[科普中國(guó)]-三相流化床

三相流化床又稱氣流動(dòng)力流化床。污水與空氣同步進(jìn)入床體在氣流的作用下， 氣、液、固（生物膜載體）三相進(jìn)行攪動(dòng)接觸，并產(chǎn)生升流在床體內(nèi)循環(huán)的處理床。在這一過程中，產(chǎn)生有機(jī)污染物的降解反應(yīng)，由于載體間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，生物膜及時(shí)脫落，無需另設(shè)脫膜設(shè)備。當(dāng)進(jìn)水的BOD濃度較大時(shí)，可采用處理水回流措施。防止氣泡在床內(nèi)并合是此法的技術(shù)關(guān)鍵，為此，可采用減壓釋放或射流曝氣充氧。1

簡(jiǎn)介氣液固三相流態(tài)化是指固體顆粒懸浮在向上的氣液流中而形成的一種流化狀態(tài)，其顆粒密度遠(yuǎn)大于液體，粒徑一般大于150μm，固含率分布從0.6（固定床階段）到0.2（接近稀釋輸送階段）。

流化過程中劇烈的內(nèi)部混合使熱量在反應(yīng)器內(nèi)均勻擴(kuò)散，防止熱點(diǎn)的產(chǎn)生，因此反應(yīng)器可以在溫度分布均勻的條件下操作，傳熱效果好且溫度易于控制。同樣的原因使得相較于固定床，流化床不易堵塞，傳質(zhì)效率高，對(duì)反應(yīng)器體積的利用率也更高，且床層內(nèi)的膨脹使得壓降不會(huì)隨氣液流量的上升而持續(xù)上升。在反應(yīng)過程中可以增加或移出催化劑而不打斷反應(yīng)的進(jìn)行，保證了產(chǎn)量。因此，相較于固定床，流化床更易于維護(hù)，替換的成本也較低。但是催化劑的磨損和夾帶，嚴(yán)重的反混是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。三相流化床由于其相界面積大、傳質(zhì)速率高、抗沖擊能力強(qiáng)、負(fù)載微生物活性強(qiáng)、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來研究熱點(diǎn)。隨著三相流態(tài)化技術(shù)研究的深入和發(fā)展，其應(yīng)用在不斷擴(kuò)展和提高。

氣液固三相流化床具有高處理能力、低阻力降、充分的相間接觸和良好的傳質(zhì)、傳熱效果及溫度易于控制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的已經(jīng)商業(yè)化的將天然氣轉(zhuǎn)化為石油或化學(xué)品的漿態(tài)鼓泡床反應(yīng)器和生物污水處理裝置都比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究的尺寸要大得多，而三相流化床明顯的放大效應(yīng)為它的最優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了巨大的困難，以往的流化床設(shè)計(jì)都是通過中間試驗(yàn)來降低放大后可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，為了從實(shí)驗(yàn)規(guī)模向工業(yè)規(guī)模放大，對(duì)三相流化系統(tǒng)流體和氣泡動(dòng)力學(xué)，傳質(zhì)和放大效應(yīng)的研究是至關(guān)重要的。2

研究現(xiàn)狀過去大部分對(duì)三相流體化的研究集中于對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的分析和它對(duì)相含率以及傳質(zhì)性能的影響，大體上可分為3種方向：

流場(chǎng)描述對(duì)三相流化床流動(dòng)形態(tài)的描述主要通過測(cè)量不同操作條件下局部和平均相含率以及各相速度。

K. Sivaguru，K.M. Meera Sheriffa Begum和N. Anantharama將液相作為連續(xù)相，氣相作為分散相，固相是直徑1mm，密度為2650kg/m3的陶瓷顆粒，液相和固相使用混合模型，氣相用DPM的方法注入流化床底部，使用多孔區(qū)域模型來模擬分布板，發(fā)現(xiàn)多孔區(qū)域模型很適合用于工業(yè)條件下的模擬，即使在不同液速、氣速，不同的床層高度下。模擬的流化床壓降與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，當(dāng)氣速增加時(shí)，壓力降減小。

曹常青等在以空氣、水和小尺寸玻璃珠顆粒分別為氣相、液相和固相的氣液固三相流化床中，使用能同時(shí)測(cè)得三相流化床各相局部含率的微電導(dǎo)探針技術(shù)對(duì)局部相含率軸徑向分布進(jìn)行了研究，改變表觀氣速和表觀液速，測(cè)試了不同高度的各相局部相含率，發(fā)現(xiàn)在充分發(fā)展段，局部氣含率和局部固含率在三相流化床徑向分布是不均勻的，在r/ R = 0.75～0.85 范圍內(nèi)，固含率分布出現(xiàn)一個(gè)極大值峰；在氣體分布器區(qū)，在距氣體分布器軸向一定距離范圍內(nèi)，三相局部含率的徑向分布存在明顯的不對(duì)稱分布，隨著軸向距離的增加，局部氣含率徑向不對(duì)稱分布逐漸消失，最終過渡到對(duì)稱分布，而局部固含率的徑向不對(duì)稱分布消失得不明顯。

流型劃分Muroyama和Fan制作了在一定表觀氣速和表觀液速范圍內(nèi)的氣體-水-顆粒三相流化床的流型圖。施漢昌根據(jù)三相流化床中的氣泡流動(dòng)行為將流場(chǎng)劃分為三種，即氣泡并區(qū)、氣泡分散區(qū)、氣泡節(jié)涌區(qū)。Chen等人通過測(cè)量壓力脈動(dòng)來區(qū)分流型。Briens使用諸如分形混沌理論等數(shù)據(jù)挖掘方法來區(qū)分氣泡聚并和氣泡分散等流型。

先進(jìn)的模擬方法盡管針對(duì)不同過程參數(shù)和物系組成下的流場(chǎng)描述和流型劃分已進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，三相反應(yīng)器中固固、液固和固氣間的復(fù)雜作用使其流場(chǎng)仍得不到深入的了解。因此，計(jì)算流體力學(xué)已成為一個(gè)強(qiáng)有力的工具用于多相流反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和放大。

在近幾十年內(nèi)，出現(xiàn)了大量的兩相液液、液固、氣液、氣固系統(tǒng)的 CFD 模型?，F(xiàn)在有兩種方法得到了普遍的應(yīng)用：（1）Euler-Euler-Euler模型，基于互相滲透的多相流假設(shè)；（2）Euler-Lagrange模型，用于解決分散相的運(yùn)動(dòng)方程。

三相流系統(tǒng)包括泥漿鼓泡塔和三相流化床的CFD模型已經(jīng)開發(fā)。在泥漿鼓泡塔中，液固滑移速度一般很小，這使得液相和固相可以作為假想的均一混合相，從而將三相系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩相的系統(tǒng)。三相流化床由于其較大的顆粒直徑，不能應(yīng)用這種簡(jiǎn)化的方法，因此它只能作為一個(gè)三相流的問題來處理。2

測(cè)試技術(shù)根據(jù)測(cè)試傳感器是否侵入流場(chǎng)可將三相流化床測(cè)試技術(shù)分為兩大類：侵入式測(cè)試技術(shù)和非侵入式測(cè)試技術(shù)。

侵入式測(cè)試技術(shù)侵入式測(cè)試技術(shù)（Invasive Techniques）的研究應(yīng)用先于非侵入式測(cè)試技術(shù)，始于20世紀(jì)60年代。其優(yōu)勢(shì)在于可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)局部特性參數(shù)的測(cè)量。侵入式測(cè)試所用傳感器主要有針型探頭、傳熱探頭、超聲探頭和皮托管等。

（1）針型探頭

針型探頭（Needle Probes）主要用于研究氣液（固）系統(tǒng)的氣相局部動(dòng)力學(xué)行為。其時(shí)空分辨率分別為秒級(jí)和毫米級(jí)。單針系統(tǒng)主要用來研究氣含率和氣泡頻率，雙針系統(tǒng)可用于測(cè)量氣泡速度、局部時(shí)均相界面積和平均泡弦長(zhǎng)度分布，多針系統(tǒng)可以測(cè)量氣泡形狀。針型探頭主要有電導(dǎo)探頭和光纖探頭，是三相流化床參數(shù)測(cè)量的重要手段。

電導(dǎo)探頭測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量三相流化床的局部氣含率，利用雙針電導(dǎo)探頭和示蹤劑相結(jié)合可以測(cè)量局部液相速度及液相混合特性。雙針電導(dǎo)探頭也可用于同時(shí)測(cè)量三相流化床系統(tǒng)的相含率。

光纖探頭有反射型探頭和透射型探頭之分，常用于測(cè)量三相流化床中的氣泡特性。光纖探頭也可用于測(cè)量局部固含率，此時(shí)，氣泡的影響可通過標(biāo)定加以排除，經(jīng)過對(duì)反射型或透射型光纖探頭的標(biāo)定，該技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)三相流化床相含率的同時(shí)測(cè)量。纖探頭引起誤差的主要原因?yàn)闅馀莺吞筋^之間的相互作用：探頭表面狀況影響刺穿氣泡的能力，探頭在多相流中的放置方向影響測(cè)量結(jié)果，氣泡的形狀影響氣泡大小和氣液相界面積估計(jì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，光纖探頭的標(biāo)定是否準(zhǔn)確對(duì)于測(cè)量精度也有較大影響。

（2）超聲探頭

超聲探頭（Ultrasonic Probes）測(cè)試是根據(jù)超聲波在多相系統(tǒng)中的透射或反射特性的不同而實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量的。這里所指探頭是侵入式超聲探頭，超聲探頭主要用于氣液系統(tǒng)氣泡參數(shù)測(cè)量，近年來開始用于三相流化床系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量。根據(jù)測(cè)試原理的不同，分為超聲透射技術(shù)和超聲反射技術(shù)。根據(jù)透射聲波特性測(cè)量局部氣含率和局部平均相界面積等參數(shù)的方法稱為超聲透射技術(shù)，其需要聲波發(fā)射探頭和接收探頭。測(cè)量時(shí)，發(fā)射探頭和接收探頭被氣液兩相系統(tǒng)隔開。

根據(jù)來自氣泡等表面的反射聲波的幅值和頻率確定氣泡大小和速度的方法稱為超聲反射技術(shù)或脈沖回波技術(shù)。超聲反射技術(shù)的探頭本身既是發(fā)射器，又是接收器。為了分析反射波的特性，常采用脈沖回波技術(shù)。通過分析反射波的幅值和頻率可以確定氣泡尺寸和局部氣泡速度分布。采用超聲透射探頭技術(shù)，可對(duì)氣液固三相循環(huán)流化床提升管內(nèi)的局部氣含率和局部固含率同時(shí)測(cè)量，獲得相含率的徑向分布規(guī)律。

非侵入式測(cè)試技術(shù)侵入式測(cè)試技術(shù)具有對(duì)流場(chǎng)有干擾、標(biāo)定曲線具有不確定性、時(shí)空分辨率低（厘米或毫米級(jí)、分鐘或秒級(jí)）等局限性。其中，對(duì)流場(chǎng)有干擾是其最大局限。非侵入式測(cè)試技術(shù)則無此缺陷，分為全局特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)和局部特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)。

（1）全局參數(shù)測(cè)量技術(shù)

全局測(cè)量技術(shù)包括壓力傳感器技術(shù)、相示蹤技術(shù)、輻射衰減技術(shù)（x射線、γ射線和中子吸收射線攝影技術(shù)等）、聲波技術(shù)（次生波、可聞聲波到超聲波等）等，可以得到三相流化床的流型、壓降、相含率、氣泡尺寸分布、相混合特性等。對(duì)于測(cè)得波動(dòng)特性數(shù)據(jù)，還可以應(yīng)用現(xiàn)代分析方法進(jìn)行深入研究。

（2）局部參數(shù)測(cè)量技術(shù)

a、攝像技術(shù)

攝像技術(shù)是一種比較傳統(tǒng)的可視化研究手段，對(duì)流場(chǎng)無干擾，常用于研究二維三相流化床內(nèi)的氣泡行為，結(jié)合液相和固體顆粒折射率匹配技術(shù)等，可以測(cè)得氣泡的大小、分布、上升速度、運(yùn)動(dòng)過程和氣含率等。其局限性在于只能得到壁面附近的運(yùn)動(dòng)情況，液相和壁面都要求透明．對(duì)于高壓系統(tǒng)，需要耐壓的視窗材料。

b、放射顆粒跟蹤技術(shù)

放射線照相技術(shù)是攝像技術(shù)的延伸，而放射顆粒跟蹤技術(shù)（Radioactive PanicleTrackillg，簡(jiǎn)稱RPT）以放射線照相技術(shù)為基礎(chǔ)，可以獲得平均和瞬時(shí)三維多相流場(chǎng)圖像。

在測(cè)試過程中，示蹤顆粒與流化床內(nèi)固體顆粒的大小和密度相同，這樣，示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以代表流化床內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。與流化床內(nèi)顆粒不同的是，示蹤顆?？梢园l(fā)射射線，一般用γ射線。γ射線被沿流化床高度布置的多個(gè)閃爍探測(cè)器所感知。示蹤顆粒位置不同，施加到每個(gè)探測(cè)器上的v射線的輻射量不同。通過估計(jì)流化床內(nèi)γ射線的衰減等可以測(cè)得示蹤顆粒在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)三維運(yùn)動(dòng)位置或坐標(biāo)【x，y，z】。通過對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡上的點(diǎn)的連續(xù)微分，可以將顆粒運(yùn)動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換為局部和瞬時(shí)速度分量。但是，該技術(shù)1次只跟蹤1個(gè)放射顆粒，屬于點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)，在由信號(hào)確定顆粒位置時(shí)，需要繁瑣的校正程序，因此，獲得完整流場(chǎng)的時(shí)問較長(zhǎng)，數(shù)量級(jí)在10h級(jí)。

c、顆粒圖像測(cè)速技術(shù)

顆粒圖像測(cè)速（Panicle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱PIV）技術(shù)20世紀(jì)90年代初被應(yīng)用于多相流系統(tǒng)，以Eulerian觀點(diǎn)獲得整個(gè)流場(chǎng)的瞬時(shí)和平均速度分布，突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性。其測(cè)試原理是：激光束經(jīng)透鏡形成片光源，照射含有示蹤顆粒的被測(cè)流場(chǎng)，用高分辨率快速CCD攝像頭對(duì)流場(chǎng)空間進(jìn)行成像數(shù)字采樣，然后將圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。通過計(jì)算多幅圖像中分析窗口內(nèi)顆粒的位移，可以得到瞬時(shí)速度場(chǎng)。PⅣ技術(shù)不僅可以測(cè)量三相流化床內(nèi)局部顆粒瞬時(shí)速度，還可以測(cè)量速度波動(dòng)、相含率、氣泡大小及分布。該測(cè)試技術(shù)的難點(diǎn)在于相的有效識(shí)別和重建三維流場(chǎng)，為此提出了許多方法，如：對(duì)液相應(yīng)用熒光示蹤顆粒、對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾、應(yīng)用折射率匹配技術(shù)、篩選合適的光路設(shè)計(jì)等。3

三相流化床的應(yīng)用氣-液-固三相流化床研究開始于20世紀(jì)60年代，由于其具備溫度易于控制、相間混合均勻、傳熱傳質(zhì)效果好和接觸面積大等優(yōu)點(diǎn)而得到了大量的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于石油化工、生物化工、煤化工及環(huán)境工程中。

石油化工石油化工中重油、渣油的加氫處理其過程十分復(fù)雜，主要反應(yīng)包括加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧、加氫脫金屬等。這一過程中存在的問題是催化劑的失活，在反應(yīng)過程中，焦炭在催化劑表面沉積使催化劑活性下降。此過程可以由沸騰床完成，其能進(jìn)行在線催化劑置換，且混合性能好，溫度分布相當(dāng)均勻。

生物化工生物化工是21世紀(jì)具有重要發(fā)展前景的領(lǐng)域，三相流化床由于其較攪拌釜對(duì)細(xì)胞的破壞較小、處理能力大，在生物廢料發(fā)酵制單細(xì)胞蛋白飼料，生物法制備維生素和抗生素等方面也得到了應(yīng)用。

煤化工液相費(fèi)-托合成是三相流化床最重要的應(yīng)用之一，也是研究時(shí)間最長(zhǎng)，應(yīng)用最廣泛的過程之一。其反應(yīng)器是泥漿鼓泡床，氣體CO和H2從流化床底部進(jìn)入反應(yīng)器，催化劑懸浮在重油介質(zhì)中。費(fèi)-托反應(yīng)是高放熱反應(yīng)，泥漿鼓泡床良好的傳熱性能能夠消除床中的局部過熱，從而保持床中溫度均勻分布。其在煤催化加氫合成液體燃料也有應(yīng)用。

環(huán)境工程在污水處理中，生物處理是最常用的技術(shù)，氣液固三相流化床由于其處理效率高、高徑比大、設(shè)備緊湊、便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，被用于好氧生物法污水處理中并取得了良好的效果。90年代初，中國(guó)科學(xué)環(huán)境科學(xué)研究院張宗祥和杜兵對(duì)內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進(jìn)行了初步的研究。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)