CN111282520A - 一种用于振动流化床的气体分布板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于振动流化床的气体分布板。包括直孔、带有切角的椭球曲面导向孔和板体；带有切角的椭球曲面导向孔、直孔在板体上相间排布。每一个带有切角的椭球曲面导向孔开孔方向反侧设有直孔；同行带有切角的椭球曲面导向孔到开孔方向反侧的直孔距离小于到开孔方向侧直孔距离。直孔排布为三角形、矩形排布方式，带有切角的椭球曲面导向孔排布跟随直孔排布。使用这种气体分布板使得气体分布更加均匀；既能导向又能使得颗粒产生良好的流化状态，并能稳定的持续下去；降低颗粒与分布板发生碰撞的力度和机率；开孔结构不易堵塞、损坏，能减少床层死区的数量；加强近气体分布板表面气相的扰动，使得颗粒与热风充分接触；结构简单，制造方便。

Description

一种用于振动流化床的气体分布板
技术领域
本发明涉及一种气体分布板，尤其涉及一种用于振动流化床的气体分布板。
背景技术
流化床具有良好的固体流动性以及传热传质特性，因而被广泛应用于石油、化工、能源、环保、制药、食品加工等领域。在实际应用中，干燥物料大多为非球形颗粒。与球形颗粒相比，非球形颗粒具有各向异性，流动性差等特点。目前，增加非球形颗粒物料流动性有两种方式：一种是使用一种带有导向功能的气体分布板的普通流化床，比如斜孔式气体分布板；另一种是使用振动流化床，依靠振动和气体分布板的共同作用。在普通流化床中，空气既是流化介质又是传热介质。而在振动流化床中，物料的流化主要是依靠激振力来实现，气体的作用主要是传热介质。当进气速度不变时，随着振动强度的增加，床面受到的水平与垂直振动作用也增加，水平力的增加提高了物料的运动速度，缩短了物料在床的干燥时间，垂直方向的作用力增加促使物料颗粒向上运动。
若单靠气流流化非球形颗粒物料，提高物料运输速度，能耗很大，难以平衡传热和流化要求。研究表明，达到好的干燥效果，振动流化床的进风量为普通流化床的30％。若使用振动流化床，振动的加入能够改善气流的流化作用，减少能耗，激振力使得物料颗粒在向上、向前的过程中不断碰撞、混合。其缺点在于随着激振力的增大，满足了流化要求，但碰撞力也增大，增加颗粒碰撞的机率与力度，而且增加颗粒间、颗粒与分布板的摩擦，积蓄能量。同时，缩短了物料干燥时间。虽然可以通过调节激振角来调节激振力的水平和垂直分力，但受激振角调节范围与幅度大小限制。
气体分布板是振动流化床中关键部件，其板面形状及结构尺寸均极大影响着干燥装置的传热与传质效率。大量实践证明，气体分布板形式合适与否，直接影响到流化的均一性、稳定性和气泡行为，进而影响到干燥效果。因此，针对非球形颗粒物料，一种用于振动流化床的气体分布板，需具有以下特征：
(1)具有导向功能，并且能够均匀的分布气体，使得颗粒产生良好的流化状态，并能稳定的持续下去，而且能够防止床内沟流的产生；
(2)能够加强近气体分布板表面气相的扰动，使得颗粒与热风充分接触；
(3)开孔结构不易堵塞、损坏，能减少床层死区的数量，防止死床的产生；
(4)能够降低颗粒与气体分布板碰撞的力度和机率。
流化床气体分布板具有多种结构形式，如直流式、斜孔式、侧流式。直流式气体分布板不具有导向作用，易产生沟流，性能较差，但结构简单，制作方便。斜孔式气体分布板是直流式气体分布板的优化形式，布风面积更大，具有导向作用，根据斜孔角度调节导向方向，缺点在于为形成斜孔角度导致分布板比较厚，导致阻力损失大。侧流式气体分布板不易漏料和堵塞，消除了死床的产生，但结构较为复杂，制造不易，不具有导向功能，颗粒与锥帽碰撞机率大。因此，针对非球形颗粒物料，急需开发一种用于振动流化床的气体分布板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体分布板，使用这种气体分布板使得气体分布更加均匀；既能导向又能使得颗粒产生良好的流化状态，并能稳定的持续下去；降低颗粒与分布板发生碰撞的力度和机率；开孔结构不易堵塞、损坏，能减少床层死区的数量，防止死床的产生；加强近气体分布板表面气相的扰动，使得颗粒与热风充分接触；结构简单，制造方便。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于振动流化床的气体分布板，包括直孔(1)、带有切角的椭球曲面导向孔(2)、和板体(3)；带有切角的椭球曲面导向孔(2)、直孔(1)在板体(3)上相间排布。
所述每一个带有切角的椭球曲面导向孔(2)开孔方向反侧设有直孔(1)；同行带有切角的椭球曲面导向孔(2)到开孔方向反侧的直孔(1)距离小于到开孔方向侧直孔(1)距离。
所述的直孔(1)排布为三角形、矩形排布方式，带有切角的椭球曲面导向孔(2)排布跟随直孔(1)排布。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔(2)宽度与直孔(1)直径相匹配，直孔(1)直径为带有切角的椭球曲面导向孔(2)宽度的0.6-1.3倍。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔(2)切角角度θ范围为90°-165°。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔(2)形状为圆弧曲面；切角角度θ为90°时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为一条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条直线段与板体垂直；当切角角度θ∈(90°，165°]时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为2条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，2条椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条与板体夹角即为切角角度。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔(2)的高度分别小于导向孔的长度与宽度。
具体说明如下:
一种气体分布板，所述的气体分布板是基于直孔式气体分布板与斜孔式气体分布板的结构而设计的，改善非球形颗粒流动性，使其产生良好的流态化，消除分布板较厚的缺点。所述的气体分布板包括带有切角的椭球曲面导向孔、直孔以及板体。
所述的气体分布板，具体形式为带有切角的椭球曲面导向孔、直孔在板体上相间排布，直孔布置在带有切角的椭球曲面导向孔开孔方向反侧，即同行带有切角的椭球曲面导向孔到开孔方向反侧的直孔距离小于到开孔方向侧直孔距离，见图1。图2给出了气体分布板布风孔局部速度矢量图，可以看出：一方面从直孔出来的气流给非球形颗粒向上的曳力，利于非球形颗粒产生流态化，降低非球形颗粒与带有切角的椭球曲面导向孔的碰撞机率和力度，另一方面增强近气体分布板表面气相扰动，使得颗粒与热风充分接触，强化传质传热效果。
所述的气体分布板，直孔排布可采用三角形、矩形排布方式，以正三角形排布方式为佳。带有切角的椭球曲面导向孔排布根据直孔排布。
所述的气体分布板，带有切角的椭球曲面导向孔与直孔配合使用时，带有切角的椭球曲面导向孔宽度与直孔直径相匹配，直孔直径为带有切角的椭球曲面导向孔宽度的0.6-1.3倍，保证直孔能够有效地减少颗粒与带有切角的椭球曲面导向孔发生碰撞。
所述的气体分布板，带有切角的椭球曲面导向孔出来的气体扫过整个气体分布板表面，形成一种气垫，如图2所示。消除死床，防止颗粒在下落过程中与分布板之间发生剧烈碰撞，并且从带有切角的椭球曲面导向孔出来的气体能够给颗粒一个向前的推动力，改善非球形颗粒流动性，防止非球型颗粒在振动流化床内运动速度过慢、干燥时间过长。
所述的气体分布板，模拟发现，带有切角的椭球曲面导向孔和直孔的相互作用使得直孔和带有切角的椭球曲面导向孔之间产生一个微涡流，气流方向均朝上，利于大颗粒物料产生流态化，见图2。微涡流的存在加强了近气体分布板表面空气扰动程度，延长颗粒在床内停留时间，有利于气固两相混合。
所述的气体分布板，带有切角的椭球曲面导向孔与直孔的开孔面积比根据颗粒属性设置，在一定进气速度下，颗粒流动性很差，需增加其水平方向气速，可考虑减小带有切角的椭球曲面导向孔单孔开孔面积；又或者，颗粒重量较重，需增加其竖直方向气速，创造良好的流化条件，可考虑减小直孔单孔开孔面积。使得气体分布板兼顾水平与竖直气体的风量，加强传热与传质效果。
所述的气体分布板，带有切角的椭球曲面导向孔和直孔采用模具冲压成型。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔，形状为圆弧曲面。切角角度θ为90°时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为一条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条直线段与板体垂直；当切角角度θ∈(90°，165°](90°＜θ≤165°)时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为2条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，2条椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条与板体夹角即为切角角度，见图3、图4、图6。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔，椭球曲面导向孔(2)的高度H1分别小于导向孔的长度L1与宽度B1，如图4、图5、图6所示。限制高度是保证颗粒在直孔的作用下，避免颗粒与带有切角的椭球曲面导向孔发生碰撞。限制宽度大于高度，设计目的在于使得单孔布风面积更广，降低布孔数量，防止床内死区的产生，从而使得布气范围更加均匀，降低加工工作量；限制长度大于高度，则是考虑气体进入带有切角的椭球曲面导向孔阻力损失，其值越低越好。因此，当宽度不变时，长度与高度之比越大，单孔阻力损失越小，但布气范围变小。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔，切角角度θ范围为90°-165°，见图4。切角的设置，在于通过改变切角角度调整气体分布板垂直方向开孔率和水平方向开孔率，从而改变水平方向气流与垂直方向气流之比，进而改变颗粒运动速度和运动幅值，实现停留时间和干燥效率的调整。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔，对气体的导流作用能够使得气体对颗粒产生一个向前的推动力，可以避免通过改变振动流化床的振动参数提高激振力，使得颗粒处于流态化，从而导致颗粒的运行速度提高，造成颗粒干燥时间过短的问题。
所述的带有切角的椭球曲面导向孔，使得板厚大大降低，且带有切角的椭球曲面导向孔的存在使其结构更加稳定，见图7。
所述的直孔，孔径可通过热平衡计算后确定出总风量和物料最小流化速度初步核算；在相同开孔率下，孔径太小会使阻力加大，动力消耗提高；孔径太大，流化质量不易保证，停车时漏料严重。因此，孔径具体依据颗粒属性以及布风效果确定，达到均布气体的作用。
本发明的优点在于：针对非球形颗粒物料，设计一种用于振动流化床的气体分布板，包括带有切角的椭球曲面导向孔、直孔和板体。带有切角的椭球曲面导向孔结构导向作用明显，防止死床的产生，使得颗粒产生良好的流化状态，并能稳定的持续下去，降低了气体分布板厚度，而且结构自增强，使得气体分布板结构稳定性好。在带有切角的椭球曲面导向孔开孔方向反侧布置的直孔，增强近气体分布板表面气相扰动，利于非球形颗粒产生流态化，降低非球形颗粒与带有切角的椭球曲面导向孔的碰撞机率和力度。从带有切角的椭球曲面导向孔出来的气体扫过整个气体分布板表面，消除死床，降低了颗粒与分布板之间的碰撞力度。带有切角的椭球曲面导向孔与直孔的相互作用使得带有切角的椭球曲面导向孔背部产生一个方向朝上微涡流，利于颗粒流化，加强气相的扰动，使得颗粒与热风充分接触。采用该气体分布板，气体分布均匀，既能导向又能创造良好的流化条件，降低颗粒与分布板发生碰撞的力度和机率，能减少床层死区的数量，防止死床的产生，强化传热传质效果。
附图说明
图1为本发明的气体分布板结构示意图；
图2为气体分布板布风孔局部速度矢量图；
图3为带有切角的椭球曲面导向孔三维结构图；
图4为带有切角的椭球曲面导向孔主视图；
图5为带有切角的椭球曲面导向孔左视图；
图6为带有切角的椭球曲面导向孔俯视图；
图7为气体分布板局部剖视图；
图8为直孔正三角型排布时布风孔布置图；
图9为直孔矩形排布时布风孔布置图；
图10为直孔正方形排布时布风孔布置图；
其中：1为直孔、2为带有切角的椭球曲面导向孔、3为板体、L1为带有切角的椭球曲面导向孔的长度、θ为带有切角的椭球曲面导向孔的切角角度、H1为带有切角的椭球曲面导向孔的高度、B1为带有切角的椭球曲面导向孔的宽度、L2为带有切角的椭球曲面导向孔出口处到其开孔方向反侧设置的直孔的圆心距离、L3为直孔呈三角形排布时的一边长、L4为直孔呈三角形排布时的另一边长、α为直孔呈三角形排布时L3和L4的夹角、L5为直孔呈矩形排布时相邻两列直孔圆心间距、L6为直孔呈矩形排布时相邻两行直孔圆心间距。
具体实施方式
下面结合附图对本发明通过实施例加以详细说明，以使本发明的优点和特征更能易于被相关技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更明确的界定。
实施例1
图8给出了一种气体分布孔排布方式。直孔1呈正三角形排布，边长L3＝L4＝20mm，α＝60°，每个带有切角的椭球曲面导向孔2开孔方向反侧布置一个直孔1，带有切角的椭球曲面导向孔2出口处到其开孔方向反侧设置的直孔1的圆心距离L2为15.5mm。带有切角的椭球曲面导向孔2长L1、宽B1、高H1分别为8mm、5.5mm、2mm，切角角度θ为120°。与之相匹配的直孔1直径为4mm，直孔直径为带有切角的椭球曲面导向孔宽度的0.73倍。板体3厚度为2mm。采用图8所示的气体分布板结构形式，分布板尺寸为940mm×180mm。
实施例2
图9给出了一种气体分布板排布方式。直孔1呈矩形排布，相邻两列直孔圆心间距L5＝35mm，相邻两行直孔圆心间距L6＝20mm。每个带有切角的椭球曲面导向孔2开孔方向反侧布置一个直孔1，带有切角的椭球曲面导向孔2出口处到其开孔方向反侧设置的直孔1的圆心距离L2为15.5mm。带有切角的椭球曲面导向孔2长L1、宽B1、高H1分别为8mm、5.5mm、2.04mm，切角角度θ为90°。与之相匹配的直孔1直径为5.5mm，直孔直径为带有切角的椭球曲面导向孔宽度的1倍。板体3厚度为2mm。采用图9所示的气体分布板结构形式，分布板尺寸为940mm×180mm。
实施例3
图10给出了一种气体分布板排布方式，直孔1呈正方形排布，相邻两列直孔圆心间距L5＝35mm，相邻两行直孔圆心间距L6＝35mm。每个带有切角的椭球曲面导向孔2开孔方向反侧布置一个直孔1，带有切角的椭球曲面导向孔2出口处到其开孔方向反侧设置的直孔1的圆心距离L2为15.5mm。带有切角的椭球曲面导向孔2长L1、宽B1、高H1分别为8mm、5.5mm、1.31mm，切角角度θ为165°。与之相匹配的直孔1直径为7mm，直孔直径为带有切角的椭球曲面导向孔宽度的1.27倍。板体3厚度为2mm。采用图10所示的气体分布板结构形式，分布板尺寸为940mm×180mm。
使用上述实施例的气体分布板在实验室进行了计算机模拟，考察了气体分布板效果。
1)计算机单相流场模拟
利用计算流体力学软件对采用本发明实施例1、2、3的振动流化床进行数值模拟，主要考察了布风效果。当进气速度为1.1m/s时，模拟结果表明：
①带有切角的椭球曲面导向孔2导向作用明显，出口处气速可分为水平气速和竖直气速。随着切角角度的增加，气体分布板上10mm处水平方向平均气速与垂直方向平均气速之比随之减小。切角角度θ为120°时气体分布板上10mm处水平方向平均气速与垂直方向平均气速之比为3.86，切角角度θ为165°时气体分布板上10mm处水平方向平均气速与垂直方向平均气速之比为1.02。
②带有切角的椭球曲面导向孔2出来的气体扫过整个气体分布板表面，消除死床，降低了颗粒与分布板之间的碰撞力度。
③直孔1的设置，增强近气体分布板表面气相扰动，使得颗粒与热风充分接触，强化传质传热效果。
④带有切角的椭球曲面导向孔2和直孔1的相互作用使得直孔1和带有切角的椭球曲面导向孔2之间产生的方向朝上的微涡流，气流方向均朝上，不仅有利于大颗粒物料产生流态化，而且加强了近气体分布板表面空气扰动程度，延长颗粒在床内停留时间，有利于气固两相混合。
2)计算机流固耦合模拟
利用CFD-DEM技术对采用本发明实施例1的振动流化床进行数值模拟。同时增加2组对比试验，具体如下：
方案1：采用直孔式气体分布板的振动流化床，直孔1直径为5mm，直孔1呈正三角形排布，边长L3＝L4＝20mm，α＝60°，板体厚度为2mm，气体分布板尺寸为940×180。
方案2：采用布置带有切角的椭球曲面导向孔2的气体分布板的振动流化床，有切角的椭球曲面导向孔2长L1、宽B1、高H1分别为10mm、7mm、3mm，切角角度θ为120°，有切角的椭球曲面导向孔2呈正三角形排布，边长为20mm，板体厚度为2mm，气体分布板尺寸为940mm×180mm。
干燥物料为非球形颗粒物料，平均粒径6mm，进料量为30kg/h。模拟结果表明：
①在相同的垂直振动条件和进气速度下，方案1在进料端呈现堆积状态，而采用本发明实施例1的振动流化床和方案2在仿真模拟15s时已稳定运行，板上颗粒数量稳定，证明了带有切角的椭球曲面导向孔2导向作用明显。
②对比采用本发明实施例1的振动流化床和方案2，当进气速度为1.1m/s时，前者颗粒平均停留时间为后者的4倍，证明了直孔1的加入使得垂直气流占比增加，利于颗粒产生流态化，避免颗粒物料停留时间过短，干燥不充分。
③对比采用本发明实施例1的振动流化床和方案2，在平稳运行的工况下，当气体分布板上颗粒数量相当时，后者板上颗粒碰撞次数为前者的1.44倍，说明直孔的加入减少了颗粒的碰撞次数和碰撞机率。
本发明的气体分布板与现有技术的气体分布板相比有如下优点：
(1)从带有切角的椭球曲面导向孔出来的气体扫过整个气体分布板表面，形成一种气垫，防止颗粒在下落过程中与分布板之间发生剧烈碰撞，并且能够给颗粒一个向前的推动力，防止非球形颗粒在振动流化床内运动速度过慢、干燥时间过长。
(2)在带有切角的椭球曲面导向孔开孔方向反侧布置的直孔，增强近气体分布板表面气相扰动，利于非球形颗粒产生流态化，降低非球形颗粒与带有切角的椭球曲面导向孔的碰撞机率和力度。
(3)根据料要求，可以较为灵活的调节带有切角的椭球曲面导向孔切角角度，从而满足不同用户的需求，使得气体分布板设计灵活性强，柔韧性强。
(4)与现有技术相比，可以避免通过改变振动流化床的振动参数提高激振力，使得颗粒处于流态化，从而导致颗粒的运行速度提高，造成颗粒干燥时间过短的问题。
(5)模拟发现，在带有切角的椭球曲面导向孔的背部产生的方向朝上的微涡流，利于物料流化，增加颗粒与气相的接触面积，从而强化传热传质。
(6)与现有技术气体分布板相比，气体分布板厚度更小，且自身结构加强，布风孔不易损坏。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；而非用于限制本发明。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于振动流化床的气体分布板，包括直孔(1)、带有切角的椭球曲面导向孔(2)、和板体(3)；带有切角的椭球曲面导向孔(2)、直孔(1)在板体(3)上相间排布。
2.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是每一个带有切角的椭球曲面导向孔(2)开孔方向反侧设有直孔(1)；同行带有切角的椭球曲面导向孔(2)到开孔方向反侧的直孔(1)距离小于到开孔方向侧直孔(1)距离。
3.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是直孔(1)排布为三角形、矩形排布方式，带有切角的椭球曲面导向孔(2)排布跟随直孔(1)排布。
4.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是直孔(1)直径为带有切角的椭球曲面导向孔(2)宽度的0.6-1.3倍。
5.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是带有切角的椭球曲面导向孔(2)切角角度θ范围为90°-165°。
6.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是带有切角的椭球曲面导向孔(2)形状为圆弧曲面；切角角度θ为90°时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为一条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条直线段与板体垂直；当切角角度θ∈(90°，165°]时，带有切角的椭球曲面导向孔(2)在板体(3)上投影为2条椭圆弧和一条直线段，为对称图形，2条椭圆弧两端点分别与直线段两端点相连，在与板体相垂直的面上投影为一条椭圆弧和两条直线段，其中一条直线段在板体上，另一条与板体夹角即为切角角度。
7.如权利要求1所述的气体分布板，其特征是带有切角的椭球曲面导向孔(2)的高度分别小于导向孔的长度与宽度。
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