CN212549475U

CN212549475U - 一种高效循环的均匀流化器及喷动床

Info

Publication number: CN212549475U
Application number: CN202021222709.3U
Authority: CN
Inventors: 吴峰; 段豪杰; 潘君明; 童亮; 何定豫; 张�杰; 闫渊; 惠志全; 马晓迅
Original assignee: Northwestern University
Current assignee: Northwestern University
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2030-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种高效循环的均匀流化器及喷动床，喷动床主体内设置有均匀流化器；流化器包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体，喷气斗体的底部开设有主喷嘴，喷气斗体的侧壁上分布有多个侧喷嘴，喷气斗体的底部还固定有旋流叶片的底端，旋流叶片的轴向中心轴线与喷气斗体的轴向中心轴线重合；喷气斗体安装在喷动床主体的底部，喷气斗体的顶部边缘与喷动床主体的内壁接触密封安装，喷气斗体与喷动床主体之间的空间为锥环形进气通道；旋流叶片的顶端与直管段的顶部的出气口平齐，旋流叶片的轴向中心轴线与直管段的轴向中心轴线重合。本实用新型均匀流化器使气体与颗粒迅速接触，提高循环效率，提高喷动床的整体物料处理能力。

Description

一种高效循环的均匀流化器及喷动床

技术领域

本实用新型属于化工设备领域，涉及喷动床，具体涉及一种高效循环的均匀流化器及喷动床。

背景技术

柱锥型喷动床是一种目前发展非常迅猛的高效气固反应器，现已广泛地应用于化工生产领域的各种单元操作过程，例如，大颗粒物料的干燥、包衣、造粒、废橡胶低温热解、以及溶液的干燥、粉碎，低品质煤的气化、燃煤烟气脱硫、垃圾焚烧烟气脱硫脱盐酸气体、二氧化碳的去除等。

喷动床的发展已有50多年，它有多种形式，其中应用最广泛、最典型的喷动床是柱锥型喷动床，其存在着明显的三区流动结构：稀相喷射区、密相环隙区及喷泉区。喷射区中颗粒被高速气体夹带而出，并与气体作顺流接触，而当颗粒由喷泉区回落到环隙区后，缓慢下移的同时与环隙区内的气体作逆流接触，即喷动床的介质颗粒具有明显的内外分层流动特点。但对于细小颗粒的处理，此喷动床也存在一些不足之处：环隙区、特别是喷动床锥体区颗粒运动缓慢，颗粒出现聚团、结节甚至出现流动死区，环隙区与喷射区颗粒、气体缺乏径向混合，进而影响和降低了喷动床的整体物料处理效率及化学反应速率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种高效循环的均匀流化器及喷动床，解决现有技术中在确保不出现流动死区的基础上，循环效率不足的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种高效循环的喷动床，包括喷动床主体，所述的喷动床主体分为轴向一体连通的直管段和锥管段，直管段的顶部为出气口，锥管段的底部设置有进气口，所述的喷动床主体内设置有均匀流化器；

所述的流化器包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体，喷气斗体的底部开设有主喷嘴，喷气斗体的侧壁上分布有多个侧喷嘴，喷气斗体的底部还固定有旋流叶片的底端，旋流叶片的轴向中心轴线与喷气斗体的轴向中心轴线重合；

所述的喷气斗体安装在喷动床主体的底部，喷气斗体的顶部边缘与喷动床主体的内壁接触密封安装，喷气斗体与喷动床主体之间的空间为锥环形进气通道；

所述的旋流叶片的顶端与直管段的顶部的出气口平齐，旋流叶片的轴向中心轴线与直管段的轴向中心轴线重合。

本实用新型还保护一种高效循环的均匀流化器，包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体，喷气斗体的底部开设有主喷嘴，喷气斗体的侧壁上分布有多个侧喷嘴，喷气斗体的底部还固定有旋流叶片的底端，旋流叶片的轴向中心轴线与喷气斗体的轴向中心轴线重合。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的多个侧喷嘴在喷气斗体的侧壁上的分布为上疏下密，分为上部、中部和下部三层分布，中部同层的开孔数目为上部同层的开孔数目的2倍，下部同层的开孔数目为中部同层的开孔数目的2倍。

所述的喷气斗体的侧壁与水平面之间的夹角为40°至60°。

所述的旋流叶片为单头螺旋的旋流叶片，旋流叶片的旋转圈数为3至7 圈。

所述的旋流叶片的宽度等于主喷嘴的内径。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本实用新型的喷动床相比较于传统喷动床，均匀流化器内接在喷动床柱锥连接部，增强喷动区与环隙区颗粒的径向运动，强化颗粒与喷射气体的动量、热量及质量传递过程。本实用新型均匀流化器使气体与颗粒迅速接触，提高循环效率，提高喷动床的整体物料处理能力。

(Ⅱ)本实用新型的喷动床相比较于传统喷动床，引入旋流效应使得气固两相获得更大的接触面积，减少传统喷动床流动死区的产生，同时降低了物料在床层中的停留时间，对于工农业生产中热敏性物料的处理具有指导意义。

(Ⅲ)本实用新型的均匀流化器结构简单，而且在安装简单，操作方便。

附图说明

图1为本实用新型的高效循环的喷动床的结构示意图。

图2为本实用新型的均匀流化器的结构示意图。

图3(a)为传统喷动床在Y＝0的轴向截面上，分别选取床内稳定喷动后t＝5s， t＝5.2s，t＝5.4s，t＝5.6s的对比例的颗粒体积分数分布云图。

图3(b)为高效循环的喷动床在Y＝0的轴向截面上，分别选取床内稳定喷动后t＝5s，t＝5.2s，t＝5.4s，t＝5.6s的实施例1的颗粒体积分数分布云图。

图4(a)为轴向截面Y＝0上，为保证床内温度达到平衡态，固选取时间点相对靠后的t＝10s，t＝10.2s，t＝10.4s，t＝10.6s时传统喷动床颗粒拟温度分布云图。

图4(b)为轴向截面Y＝0上，为保证床内温度达到平衡态，固选取时间点相对靠后的t＝10s，t＝10.2s，t＝10.4s，t＝10.6s时多喷嘴喷动床颗粒拟温度分布云图。

图4(c)为轴向截面Y＝0上，为保证床内温度达到平衡态，固选取时间点相对靠后的t＝10s，t＝10.2s，t＝10.4s，t＝10.6s时加装均匀流化器喷动床颗粒拟温度分布云图。

图5(a)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的内部旋流叶片旋转圈数(旋度)r₁＝3Q的案例。

图5(b)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的内部旋流叶片旋转圈数(旋度)r₂＝5Q的案例。

图5(c)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的内部旋流叶片旋转圈数(旋度)r₃＝7Q的案例。

图6(a)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的喷气斗体与水平面夹角即δ₁＝60°的案例的颗粒体积分数分布云图。

图6(b)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的喷气斗体与水平面夹角即δ₂＝50°的案例的颗粒体积分数分布云图。

图6(c)为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的喷气斗体与水平面夹角即δ₃＝40°的案例的颗粒体积分数分布云图。

图7为在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s的喷气斗体不同与水平面夹角即δ₁＝60°、δ₂＝50°、δ₃＝40°的案例进行比较的压力分布云图；

图8为喷气斗体不同与水平面夹角即δ₁＝60°、δ₂＝50°、δ₃＝40°的案例喷动床整体床层压降分布图。

图9(a)为传统喷动床在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、 5.4s、5.6s的固体压力分布云图。

图9(b)为高效循环的喷动床在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、 5.2s、5.4s、5.6s的固体压力分布云图。

图中各个标号的含义为：1-喷动床主体，2-均匀流化器，3-锥环形进气通道； 101-直管段，102-锥管段，103-进气口，104-出气口；201-喷气斗体，202-主喷嘴，203- 侧喷嘴，204-旋流叶片。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

在常规流体中引入旋流效应是一种新型的二次流强化传热技术，同时与侧喷嘴结合可以以较小的阻力增加换得更为强效的强化传热效果，目前已成为较为前沿的强化换热的研究热点，基本机理如下：在反应器正常工作时，流体部分经由侧喷嘴和主喷嘴重新分配，部分由侧壁喷出使气流拥有径向速度，部分在内接主喷嘴的旋流器旋流作用下产生强烈的径向扰动，于叶片周围旋转流动，使流体以螺旋状形式与颗粒相接触，增强径向混合，强烈的流体扰动加强了流体与颗粒之间的动量传递与传热。基于流体旋流效应强化流动运动原理，本实用新型将通过气体旋流来实现细小颗粒的径向运动，破坏喷动床环隙区、圆锥区的细小颗粒聚积，从而起到强化喷动床内颗粒与流体的混合过程。

需要说明的是，本实用新型中的水平面指的是垂直喷气斗体201的轴向中心轴线的轴截面。

需要说明的是，本实用新型中的所有零部件和材料，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件和材料。

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种高效循环的喷动床，如图1和图2所示，包括喷动床主体1，喷动床主体1分为轴向一体连通的直管段101和锥管段102，直管段101 的顶部为出气口104，锥管段102的底部设置有进气口103，喷动床主体1内设置有均匀流化器2；

流化器2包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体 201，喷气斗体201的底部开设有主喷嘴202，喷气斗体201的侧壁上分布有多个侧喷嘴203，喷气斗体201的底部还固定有旋流叶片204的底端，旋流叶片 204的轴向中心轴线与喷气斗体201的轴向中心轴线重合；

喷气斗体201安装在喷动床主体1的底部，喷气斗体201的顶部边缘与喷动床主体1的内壁接触密封安装，喷气斗体201与喷动床主体1之间的空间为锥环形进气通道3；

旋流叶片204的顶端与直管段101的顶部的出气口104平齐，旋流叶片204 的轴向中心轴线与直管段101的轴向中心轴线重合。

本实用新型中，喷动床主体1为倒柱锥型喷动床。

作为本实施例的一种优选方案，多个侧喷嘴203在喷气斗体201的侧壁上的分布为上疏下密，分为上部、中部和下部三层分布，中部同层的开孔数目为上部同层的开孔数目的2倍，下部同层的开孔数目为中部同层的开孔数目的2 倍。

作为本实施例的一种优选方案，所述的喷气斗体201的侧壁与水平面之间的夹角为40°至60°。

本实用新型中，旋流叶片204的主要作用于喷动床主体内的气流通道，在主要于竖直方向运动的气相中引入旋流效应，使其部分于径向上产生扰动。

具体的，旋流叶片204的底端无间隙内接喷气斗体201底部的主喷嘴202。这样既能够保证旋流叶片204具有足够的布置尺寸及影响空间，也能保证旋流叶片204结构对喷动床主体1内部流场的影响最大化。

作为本实施例的一种优选方案，旋流叶片204为单头螺旋的旋流叶片，旋流叶片204的旋转圈数为3至7圈。

作为本实施例的一种优选方案，旋流叶片204的宽度等于主喷嘴202的内径。

高效循环的喷动床工作时，通过进气口103进入的气体分为两个部分，一部继续于轴向直接通过主喷嘴202进入直管段101，在旋流叶片204的作用下引入旋流效应，产生径向扰动；另一部分经过锥环形进气通道3，从喷气斗体201 的侧喷嘴203进入喷气斗体201内，然后轴向进入直管段101。

性能测试：

作为一个具体的高效循环的喷动床的例子，具体的结构尺寸如下所示：

进气口直径D₁＝24mm，锥管段高H₁＝115mm，喷动床主体高H＝700mm，直管段直径D₂＝152mm。锥管段与水平面之间的夹角为60°。

主喷嘴的孔径D_c＝19mm，侧喷嘴的孔径D_s＝4mm。

多个侧喷嘴在喷气斗体的侧壁上的分布为上疏下密，上部同层的开孔数目 n₁＝4，中部同层的开孔数目n₂＝8，下部同层的开孔数目n₃＝12。

旋流叶片的宽度为19mm，厚度为1mm。

以上述具体的高效循环的喷动床为例，对其进行性能测试。

数值模拟的计算参数及边界条件如表1、表2所示。

表1喷动床几何尺寸及数值模拟参数设置

模型参数	参数值	模型参数	参数值
				柱体直径	152mm	入口直径	24mm
全床高度	700mm	静止床高	325mm
				锥体角度	30°	颗粒直径	1.41mm
颗粒密度	2503kg/m<sup>3</sup>	颗粒内摩擦角	28.5°
				颗粒最大体积分数	0.59	颗粒最大摩擦体积分数	0.588
颗粒恢复系数	0.9	操作压力	0.1mpa
				气体密度	1.225kg/m<sup>3</sup>	气体粘度	1.7894×10<sup>-5</sup>Pa·s
时间步长	2×10<sup>-5</sup>s	计算收敛标准	1×10<sup>-4</sup>

表2模型边界条件设置

工作时，具有一定压力的高速气体从进气口进入喷动床，在底锥处分为轴向与侧向两部分，其中，大部分气相竖直向上直接进入均匀旋流器的主进气口，这一部分气体将在内接的旋流叶轮上发生旋流效应，在径向上产生扰动，将空气在喷射区以螺旋状送出进入喷泉区及环隙区，使气固两相间产生高效接触，实现两相更有效的混合，并不断上升，进入到喷泉区，然后在重力的影响下，物料沿喷动床壁面进入环隙区内，并在环隙区内缓慢下降，最后由于重力作用，颗粒物料回到喷动床底端；此时另一部分气体在入口处进入底锥面间存在的空隙，再通过侧壁的开孔斜向上吹入喷动床环隙区，在固相堆积密度较大的区域引入更多气相，同时增加气固相间的景象扰动，使得环隙区气固相接触效率得到极大增强，加强无聊的往复循环，实现更高效的物理作用或化学反应。

对照组1：

本对比例除不安装本实用新型的均匀流化器2外，喷动床床身、其他参数及实验条件均同于实施例1。

对照组2：

本对比例除不安装本实用新型的均匀流化器2内的旋流叶片204外，喷动床床身、其他参数及实验条件同实施例1。

通过数值模拟研究可知，均匀流化器对喷动床内的流动影响效果如下：

第一，在Y＝0的轴向截面上，分别选取床内稳定喷动后t＝5s，t＝5.2s，t＝5.4s，t＝5.6s的实施例1和对比例的气体体积分数分布云图。

由图3可以发现，在加装均匀旋流器的情况下，中心的旋流叶片打破了传统喷动床所存在的明显三区，其流型相比于传统柱锥型喷动床以及侧喷嘴喷动床相比更加不规则，进口气体突破紧密堆积的固相颗粒所产生的通道在z轴上产生了偏向而不是如前两者分布于床中央。但与此同时我们也可以观察到当床层内气固两相喷动达到稳定之后，仍可以在一定的时间跨度内观察到固相在床内存在循环，相比于传统喷动床及只加装有侧喷嘴的喷动床，着重以内部旋流叶片主动干扰气体流向的新型喷动床能够引导气流进入环隙区内部，增大两相的径向混合，搅动部分死区，从而更大效率得提升喷动床的气固接触效率，改善了传统喷动床的固有缺陷。

第二，在轴向截面Y＝0上，为保证床内温度达到平衡态，固选取时间点相对靠后的t＝10s、10.2、10.4s、10.6s时传统喷动床、多喷嘴喷动床以及加装均匀流化器喷动床颗粒拟温度分布云图，如图4所示。

由图4的云图中表明，内部旋流叶片打破喷动床喷射区的流向后，进一步使得高能量颗粒中心随时间在床层中移动，喷动床的大部分有效反应集中在颗粒堆积密度较大的周围的环隙区，因此相比于传统喷动床这种集中于喷泉区底部以及喷射区范围内，经过改装的喷动床更能保证各部位颗粒与气体的充分接触，提高了整体床层对物料的处理效率。

第三，同样的在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的内部旋流叶片旋度不同即r₁＝3Q、r₂＝5Q、r₃＝7Q的案例进行比较，如图5所示。

由图5的颗粒体积分数分布图来看，随着喷动床内旋流叶片旋度的增加，原本轴向的喷射气体越发倾向于沿轴向移动，正如图中显示，当r₁＝3Q时，相比于r₂＝5Q、r₃＝7Q气固两相的主要接触面在轴心附近，随着叶片旋转圈数的增加，气流在旋流相应的作用下向壁面移动，导致喷动床一侧压降相比另一侧显著减小，床层一侧固态颗粒体积分数显著降低，另一侧却紧密堆积，导致整体床层处理效率降低。因此选择r₁＝3Q即可以保证气相对颗粒相的径向扰动，又可以壁面气体集中在喷动床一侧导致气固接触效率的降低。

第四，同样的在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s 的喷气斗体不同角度即δ₁＝60°、δ₂＝50°、δ₃＝40°的案例进行比较，如图6 (颗粒体积分数分布云图)、图7(压力分布云图)、图8(压降分布图)所示。

从图6、图7云图综合来看，均匀流化器喷动床当δ₂＝50°时，由侧壁开孔喷入床内的气相弥补了内部旋流叶片对气流的不平等分配，使得气相较为稳定得在轴心附近旋流上升，在倾角减小后平衡再次打破，使得床层一侧颗粒密集堆积，一侧气流集中将颗粒吹散。同时对比图7的压力分布云图，可以看出随着侧壁倾角的降低，底锥区压力越来越大。而从压降分布图8来看，整体呈上升趋势，δ₁＝60°、δ₂＝50°两种结构差异不大，但δ₃＝40°时床层压降相比于δ₂＝50°增加41.5％。因此综合考虑δ₂＝50°为更优解。

第五，在轴向截面Y＝0上，选取时间点分别为t＝5s、5.2s、5.4s、5.6s的不同结构喷动床的案例进行比较，如固体压力分布云图图9(a)和图9(b)所示。

在图9(a)和图9(b)中，固体压力表征为固相随气相运动的难易程度，从全局来看，由于旋流叶片改变了气相在各个方向的运动分量，使得整体床层的颗粒相更容易被气流带动进行循环混合，由此不仅保证了死区的减少，更能降低物料在床内的停留时间，这对于某些具体的工业场景如部分热敏物料(小麦、水稻等有机物料)的干燥处理、育种等具有很强的意义。

综上所述，本实用新型的均匀流化器在侧喷嘴对进口气体进行初次分配的基础上，内部旋流叶片在床层内引入了旋流效应，打破了传统喷动床内喷射区、环隙区与喷泉区三区之间的明显界限，更大化得实现了气固两相的大面积接触，提升了床层物料的处理效率，同时简单易上手的改装不需要太大的工作量，可以在原喷动床基础上进行定制保证成本的可控。在本实用新型的研究范围内，均匀流化器的优势结构为侧壁开孔与径向平面夹角为δ＝50°，旋流叶片在整体床层上旋转圈数不易过大，r＝3Q时流场相比其它更为均匀。

应用本实用新型的均匀流化器适用于基础结构为三维柱锥型的喷动床，可以有效地保证喷射区与环隙区内气固两相的充分混合，增强喷动区与环隙区颗粒的径向运动，强化环隙区动量、热量的相见传递，不仅可以弥补传统喷动床存在的固有缺陷，同时降低物料床层停留时间，从而提高喷动床的整体效率和生产能力。

Claims

1.一种高效循环的喷动床，包括喷动床主体(1)，所述的喷动床主体(1)分为轴向一体连通的直管段(101)和锥管段(102)，直管段(101)的顶部为出气口(104)，锥管段(102)的底部设置有进气口(103)，其特征在于，所述的喷动床主体(1)内设置有均匀流化器(2)；

所述的流化器(2)包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体(201)，喷气斗体(201)的底部开设有主喷嘴(202)，喷气斗体(201)的侧壁上分布有多个侧喷嘴(203)，喷气斗体(201)的底部还固定有旋流叶片(204)的底端，旋流叶片(204)的轴向中心轴线与喷气斗体(201)的轴向中心轴线重合；

所述的喷气斗体(201)安装在喷动床主体(1)的底部，喷气斗体(201)的顶部边缘与喷动床主体(1)的内壁接触密封安装，喷气斗体(201)与喷动床主体(1)之间的空间为锥环形进气通道(3)；

所述的旋流叶片(204)的顶端与直管段(101)的顶部的出气口(104)平齐，旋流叶片(204)的轴向中心轴线与直管段(101)的轴向中心轴线重合。

2.如权利要求1所述的高效循环的喷动床，其特征在于，所述的多个侧喷嘴(203)在喷气斗体(201)的侧壁上的分布为上疏下密，分为上部、中部和下部三层分布，中部同层的开孔数目为上部同层的开孔数目的2倍，下部同层的开孔数目为中部同层的开孔数目的2倍。

3.如权利要求1所述的高效循环的喷动床，其特征在于，所述的喷气斗体(201)的侧壁与水平面之间的夹角为40°至60°。

4.如权利要求1所述的高效循环的喷动床，其特征在于，所述的旋流叶片(204)为单头螺旋的旋流叶片，旋流叶片(204)的旋转圈数为3至7圈。

5.如权利要求1所述的高效循环的喷动床，其特征在于，所述的旋流叶片(204)的宽度等于主喷嘴(202)的内径。

6.一种高效循环的均匀流化器，其特征在于，包括轴向从顶部至底部等锥度递缩设置且顶部开放的喷气斗体(201)，喷气斗体(201)的底部开设有主喷嘴(202)，喷气斗体(201)的侧壁上分布有多个侧喷嘴(203)，喷气斗体(201)的底部还固定有旋流叶片(204)的底端，旋流叶片(204)的轴向中心轴线与喷气斗体(201)的轴向中心轴线重合。

7.如权利要求6所述的高效循环的均匀流化器，其特征在于，所述的多个侧喷嘴(203)在喷气斗体(201)的侧壁上的分布为上疏下密，分为上部、中部和下部三层分布，中部同层的开孔数目为上部同层的开孔数目的2倍，下部同层的开孔数目为中部同层的开孔数目的2倍。

8.如权利要求6所述的高效循环的均匀流化器，其特征在于，所述的喷气斗体(201)的侧壁与水平面之间的夹角为40°至60°。

9.如权利要求6所述的高效循环的均匀流化器，其特征在于，所述的旋流叶片(204)为单头螺旋的旋流叶片，旋流叶片(204)的旋转圈数为3至7圈。

10.如权利要求6所述的高效循环的均匀流化器，其特征在于，所述的旋流叶片(204)的宽度等于主喷嘴(202)的内径。