毕业设计（论文）中文摘要

低料位操作下气固挡板流化床的压力脉动特性

摘要 ：

基于当前的这一套机玻璃流化床冷模实验装置，还是应该要将 CRP-1 催化裂解

催化剂颗粒直接幻化成为内部固体介质，并将常温空气作为一项流化介质，通过

对气速的不断调节，初始装料高度（ H ）为 450 mm 的操作条件下，内构件安装

在静床高度上方的操作模式，分析床层内的压力脉动特性。结果表明：单构件床

内平均压力随表观气速的增大将出现三个阶段： ^{0.04 ≤ U} g ^{≤ 0.48 m/s} ，平均压力

随表观气速的增大缓慢增大； ^{0.48 ≤U} g ^{≤ 0.83 m/s} ，平均压力随之快速增大；

0.83 ≤U g ≤ 1.14 m/s ，平均压力随之几乎不变。伴随着轴向高度的不断增大，压

力也会呈现出逐渐下降的情况。伴随着床层高度的逐步升高，压力脉动标准也会

急剧下降。特别是在床层底端，床层升高之后，床层的中部压力脉动标准偏差随

床层高度变化不大， 0.6 m 的床层在不断增高的这一过程当中，压力脉动标准偏

差比值也会呈现出先增大后减小的这一情况。当气速在 0.04 m/s ≤ U g ≤ 0.44 m/s

范 围 内 时 单 构 件 流 化 床 中 的 气 固 两 相 处 于 湍 动 流 态 化 阶 段 。 当 0.44

m/s ≤ U g ≤ 0.83 m/s 时，流化床内气固两相处于鼓泡 - 节涌过渡流态化，压力脉动

功率谱密度曲线表现为单主频，并且主频密度值远大于其他频率所对应的密度

值。当单构件床中气固两相处于鼓泡流态化阶段（ U g ≥ 0.83 m/s ）时，主频功

率与相邻频率的功率差别较鼓泡 - 节涌过渡流态化而言较小。

关键词 ：气固两相流；流动特性；压力脉动；功率谱

毕业设计（论文）外文摘要

Title

Pressure pulsation characteristics of gas-solid

baffle fluidized bed under low level operation

Abstract

Based on the present series of mechanical fluidized bed cold model experimental

apparatus, it is still necessary to convert the crp-1 catalytic cracking catalyst directly

into the internal solid medium and use ambient air as a fluidizing medium for passing

the gas velocity. The internal components are installed in the operating mode above the

bed height in order to analyze the pressure pulsation characteristics within the bed by

continuously adjusting under the initial load height (H) 450 mm operating conditions.

The results show that the mean pressure in the single component layer increases with

increasing surface gas velocity in three steps: the average pressure increases slowly

with increasing surface gas velocity; the mean pressure increases rapidly. It is almost

unchanged. As the axial height increases, the pressure gradually decreases. As the

height of the bed increases gradually, the pressure pulsation criterion also decreases

sharply. In particular, the standard deviation of pressure pulsation at the bottom of the

bed shows the standard deviation of the pressure pulsation at the center of the bed,

when the standard deviation of the pressure pulsation increases first and then decreases

in the process of increasing the height of the 0.6 m bed, which is hardly changed by the

height of the bed. When the gas velocity is in the range of 0.04M/s

Ug

0.44M/s,

≦

≦

gas-solid two-phase flow in a single component fluidized bed is at the stage of

Turbulent Fluidization. In the case of 0.44m/s

Ug

0.83M/s, the gas-solid phase in

≦

≦

the fluidized bed is in bubbling bottle transition fluidization, and the pressure ripple

power spectral density curve appears as a single dominant frequency and is much larger

than the density value corresponding to the other frequency density value. When gas-

solid two-phase in a single component bed is at bubbling fluidization stage

(Ug

0.83M/s), the power difference between the main frequency power and the

≧

adjacent frequency is smaller than that of bubbling bottle transition fluidization.

Key words: gas-solid two-phase flow; flow characteristics; pressure pulsation;power

spectral densities (PSD)

目 录

1 绪论 .....................................................................................................................................- 1 -

1.1 研究背景 ..................................................................................................................- 1 -

1.2 压力脉动特性的研究 ..............................................................................................- 2 -

1.3 本课题研究的目的及意义 ......................................................................................- 4 -

2 实验部分 .............................................................................................................................- 4 -

2.1 实验装置及流程 ......................................................................................................- 4 -

2.2 实验介质及操作条件 ..............................................................................................- 6 -

2.3 实验装置中测点分布 ..............................................................................................- 6 -

3 实验结果与讨论 .................................................................................................................- 7 -

3.1 压力脉动信号的标准偏差分析 ..............................................................................- 7 -

3.2 单构件床内流动过程及其变化规律 ......................................................................- 8 -

3.3 单构件床不同轴向位置的压力分布 ......................................................................- 9 -

3.4 单构件床不同轴向位置的压力脉动标准偏差特征 ............................................- 10 -

3.5 床层不同轴向位置的压力脉动标准偏差与压力比分布特征 ............................- 11 -

3.6 单构件床 h=0.45 m 处压力脉动功率谱密度分析 ...............................................- 12 -

结论 ......................................................................................................................................- 18 -

参考文献 ..............................................................................................................................- 19 -

致谢 ......................................................................................................................................- 21 -

1 绪论

1.1 研究背景

在当前的石油、轻工等诸多行业当中，大量的颗粒与粉尘状固体材料已然被直接直接当成了催化剂。将

气体与液体这二 者进 行比较，这 些块 状固体在 加 工、 储存 等诸多方 面仍 然 存 在 极 大的 弊 端。为 此 ， 人们必须

要 清楚 的 认识到 一点，这一 块 状固体材料表现出了 强 大的流体性 能 ，这也被直接 称 作为固体流态化这一现 象 。

在当前的流化工程当中，一 共包含 了 五 个 重 要的研究 领域 ^[1] ，其所 涉 及的工 艺 、 系统 等范围 极 为 广泛 ，所 普

及的应 用 范围也变 得极 为 广泛 。特别是当前的流化床 技术 在工业方 面 已 经得到 了一 定 的应 用 ，在现 代 工业当

中也 得 了大规模的 普 及，温 克勒 在 1922 年 的时 候 ， 就 已 经 将粉 煤 气化的气固流化床 运用 了 起来 ，并 取得 了

一 定 的成 就 。在同一时 间 ， 美国 也还 专门建 构 起 了 第 一 座 石油催化裂化流化床 反 应 器 ，流态化 技术 也在 物理

操作、 矿产资源 等方 面得到 了 极 为 广泛 的应 用 。

对于鼓泡床 和 湍流床这两项工 具 而言，其主要表现出了颗粒 浓 度高、气固接 触 时 间长 等诸多特点，在 传

播 的过程当中， 整 个 传热效 率也 极 为 迅 速。 但 是，在当下的鼓泡床 或 湍流床当中，一 旦细 颗粒在湍流床已 经

直接被流化，床内气泡也会表现出较大的状态， 整 个气固接 触效 率也会大 幅 度降 低 下 来 。所 以 ， 此 时 则 应该

采取 将气泡性 能 分 散 、减小气泡 尺寸 等多 种措施来加以 于应 用 。 张永民 等还 专门针 对于 挡板 内构件 进 行 切 实

的 开发 ， 最终证 实了一点， 只 要在床内安装构件， 那么则可以很好 的 抑制 气泡的 生长 情况，在这一情况之下，

整 个床的流化质量也会 得到 大 幅 度的 提 升。所 以 ，在流化床当中直接 加入 一项内构件 才 是当下要 务 。 此外 ，

在安装内构件的时 候 ^[3] ，其下方一 定 会出现 “ 空 腔” 这一情况， 物 料的位置也会出现一 定 的变化， 由 底部直

接会 转移到 内件上部，在这 种 情况之下，上方的床 身 高度也会 陡 然增 加 。在一 般 的内部构件当中，其主要 包

含 了 水 平构件、 垂 直构件等在内的三个部分。在这一项目当中，其一 般都 是直接基于 河北 工业大 学张少峰 课

题 开 始研究， 从 而 让塔 内气液接 触 性 能得以 大 幅 度增 强 。当处于气液平行流 柱 当中 进 行一 系列 实验，其已 经

直接表明了一点 ^[5] ，气液 旋 流与 射孔 流动这二 者 会 产生极强 的相 互 作 用 ， 此 时的内部构件的压降也会大 幅 度

的下降。在这一课题当中，还会 专门 将一套 填加双立 体 旋 流 筛板 内构件的流化床冷模实验装置之上 来进 行分

别化测验， 由此 了解 到 鼓泡床与湍动床这二 者 之 间 的压差脉动所 存 在的特性。

1

1.2 压力脉动特性的研究

事 实上，在当前的这一压力脉动信号当中，其主要 能够 直接将流化床内部气泡特性、 物 料特性等 全 部 都

反映 出 来 。压力脉动信号不 仅可以用 于 识 别不同流 型 、 判 断流化床内部两相流化质量，还 可用 于流化床 故障

的 指示 ， 因此 压力脉动特性分析是研究流化床的 重 要 手 段。在当前的这一鼓泡流化床当中，气泡在 发生运 动

之后， 此 时也会 产生极强 的压力 波 动。气泡主要会 存 在于流体力 学 、气固 混合 等多个方 面 之上。

在 20 世纪 50 年代 与 60 年代 的这一时 期 ，大部分的相 关人员 已 经正 式在流化床当中 详细 的了解 到 了当下

的这一 种 压力脉 冲 现 象 ，究其 原因 ，其实 仍 然 存 在诸多差 异 。在大部分 人 的 眼 中，压力脉 冲 与床层高度 波 动

存 在着 极强 的 关联 ，在这 种 情况之下，气泡也会直接 从 床层表 面逸 出，压力脉 冲 也会 由此产生 。 除此 之 外 ，

另外 一 种 观点 则 是 觉得 ，当气泡 运 动 发生 之后，这 必 然会 引起 后 续 的一 系列 流动模式， 整 个压力脉动也会 受

到极 大的 影响 ^[6] 。前 人 还 专门针 对于压力脉 冲 信号 进 行 详细 的研究，在压力脉 冲 当中也 没有形 成一 种 直接化

的 聚 结情况，这也 无法很好 的 开展 一 系列 的气泡 运 动。床 面附近 的压力脉动与气泡的 运 动这二 者 之 间存 在 极

大的 关联 ，之所 以 会出现床 面 中部的脉动情况，还是 因 为小气泡 和 大气泡这二 者 被 聚 结在一 起引发 的 合 力。

Van derschaaf 等还 专门针 对于鼓泡流化床压力 波 动的实 际 情况 来做 出 判 断，并 切 实 地 了解 到 高速度、压力 波

的上升 运 动等 乙烯类 情况，一 旦此 时的 传播 速度变小， 那么 气泡也会 陡 然上升。一 般 而言，压力 保持 着向上

运 动 幅 值的这一状态， 整 个流化床压力脉动也表现出了 非 常明 显 的 波 动 , 其所 涉 及的信号也 能够 直接将流化

床的 各种 信 息 是 全 部 都传递 出 来 ， 从 而 再 将脉动信号 全 部 都 了解 清楚 ，并 尽 快 推 动流化床这一 问 题 能够予以

解 决 。在当前的这一课题当中，主要还是会在流化床当中直接设置一 块立 体 旋 流 筛板形 式的 挡板 内构件，通

过这 种 方式 来让全 床流化质量 得以提 升。

1.2.1 压力信号脉动的标准偏差分析

所 谓 压力脉动标准偏差 指 的 就 是在这一 整 个流化床内部两相流动的 综合指 标，其 可以 将两相 整 体的流动

状态直接 反映 出 来 。在这一 次 的实验当中，其所 用 的设 备 、 物 料等 都保持 着 极 为 统 一的一致性，所 以 在 进 行

这一 次 实验的时 候 ，还是应该考 虑到 其中所 存 在的中压力脉动标准情况。

在 进 行 数据 分析的时 候 ，标准差分析 法则显得十 分 适用 ，其在 整 个 社 会当中 都得到 了 极 为 普遍 化的 运用

[7,8] 。

通过 利用 标准偏差这一 种 方式 来进 行分析之后， 此 时 则可以 将 任 意时 刻 的 瞬 态压力

i P 直接 予以 分阶， 从

而 划 分成为平均值  P 与 波 动值 P′ 这两项的 和 ， 具 体 如 下

2

平均值  P 主要 指 的是轴向压力值。当 P′ 的均值为 零 ， 任 意一个测量点的压力标准偏差 S 也会表现出 以 下

状态

在这一方程式当中， N 主要 代 表的 就 是 采样数据 个 数 。

在鼓泡流化床当中，压力 波 动一 般都 是 由 气泡 运 动所 产生 。 薛军鹏 等 ^[9] 则 是 针 对于当前的大颗粒流化床

上 进 行分析，气泡在不断 运 动的过程当中，其也会 产生 诸多一 系列 变化，这会直接 影响 压力 数据 的实 际波 动

情况。 针 对于流化床压力信号 低 频分量 进 行 切 实的分析， 由此可以 直接 判 断出 此 时流化床 物 料 正 处于流化状

态。 张永民 等 ^[10] 还 专门 将床层压力脉动情况了解 清楚 ，并通过 运用 动态压力信号的标准差 来 直接 说 明 整 个压

力脉动的实 际 大小。 最终 结果已 经 直接表明了一点，当表观气速不断增大，压力脉动 则 会表现出先增大后减

小的状态。压力脉动的 峰 值点本 就 是这个床泡状流化与湍流流化的 起 始点。 由此可见 ，流化床压力脉动与气

泡特性这二 者 呈现出了 极 为 紧 密的 联系 ，床层的平均气泡直 径 也在大 幅 度的减小。

1.2.2 功率谱分析

在 进 行频 域 分析的时 候 ，功率谱分析 则 是一 种使用 较为 普遍 的方式。其所 坚持 实 际 基本 原理具 体 如 下：

用 相 关函数来 准 确 的 描述某 一时 刻数据 与 另 一时 刻数据 这二 者 之 间 所 存 在的 关系 ， 具 体情况 如 下：

φ xx ( t ) = min

T →∞

1

T ^∫

− ^T

2

T

2

x ( t ) x ( t + τ ) dτ

函数发生 变化之后， 具 体情况 如 下：

P ( ω ) = ∫

− ∞

+ ∞

φ xx ( t ) e

− iωt d t

由此可见 ，功率谱密度 函数 在 发生切 实的变化之后， 我 们 也 能够清楚 的直 到能 量在频 域 的实 际 分布情况，

在对功率谱 图像 进 行 进 一步分析之后，流化床的一 些 性 能 也 能够 直接 突 显 出 来 。对于功率谱而言，其 最 为 重

要的一项特征 就 是 存 在一个 尖 峰 区( 主频），其所 具备 的 能 量 最 大，相对应的频率、高度等多项参 数 也会 产

生息息 相 关 的 联系 ，在这 种 情况之下，流化床的操作状况也 能够 被直接 反映 出 来 。在测 定 功率谱的这一过程

当中，还应该对于流动 域予以定 性与 定 量 判 断， 从 而 让 这一流 域划 分 得 更 加 准 确 ^[11] ， 由此可见 ，功率谱密度

函数 压力时 间 序 列 也会直接 予以 明 确 下 来 。 刘宝勇 等 ^[12] 在 采 集 分布 板 这一情况之下，轴向高度的 瞬 时压力 波

动信号的功率也会大大增 加 ， 从 而了解其中的一个 最 大 振 幅最 大点 ( 主频），并直接了解 到 固体颗粒 循环 速

3

率变化、操作气速变化等诸多情况。在气固两相流这一 领域 当中， Svoboda 等 ^[13] 还 专门针 对于流化床中气速、

颗粒直 径 等多个方 面 的对应 关系 了解 清楚 ， 学者 刘燕 等 ^[14] 再 将功率谱 和 Hurst 对大颗粒三相流化床压力脉动

综合 分析 得 出了大颗粒 循环 流化床压力实 际波 动信号。

基于上 述 的实 际 情况 看 来 ，在 进 行 循环 流化床的流体动力 学 研究的时 候 ，还是应该对于 具 体的装置 类型

进 行处 理 ，特别是要 清楚 的了解 到 下流化床的流动特性。流化床的压力脉动 能够 将流体在床内的 瞬 时流动状

态直接 反映 出 来 ， 从 而了解 整 体的流动规律，压力脉动信号本 身就具备 一 定 的随机性，其在 释放 压力脉动信

号的时 候 也 必 然会表现出这一特性。

1.3 本课题研究的目的及意义

针 对于 以 往 的实 际 研究情况 看 来 ，前 人 早 已 经证 明了一点，在床层内部 可以 直接安装一个构件，通过这

种 方式， 整 个 全 床流化质量也 能够得以提 升。在这一 次 的实验研究过程当中，在床层内 低 料位 添 加 一个 旋 流

筛板 内构件， 此 时 则能够 更 加 直观的了解 到 其的压力（压差）脉动特性，并对其 做 出 深 度的分析。 针 对于不

同的实验条件 来进 行比较， 从 而了解 到 床层压力脉动实 际 标准偏差值， 从 而 真 正 了解 到 床的压差脉动特性的

详细 信 息 ，这一 思想 指 导 也会 进 行 到 位。

2 实验部分

2.1 实验装置及流程

整 个实验装置 以 及 具 体的流程 具 体参 见 下 图 1 ：在这一装置主体当中，其主要 涉 及了小直 径 的床层段、

旋 流 筛板 式气固 挡板 等多个部分，在了解其中 存 在的 旋 风 分 离 器 与 旋 流 筛板 式气固 挡板 当中，并 选择 一 种 透

明的 有 机玻璃。在 选择 床层段的时 候 ， 尺寸则 表 示 了 Φ 90 mm×3350 mm ， 整 个 沉 降段 尺寸 也 达 到 了 Φ 280

mm×2200 mm / Φ 380 mm×900 mm ， 再 将 扩 径 段的高度直接 拔 高， 总 体 达 到 了 200 mm 和 100 mm ；在床层底

部分布 器 之上 来 均 匀 的 开 设 起 个直 径 为 5 mm 的小 孔 ， 整 体的 开孔 率已 经 达 到 了 2.78% 。在当前的这一 旋 流

筛板 式气固 挡板 当中，其主要 包含 了内 筒 、 外 筒 等多个部分，并通过 SLA 光敏树脂 3D 打印 这一 种 方式 来制

成。 外 筒 外径 与 壁厚 这二 者 之 间 达 到 了 100 mm 和 5 mm ，相应的，内 筒 外径 与 壁厚 分别为 20 mm 与 3 mm ，

旋 流 筛板 厚 度一 般 为 1 mm ， 扭 转 角 度 则 达 到 了 90° ，在 每 一 块板 上 需 要均 匀 开 设 34 个小 孔 ， 每 一个直 径 需

要 保持 在 5 mm 。内 筒 和外 筒需 要直接 控 制 在同一轴线之上，并将其直接固 定 在内 筒 、 外 筒 的 壁 上，三 者 高

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