三相流化床

气液固三相流态化是指固体颗粒悬浮在向上的气液流中而形成的一种流化状态，其颗粒密度远大于液体，粒径一般大于150μm，固含率分布从0.6（固定床阶段）到0.2（接近稀释输送阶段）。

流化过程中剧烈的内部混合使热量在反应器内均匀扩散，防止热点的产生，因此反应器可以在温度分布均匀的条件下操作，传热效果好且温度易于控制。同样的原因使得相较于固定床，流化床不易堵塞，传质效率高，对反应器体积的利用率也更高，且床层内的膨胀使得压降不会随气液流量的上升而持续上升。在反应过程中可以增加或移出催化剂而不打断反应的进行，保证了产量。因此，相较于固定床，流化床更易于维护，替换的成本也较低。但是催化剂的磨损和夹带，严重的反混是这种结构的缺点。三相流化床由于其相界面积大、传质速率高、抗冲击能力强、负载微生物活性强、占地面积少等优点，成为近年来研究热点。随着三相流态化技术研究的深入和发展，其应用在不断扩展和提高。

气液固三相流化床具有高处理能力、低阻力降、充分的相间接触和良好的传质、传热效果及温度易于控制等优点，现有的已经商业化的将天然气转化为石油或化学品的浆态鼓泡床反应器和生物污水处理装置都比实验室内研究的尺寸要大得多，而三相流化床明显的放大效应为它的最优化设计带来了巨大的困难，以往的流化床设计都是通过中间试验来降低放大后可能出现的风险，为了从实验规模向工业规模放大，对三相流化系统流体和气泡动力学，传质和放大效应的研究是至关重要的。

过去大部分对三相流体化的研究集中于对复杂流场的分析和它对相含率以及传质性能的影响，大体上可分为3种方向：

对三相流化床流动形态的描述主要通过测量不同操作条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将液相作为连续相，气相作为分散相，固相是直径1mm，密度为2650kg/m3的陶瓷颗粒，液相和固相使用混合模型，气相用DPM的方法注入流化床底部，使用多孔区域模型来模拟分布板，发现多孔区域模型很适合用于工业条件下的模拟，即使在不同液速、气速，不同的床层高度下。模拟的流化床压降与实验数据吻合很好，当气速增加时，压力降减小。

曹常青等在以空气、水和小尺寸玻璃珠颗粒分别为气相、液相和固相的气液固三相流化床中，使用能同时测得三相流化床各相局部含率的微电导探针技术对局部相含率轴径向分布进行了研究，改变表观气速和表观液速，测试了不同高度的各相局部相含率，发现在充分发展段，局部气含率和局部固含率在三相流化床径向分布是不均匀的，在r/ R = 0.75～0.85 范围内，固含率分布出现一个极大值峰；在气体分布器区，在距气体分布器轴向一定距离范围内，三相局部含率的径向分布存在明显的不对称分布，随着轴向距离的增加，局部气含率径向不对称分布逐渐消失，最终过渡到对称分布，而局部固含率的径向不对称分布消失得不明显。

Muroyama和Fan制作了在一定表观气速和表观液速范围内的气体-水-颗粒三相流化床的流型图。施汉昌根据三相流化床中的气泡流动行为将流场划分为三种，即气泡并区、气泡分散区、气泡节涌区。Chen等人通过测量压力脉动来区分流型。Briens使用诸如分形混沌理论等数据挖掘方法来区分气泡聚并和气泡分散等流型。

尽管针对不同过程参数和物系组成下的流场描述和流型划分已进行大量的实验研究，三相反应器中固固、液固和固气间的复杂作用使其流场仍得不到深入的了解。因此，计算流体力学已成为一个强有力的工具用于多相流反应器的优化设计和放大。

在近几十年内，出现了大量的两相液液、液固、气液、气固系统的 CFD 模型。现在有两种方法得到了普遍的应用：（1）Euler-Euler-Euler模型，基于互相渗透的多相流假设；（2）Euler-Lagrange模型，用于解决分散相的运动方程。

三相流系统包括泥浆鼓泡塔和三相流化床的CFD模型已经开发。在泥浆鼓泡塔中，液固滑移速度一般很小，这使得液相和固相可以作为假想的均一混合相，从而将三相系统简化为两相的系统。三相流化床由于其较大的颗粒直径，不能应用这种简化的方法，因此它只能作为一个三相流的问题来处理。

根据测试传感器是否侵入流场可将三相流化床测试技术分为两大类：侵入式测试技术和非侵入式测试技术。

侵入式测试技术（Invasive Techniques）的研究应用先于非侵入式测试技术，始于20世纪60年代。其优势在于可以方便快捷地实现局部特性参数的测量。侵入式测试所用传感器主要有针型探头、传热探头、超声探头和皮托管等。

（1）针型探头

针型探头（Needle Probes）主要用于研究气液（固）系统的气相局部动力学行为。其时空分辨率分别为秒级和毫米级。单针系统主要用来研究气含率和气泡频率，双针系统可用于测量气泡速度、局部时均相界面积和平均泡弦长度分布，多针系统可以测量气泡形状。针型探头主要有电导探头和光纤探头，是三相流化床参数测量的重要手段。

电导探头测试的优势在于测量三相流化床的局部气含率，利用双针电导探头和示踪剂相结合可以测量局部液相速度及液相混合特性。双针电导探头也可用于同时测量三相流化床系统的相含率。

光纤探头有反射型探头和透射型探头之分，常用于测量三相流化床中的气泡特性。光纤探头也可用于测量局部固含率，此时，气泡的影响可通过标定加以排除，经过对反射型或透射型光纤探头的标定，该技术也可以实现三相流化床相含率的同时测量。纤探头引起误差的主要原因为气泡和探头之间的相互作用：探头表面状况影响刺穿气泡的能力，探头在多相流中的放置方向影响测量结果，气泡的形状影响气泡大小和气液相界面积估计的准确性。同时，光纤探头的标定是否准确对于测量精度也有较大影响。

（2）超声探头

超声探头（Ultrasonic Probes）测试是根据超声波在多相系统中的透射或反射特性的不同而实现参数测量的。这里所指探头是侵入式超声探头，超声探头主要用于气液系统气泡参数测量，近年来开始用于三相流化床系统的参数测量。根据测试原理的不同，分为超声透射技术和超声反射技术。根据透射声波特性测量局部气含率和局部平均相界面积等参数的方法称为超声透射技术，其需要声波发射探头和接收探头。测量时，发射探头和接收探头被气液两相系统隔开。

根据来自气泡等表面的反射声波的幅值和频率确定气泡大小和速度的方法称为超声反射技术或脉冲回波技术。超声反射技术的探头本身既是发射器，又是接收器。为了分析反射波的特性，常采用脉冲回波技术。通过分析反射波的幅值和频率可以确定气泡尺寸和局部气泡速度分布。采用超声透射探头技术，可对气液固三相循环流化床提升管内的局部气含率和局部固含率同时测量，获得相含率的径向分布规律。

侵入式测试技术具有对流场有干扰、标定曲线具有不确定性、时空分辨率低（厘米或毫米级、分钟或秒级）等局限性。其中，对流场有干扰是其最大局限。非侵入式测试技术则无此缺陷，分为全局特性参数测试技术和局部特性参数测试技术。

（1）全局参数测量技术

全局测量技术包括压力传感器技术、相示踪技术、辐射衰减技术（x射线、γ射线和中子吸收射线摄影技术等）、声波技术（次生波、可闻声波到超声波等）等，可以得到三相流化床的流型、压降、相含率、气泡尺寸分布、相混合特性等。对于测得波动特性数据，还可以应用现代分析方法进行深入研究。

（2）局部参数测量技术

a、摄像技术

摄像技术是一种比较传统的可视化研究手段，对流场无干扰，常用于研究二维三相流化床内的气泡行为，结合液相和固体颗粒折射率匹配技术等，可以测得气泡的大小、分布、上升速度、运动过程和气含率等。其局限性在于只能得到壁面附近的运动情况，液相和壁面都要求透明．对于高压系统，需要耐压的视窗材料。

b、放射颗粒跟踪技术

放射线照相技术是摄像技术的延伸，而放射颗粒跟踪技术（Radioactive PanicleTrackillg，简称RPT）以放射线照相技术为基础，可以获得平均和瞬时三维多相流场图像。

在测试过程中，示踪颗粒与流化床内固体颗粒的大小和密度相同，这样，示踪颗粒的运动轨迹可以代表流化床内固体颗粒的运动轨迹。与流化床内颗粒不同的是，示踪颗粒可以发射射线，一般用γ射线。γ射线被沿流化床高度布置的多个闪烁探测器所感知。示踪颗粒位置不同，施加到每个探测器上的v射线的辐射量不同。通过估计流化床内γ射线的衰减等可以测得示踪颗粒在较长一段时间内的瞬态三维运动位置或坐标【x，y，z】。通过对颗粒运动轨迹上的点的连续微分，可以将颗粒运动的位移转换为局部和瞬时速度分量。但是，该技术1次只跟踪1个放射颗粒，属于点测量，同时，在由信号确定颗粒位置时，需要繁琐的校正程序，因此，获得完整流场的时问较长，数量级在10h级。

c、颗粒图像测速技术

颗粒图像测速（Panicle Image Velocimetry，简称PIV）技术20世纪90年代初被应用于多相流系统，以Eulerian观点获得整个流场的瞬时和平均速度分布，突破了空间单点测量技术的局限性。其测试原理是：激光束经透镜形成片光源，照射含有示踪颗粒的被测流场，用高分辨率快速CCD摄像头对流场空间进行成像数字采样，然后将图像数据输入计算机进行处理。通过计算多幅图像中分析窗口内颗粒的位移，可以得到瞬时速度场。PⅣ技术不仅可以测量三相流化床内局部颗粒瞬时速度，还可以测量速度波动、相含率、气泡大小及分布。该测试技术的难点在于相的有效识别和重建三维流场，为此提出了许多方法，如：对液相应用荧光示踪颗粒、对信号进行过滤、应用折射率匹配技术、筛选合适的光路设计等。

气-液-固三相流化床研究开始于20世纪60年代，由于其具备温度易于控制、相间混合均匀、传热传质效果好和接触面积大等优点而得到了大量的应用，广泛应用于石油化工、生物化工、煤化工及环境工程中。

石油化工中重油、渣油的加氢处理其过程十分复杂，主要反应包括加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧、加氢脱金属等。这一过程中存在的问题是催化剂的失活，在反应过程中，焦炭在催化剂表面沉积使催化剂活性下降。此过程可以由沸腾床完成，其能进行在线催化剂置换，且混合性能好，温度分布相当均匀。

生物化工是21世纪具有重要发展前景的领域，三相流化床由于其较搅拌釜对细胞的破坏较小、处理能力大，在生物废料发酵制单细胞蛋白饲料，生物法制备维生素和抗生素等方面也得到了应用。

液相费-托合成是三相流化床最重要的应用之一，也是研究时间最长，应用最广泛的过程之一。其反应器是泥浆鼓泡床，气体CO和H2从流化床底部进入反应器，催化剂悬浮在重油介质中。费-托反应是高放热反应，泥浆鼓泡床良好的传热性能能够消除床中的局部过热，从而保持床中温度均匀分布。其在煤催化加氢合成液体燃料也有应用。

在污水处理中，生物处理是最常用的技术，气液固三相流化床由于其处理效率高、高径比大、设备紧凑、便于实现连续化生产等特点，被用于好氧生物法污水处理中并取得了良好的效果。90年代初，中国科学环境科学研究院张宗祥和杜兵对内循环三相生物流化床进行了初步的研究。