考察的参数范围内,反应器底部不存在导流管区向环隙区的窜气;在反应器上部,由于颗粒对气体的夹带,环隙区上部总能检测到示踪气体,且窜气特性随操作气速的增大而增强.研究结果可为设计适用于化学气相沉积反应的内循环微型流化床反应器提供参考. 【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2017(068)010
【总页数】8页(P3717-3724)
【关键词】微型流化床;内循环;流体力学;化学气相沉积
【作 者】姚梅琴;岳君容;战金辉;许光文;刘晓星
【作者单位】中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ052.5
Abstract:Considering the pressing needs of developing micro fluidized bed reaction analyzer (MFBRA) suitable for analyzing chemical vapor deposition reaction,this study conducted a preliminary research on the hydrodynamics of internally circulating micro fluidized bed.It investigated the influences of central jetting tube height,in-bed draft tube diameter and initial particle bed height on the start-up gas velocity of internal particle circu
lation and the gas bypass into the annulus.The results showed that raising the height of jetting tube increases the start-up gas velocity for particle internal circulation.There is an existed optimal draft tube diameter (20 mm)that minimizes such a start-up gas velocity.The start-up gas velocity becomes lower with the increase of initial particle bed height.The gas bypass into the annulus was evaluated according to the mass-spectrum intensities of the tracer gas.For the tested experimental conditions,the bypass of gas from draft tube to annulus was ignorable in the bottom section but discernable at the top of the annulus.
Key words:micro fluidized bed; internal circulation; hydrodynamics; chemical vapor deposition
气固相化学反应在工业生产中占有很重要的地位，合适的反应动力学测量仪器是获得基础数据的必要条件。鉴于目前常用的反应动力学分析仪器在等温快速反应分析方面的不足，中国科学院过程工程研究所创新研制了应用于反应动力学研究的微型流化床反应分析仪（micro fluidized bed reaction analyzer,MFBRA）[1-4]。该分析仪器利用流化床强化床料
、反应样品和气体之间的传质和传热，最大程度地降低反应温度的不均匀性及外扩散对反应的影响，通过微量固体样品瞬间脉冲进样实现反应的微分化和等温下样品与床料的均匀混合。目前该仪器已成功应用于能源物质热转化反应[5-10]、不稳定物质快速复杂反应[11]、催化剂再生反应[12]、铁矿粉还原反应[13-14]及其他特殊气氛下的气固反应[2,15-17]等多种气固相化学反应动力学参数及机理的分析和测试。
目前研制的MFBRA所适用的气固相化学反应系统中，固相主要是反应物或者是固相反应物的产物。为了拓展微型流化床反应分析仪的应用领域，有必要研制适用于反应物为气相而产物为固相，即化学气相沉积反应的新型 MFBRA。对于化学气相沉积反应系统，固相产物不仅会沉积在反应器内固体颗粒表面，也会沉积在反应器壁面。从仪器开发角度，为了延长仪器的使用寿命，后者显然需要尽可能避免。一个可能的解决方案是在微型流化床中设置一简易可替换的导流管，并确保气相沉积反应仅发生在导流管区域。而实现此目标的基础是确保中心管区和环隙区之间固体物料能稳定循环流动而反应气体不会发生窜气行为。
目前关于微型流化床流体力学特性的研究主要集中在探讨壁面效应对起始流化速度、床层
压降、床层膨胀特性及气体返混特性的影响[18-24]，对于颗粒内部环流反应器的冷态研究主要集中在大型环流反应器的尺寸、结构和操作条件的优化，以更好指导工业生产[25-29]。而对于带有中心导流管的内循环微型流化床的流体力学特性研究还未见文献报道。针对开发适用于化学气相沉积反应动力学参数测量的新型MFBRA的具体需求，本研究工作通过开展冷模实验，研究了反应器结构及操作参数对气固两相在环隙区和中心管区之间的流动及分配影响，以期为新型MFBRA的设计与优化提供基础指导。
本工作所采用的内循环微型流化床实验装置流程如图1所示，主要由内循环微型流化床反应器、流量计控制系统、压力测试采集系统及气体检测系统构成。内循环微型流化床反应器由石英玻璃制成，反应器结构如图2所示。主体部分的直径为30 mm、高度为100 mm，顶部放大段的直径为50 mm、高度为100 mm。床内导流管高为85 mm，底部距离分布板15 mm，实验中将通过改变内导流管的直径Dd（10、15、20 mm）来考察内导流管直径对反应器内气固流动特性的影响。在内导流管底部区域布置一内径为6 mm、壁厚为1 mm的中心射流管，以控制内导流管区域反应气体的流量。实验中两种中心射流管伸入高度Hi分别为30、45 mm（以分布板位置为基准）。表1列出了不同实验所对应的反应器几何结构信息。实验中为保证气体在反应器底部入口处的均匀分布，气体分布板采用激光打孔方式制
得，孔径为0.6 mm，并按正三角形均匀排布，分布板上方粘有一层300目（48 μm）的筛网以防止漏料。
为测量不同位置之间的床层压降以及气体组分信息，在分布板上方5 mm（P1）、20 mm (P2、P12)、40 mm (P3、P11)、60 mm（P4、P10）、80 mm（P5、P9）、100 mm（P6、P8）处设置测量点，其中 P2～P6测量点位于导流管内。压力传感器采用DMP335经济型差压变送器，其量程可在 0～500 Pa、0～1000 Pa、0～2000 Pa间切换，实验过程中压差采样频率为100 Hz，采样时间为100 s。数据采集器为美国MCCPMD-1608FS USB数据采集器。气体组分信息通过过程质谱LCD-200检测。
实验在常温常压下进行，采用的气体为工业氮气和高纯氩气(99.999%)。所用颗粒为石英砂颗粒，通过马尔文激光粒度分析仪分析测得石英砂颗粒的平均粒径为191 μm。
实验中颗粒循环通量由 CCD高速摄像的方式测得。具体操作如下[30]：在通入气体之前，于环隙区床层顶部加入高约为5 mm的示踪颗粒(所用的石英砂颗粒经亚甲基蓝染后筛分，得同粒径的示踪颗粒)，本实验读取示踪颗粒在刚开始下降 20 mm的时间来计算颗粒的循环量，计算式为
式中，ρp为颗粒的密度，kg·m−3；Aa为环隙的截面积，m2；Δh为示踪颗粒下降高度(本实验为0.02 m)，m；Δt为示踪颗粒降落20 mm所用的时间，s；Ad为内导流管截面积，m2。对于每种工况，实验重复5次，颗粒循环通量取5次测量结果的平均值。
需要指出的是，由式(1)计算颗粒循环通量是基于以下假设：系统通入气体后迅速进入稳态，即环隙区颗粒流动状态与时间无关；环隙区物料层以活塞流方式流动；环隙区物料层空隙率与操作条件无关。受实验条件的限制，以上假设的合理性及其带来的误差目前还无法定量评估，因此本实验中测得的颗粒循环通量只能作为定性评价指标。
实验中通过检测导流管区测量点 P2、P4、P6和环隙区测量点 P8、P10、P12处的气体质谱响应信号，考察气体在环隙区与导流管区之间的窜气特性。具体操作如下：在导流管内通入高纯氩气作为示踪气体，在环隙区通入工业氮气。在相应的检测点伸入毛细管，通过过程质谱检测监测点氩气和氮气的响应信号。质谱在每个气速下的采样时间为40 s，采集频率为10 Hz。
受实验条件的限制，本文工作中无法直接测量环隙区和内导流管区的气体流速。当中心射流管和反应器底部分布板均通入气体时，假设底部分布板处气体分布均匀，进而采用式（2）
、式（3）进行环隙区和内导流管区气速的计算。
已有的实验结果表明[18-23]，相比于常规流化床，微型流化床中强烈的壁面效应会使得物料最小流化速度(Umf)显著增大，床料流化滞后。为定量评估添加中心射流管和内导流管对床料流化特性的影响，采用降速法，通过测量床层压降测定了不同静床高度（Hs）下的最小流化速度。
采用No.1反应器和No.2反应器，图3（a）比较了中心射流管对床料最小流化速度的影响，实验中流化床内中心射流管伸入高度为30 mm。反应器中设置中心射流管稍稍提高了床料的最小流化速度。这可能是因为中心射流管的加入增大了单位体积床料所受到的壁面摩擦作用，从而延迟了床料的流化。图3（b）比较了内导流管对床料最小流化速度的影响。实验中在空白管中垂直内置直径为 15 mm的内导流管（No.3反应器），将反应器分为导流管区和环隙区。内导流管底部距离分布板15 mm。流化气体经分布板后进入整个床层。由图3（b）可以看出，添加内导流管后，导流管内床料的最小流化速度与空白管床料最小流化速度基本相当，而环隙区床料的最小流化速度略有提高。需要指出的是，本研究中没有直接测量环隙区和导流管区的气体流量，图3中所有的操作气速都是基于整个反应器直径计算得
到的整体表观气速。图3也同时表明，提高床层的初始堆积高度也会导致最小流化速度稍稍增大，Liu等[19]及Guo等[20]也得到了相似的实验结果。
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