当操作气速(亦称表观气速,Ug)介于Uc(颗粒的湍动流化速度,此时一般不加前缀“最小”两字)和Ut(颗粒的终端速度)时,流化床可以被具体地叫做湍动流化床,一般简称湍动床。相比于鼓泡床,湍动床要难形容的多,很难在人的脑海中形成一个清晰的物理图像。当Ug介于Umb(颗粒的最小鼓泡流化速度)和Uc时,随Ug增大,床中鼓泡越来越剧烈,气泡尺寸越来越大。但是当Ug超过Uc后,随Ug增加,气泡尺寸反而呈现减小的趋势。
基本概念
流化床(Fluidized bed)这一概念的提出是为了区别于固定床(Fixed/Packed bed)。然而,本质上讲两者可以是同一个设备,即圆筒中架设一块气体分布板(可以透气,但不允许颗粒通过),板上堆积一定高度的颗粒,气体自下而上依次穿过气体分布板和颗粒层。当操作气速(亦称表观气速,Ug)小于床中所装颗粒的最小流化速度(Umf)时,人们将这个设备称为固定床;而当Ug大于Umf时,人们将这个设备称为流化床。
流化床实际上是一个笼统的概念,根据Ug的不同,又可以细分为鼓泡(流化)床、湍动(流化)床、快速(流化)床、密相输送床和稀相输送床。传统意义上的流化床通常特指鼓泡流化床或者湍动流化床,属于经典流态化范畴,颗粒不会被气体吹出而损失。
湍动流化床(Turbulent fluidized bed)——当Ug介于Uc(颗粒的湍动流化速度,此时一般不加前缀“最小”两字)和Ut(颗粒的终端速度)时,流化床可以被具体地叫做湍动流化床,一般简称湍动床。相比于鼓泡床,湍动床要难形容的多,很难在人的脑海中形成一个清晰的物理图像。当Ug介于Umb(颗粒的最小鼓泡流化速度)和Uc时,随Ug增大,床中鼓泡越来越剧烈,气泡尺寸越来越大。但是当Ug超过Uc后,随Ug增加,气泡尺寸反而呈现减小的趋势。
概念的提出
最早记录端动流态化的图像证据,被认为是Matheson在用空气通过催化剂床层研究节涌现象时拍摄下的一张照片,如图1所示。图1中左图使用150微米直径催化剂,呈现清晰的节涌流型;图1中右图使用45微米直径催化剂,呈现典型的湍动流型。在Zenz所发表的气固流态化相围中,第一次出现了湍动流态化区域。Lannean用电容探针对节涌流化床进行高气速下气固接触研究时,观察到流型转变为一种非常均匀的状态,同时检测到床密度发生陡降,并伴随固含率脉动幅度降低与脉动频率升高的现象。这是对滞动流型局部固含率巧首次量化研究。后来,Kehoe和Davidson使用电容探针、X射线及摄影成像的方法对节涌流化床进行研究,肉眼观察到舌形流体在床层中曲折穿行,电容探针检测到与Lannean类似的固含率脉动幅度降低与脉动频率升高的现象,且摄像法捕捉到的空义与普通气泡不同。于是,他们将该流型称为湍动状态,并被公认为湍动流态化这一概念的提出者。
湍动流化床中的颗粒减速现象
湍动流化床中存在上下两个颗粒减速的特定区域。其中,上部减速区是由于扩大段导致局部流速降低、颗粒浓度增大而产生的,与提升管顶部强约束型出口产生的减速区情况类似。流化段的高度决定了出口减速区的位置,进而影响充分发展区与加速区的长度甚至存续与否。而下部减速区的产生源于过渡段固含率沿床高急剧降低,气体流速随气含率增大而降低所导致的固体减速效应。下部减速区的位置受静床高与表观气速两者影响,其变化规律与过渡段位置的升降趋势一致。