刘对平;董芳芳;王蒙;魏庆;张永民
【摘 要】颗粒性质对流化床内气固流动特性具有重要的影响，不同颗粒床层内气固流动特性的不同也将引起床层中内构件受力特性的变化。采用在测试挡板表面粘贴应变计的方法，系统对比测量了一个斜片挡板在 FCC 颗粒（Geldart A）和石英砂颗粒（Geldart B）两种流化床内受力特性的差异，并系统比较了操作参数变化时挡板在两种颗粒床层中受力特性变化规律的差异。结果表明，在相同的操作条件下，挡板在B类颗粒床层中受力载荷的均方根值大小约是A类颗粒床层中的2～3倍；除挡板安装在靠近分布器位置外，总体来讲，在两种颗粒的床层中，挡板所受载荷强度都随表观气速的增大而增大。但是，在两种颗粒床层中，挡板安装高度变化对挡板受力特性影响差异较大，在B类颗粒床层中所受载荷强度随着安装高度增大而增大，而在A类颗粒床层中所受载荷强度随安装高度增大呈现先减小后增大的趋势。此外，挡板倾角度θ在75°～90°之间变化时，挡板所受载荷强度在两种颗粒流化床中均随着挡板倾角增大呈现急剧下降的趋势，而当θ=0°～75°时，B 类颗粒床层中挡板所受载荷强度随挡板倾角增大略有下降，而A类颗粒床层中挡板所受载荷强度变化并不十分明显。%Particl
e properties have significant effect on gas/solids flow characteristics, which results in significantly different force characteristics exerted in the internals immersed in fluidized beds of different particles. In this study, the dynamic force in a tested slat immersed in fluidized bed was measured by adhering strain gauges on its surface. The force characteristics of the slat were systematically compared in two beds of FCC catalyst particles (Geldart A) and silica sand particles (Geldart B). The experimental results showed that the RMS load density acting on the slat in the bed of Geldart B particles was about 2—3 times higher than in the bed of Geldart A particles. Except installed near the bottom distributor, the measured load density on the slat increased with increasing superficial gas velocity in both beds. However, the effect of the installation height of the slat indicated great difference in the two beds. The measured load density on the slat increased with increasing installation height in the bed with Geldart B particles, while it decreased firstly and then increased with increasing installation height in the Geldart A particles bed. Atθ=75ο—90ο, the measured load densities decreased sharply with increasing inclination angle in both beds. However, atθ=0ο—75ο,the measured load dens
ity decreased slightly with increasing inclination angle in the bed of Geldart B particles, while there was no obvious change in the bed of Geldart A particles.
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2016(067)008
【总页数】9页(P3331-3339)
【关键词】挡板;流化床;受力;颗粒;影响
【作 者】刘对平;董芳芳;王蒙;魏庆;张永民
【作者单位】中国石油大学 北京 重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学 北京 重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学 北京 重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学 北京 重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学 北京 重质油国家重点实验室，北京 102249
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ028.8
流化床反应器高效的传热传质特性使其在石油化工、冶金、燃烧、生化等重要工业生产领域有着十分广泛的应用［1］。为了改善流化床内气固接触效果和强化反应器性能，常通过添加内构件来提升反应器性能［2-5］，其中以斜片挡板为基本结构单元的各类内构件应用最为广泛。在众多工业生产过程中，工业装置往往要求在较长检修周期下安全运行，对设备的可靠性要求十分苛刻。由于流化床反应器内复杂的气固两相流动，使得设置在反应器中的内构件会受到气固相持续的冲击作用力，该力可能导致内构件及其支撑结构的振动甚至疲劳破坏。因此，了解不同形式的内构件在不同操作条件下的受力特性规律，对内构件的科学设计和可靠性提高有着重要的意义。
目前，国内外关于内构件受力方面的研究工作还相对较少。Baskakov等［6］较早研究了浸没在气固流化床中的水平圆盘的受力特性，通过考察颗粒类型、圆盘大小、圆盘安装高度等参数对圆盘受力大小的影响，得到了一个能够预测水平圆盘平均受力大小的量纲1关联式。Tamarin等［7］将一直径为5.5 mm的塑料小球安装在二维流化中，通过拍摄的气泡上升的过程和同步采集气泡经过时小球的受力信号，研究了单个气泡与小球作用的受力机理，
结果表明，当气泡尾部接触到小球时，小球的受力达到最大。之后，Kennedy等［8-9］对流化床内水平换热圆管受力特性展开了研究，考察了操作气速、圆管排列方式及圆管长度等因素对圆管受力大小的影响。Hosny等［10-11］和 Nagahashi等［12-13］又从圆管直径、颗粒类型、静床高度、圆管间距等方面进一步考察了水平圆管在流化床内的受力规律。此外，Nagahashi等［14］利用在起始流化状态下注入气泡的方法，通过采集圆管的受力信号，并利用高速摄像机拍摄的气泡的上升过程，分析了单个气泡及两个聚并气泡与水平圆管作用的过程，详细阐述了水平圆管的受力机理，该机理与 Tamarin等［7］得到的气泡与小球的作用机理相类似。Levy等［15-16］利用相同的方法，研究了单个气泡及两个聚并气泡与圆管作用时圆管受力信号特征的差异，并提出了一种区分这两种类型气泡作用的方法。
上述研究表明，内构件的受力与床层内颗粒和气泡的流动行为有着密切的关系，而不同颗粒类型床层中气固流动特性差异巨大，必然造成内构件受力特性规律的不同。上文提到的前期文献研究大多是在Geldart B类颗粒中，系统对比颗粒类型对内构件受力特性影响的研究较少［8-11］。另一方面，除本课题组［17］前期一篇对 A类颗粒流化床中悬臂斜片挡板受力特性的报道外，至今对于工业中广泛应用的斜片挡板内构件受力特性的报道还基本
没有。本研究的目的是通过实验系统比较两端固定的斜片挡板内构件在Geldart A类和B类两种不同颗粒类型流化床中受力特性的差异和相关性。
1.1 实验装置
实验在一套方形横截面的大型冷模流化床装置中进行，装置结构如图1所示，横截面积为300 mm×300 mm，床高5 m。底部采用多孔板式气体分器，开孔率为0.64%。床内流化气体由一台罗茨鼓风机提供，来自鼓风机的空气首先进入气体缓冲罐，再经管路输送至分布板下方的预分配腔，气体管路上安装有调节阀和数字涡轮流量计来调控气体的流量。进入预分配腔的气体经预混合后经过多孔板分布器均匀分配至床层，为防止细颗粒漏入预分配腔，在多孔板上方加有一层滤网。此外，由于气速较高时，床层内部分颗粒会被气体携带出床层，为保证实验过程中床层内颗粒藏量和粒径分布的一致性，在床层顶部设置有两级PV型旋风分离器来回收这部分颗粒，并及时将其返回到床层密相段。两级旋风分离器的总捕集效率达到99.99%以上，能够保证实验过程中床层内颗粒藏量和粒径分布基本不变。旋风分离器未能捕集的细颗粒由一个滤袋回收，并定期返回至床层中。
实验中静床高度为1 m，且始终保持不变，采用的颗粒为 FCC平衡催化剂和石英砂两种类
型颗粒，分别属于典型的Geldart A和Geldart B类颗粒，两种颗粒的基本物性参数见表1。
1.2 测试挡板及受力特性测量方法
考虑到目前工业应用的很多旨在强化气固接触的挡板内构件都是由斜片挡板作为基本组成单元，因此，设计了如图2所示的测试挡板，该测试挡板由两部分组成，中间斜片用于受力信号的测量，其尺寸为300 mm×50 mm。前期实验表明，在两种颗粒床层中挡板受力大小差别较大，为了保证测试信号的精度，在FCC颗粒床层中，测试挡板厚度选用 2 mm，而在石英砂颗粒床层中，测试挡板厚度选用3 mm，材料都为304不锈钢。两端的圆盘用于将测试挡板两端固定在床层壁面上，且圆盘上开有24个螺纹孔，可以15°间隔实现测试挡板倾斜角度的调节。
在本研究中，主要考察表观气速、挡板安装高度及挡板倾斜角度3个参数变化的情况下挡板内构件在两种不同颗粒类型床层中受力特性变化规律的差异性。兼顾工业装置的气速操作范围及该装置的具体情况，操作气速范围为0.2～0.8 m·s-1，共设7个气速档；安装高度方面，在床层中心线上设置有5个安装位置，分别距底部分布器为100、300、500、700、900 mm；倾斜角度方面，挡板倾斜角度调节范围为0°～90°，间隔15°调整。在此，倾斜角
度定义为挡板表面与水平面之间的夹角。
本实验采用粘贴应变计的方法来测量挡板长度方向所受的张应力大小，挡板表面沿长度方向共粘贴有9个应变计，如图2所示，其中1个布置在挡板中间位置，其余8个应变计以挡板中心线对称分布，分别距离挡板中心线35、70、105、140 mm。应变计引线端经引线孔引出后接入动态应力应变采集系统，应力信号经A/D转换后输入计算机进行显示、记录和输出。应变计为日本Kyowa公司生产的KFG-5-120-C1-11型箔式电阻应变计，应变计大小为5 mm×3 mm，灵敏度系数为2.09（±1.0%）。应力应变采集系统为江苏东华测试的DH5921动态应力应变测试分析系统，其采样频率最大能达到 20 kHz，系统示值误差不大于0.5%。为保证足够高的采样精度，本实验中应力信号的采样频率选用1000 Hz，采样时间为120 s。
1.3 数据的分析方法
在流化床中，挡板的受力信号主要来源于气泡的作用，通常表现为一系列脉冲信号。但是，在实际流化床中，由于与挡板作用的气泡个数较多，这些脉冲信号往往叠加在一起，很难单独区分，因此很难确定脉冲的频率和幅值。鉴于流化床挡板内构件的结构设计中（
尤其是在疲劳寿命分析中）最为关注的是载荷谱中峰值较大的载荷［18］，而并非所有的载荷信号，因为这些峰值较大载荷的作用会对内构件的破坏起到主导作用。因此，如图3所示，通过在张应力脉冲信号上划定一临界值来区分这些峰值较大的载荷，并利用Matlab软件编程求取该临界值之上的张应力脉冲信号的所有峰值，对得到的峰值载荷进行概率密度分布分析。这里，根据对不同操作参数下挡板受到的张应力脉冲信号的特征分析，临界值确定为张应力脉冲信号的平均值与偏差的一半之和，即
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