CN204134608U

CN204134608U - 一种导流器及喷动床

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Publication number: CN204134608U
Application number: CN201420564096.XU
Authority: CN
Inventors: 吴峰; 马晓迅; 边文娟
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2024-09-28

Abstract

本实用新型公开一种导流器及喷动床，所公开的导流器包括导流板，该导流板的两个板面上均设有多个凸起，且各凸起的外表面为球面。所述导流板为可转动结构，且转动方向与流体流动方向相切。所公开的喷动床为安装有上述导流器，且所述导流器位于喷泉区下方。本实用新型结构简单且加工制作简便，能有效增克服传统喷动床床层内颗粒缺少横向混合，使得部分颗粒的表面未能获得充分利用的缺点，增强喷动床内径向喷射区与环隙区内颗粒和流体的横向混合，从而改善喷动床内的颗粒-流体的整体传质、传热情况，提高喷动床的整体物料处理量。

Description

一种导流器及喷动床

技术领域

本实用新型涉及一种在化工、环保、能源、冶金等工业的喷动床反应器，具体涉及一种导流器及相关喷动床。

背景技术

喷动床作为高效气固接触器，已广泛地应用于各种单元操作和单元过程，例如，高粘性颗粒、粗块状颗粒、浆料以及溶液的干燥、粉碎、造粒，低品质煤的燃烧和气化、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。

经过50多年的发展，喷动床已具有多种形式，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，床层内颗粒缺少横向混合，使得部分颗粒的表面未能获得充分利用，或对床内传热传质产生不利的影响。针对以上情况，新一代喷动床沿袭了传统喷动床的基本形式，又在原有基础上做了进一步改进。诸如多喷头喷动床、喷动-流化床、内循环床等，其中喷动-流化床由于兼具有喷动床与流化床的优点而得到了喷动床研究者与流化床研究者的共同重视及长足的发展。这种喷动-流化床与常规喷动床相比，不仅可以促进流体与颗粒之间的传热、传质，还能有效的防止环隙区底部出现死区和易粘结颗粒在环隙区的团聚。但也存在不足之处：要维持这种喷动-流化床所需的气流量比单独喷动和单独流化所需的气流量要大，同时增加了一定的供气辅助设备。

纵向涡流作为一种无源的二次流强化传热技术，以其能够以较小的阻力获取较大的强化传热效果而成为强化换热的研究热点之一，其强化传热的基本机理如下：当流体横向掠过一个障碍物时，往往在障碍物的背面空间内产生漩涡，这些漩涡并不一定是有益的和能被利用的。如果障碍物的横向尺寸有限，并且与来流的流体相交成合适的角度，则产生的漩涡将不会滞留在某一空间内，而会随主流向前运动，从而形成一系列有序纵向漩涡。在这些纵向漩涡的强烈运动下，促进了主流区与传热壁面附近的流体间的动量和能量的交换，强烈的流体扰动对边界层起到了减弱或破坏的作用，因而使得传热增强。这就是纵向涡的发生和其传热强化的基本原理。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型的目的之一是提供一种导流器。

为此，本实用新型提供的导流器包括导流板，该导流板的两个板面上均设有多个凸起，且各凸起的外表面为球面。

进一步，所述导流板为可转动结构，且转动方向与流体流动方向相切。

优选的，所述导流板上开设有多个孔，每个孔中安装有一球体，该球体在两个面板上形成凸起。

优选的，沿导流板宽度方向球心间距为1～2倍的球体直径，沿导流板长度方向球心间距为2～3倍的球直径。

针对现有技术的缺陷或不足，本实用新型的另一目的在于提供一种喷动床，该喷动床中设有喷射区、环隙区和喷泉区，该喷动床中安装有上述导流器，且所述导流器位于喷泉区下方。

优选的，所述导流器的导流板的宽度L为：1.2D_i<L<D_S，其中：D_i为喷动床进气口直径，D_S为喷射区直径。

优选的，所述球体直径D取值为：10d_p<D<0.25L，其中：d_p为喷动床颗粒直径，0.1mm≤d_p≤3.0mm；L为导流板宽度。

为了保证喷动床稳定喷动结构的实现，D_i/d_p<30～50，0.5<H/D_Z<10，D_i/D_Z＝0.0.267，其中：D_i为喷动床进气口直径，D_Z为圆柱喷动床直径，H为喷动床高度。

所述喷动床倒锥顶角θ大于40°。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型的导流器结构简单，加工制作简便，而且使用操作方便；

(2)本实用新型导流器的整体旋转能够动态调整床内的混合均匀度，从而优化喷动床内的流场分布，强化喷动床内的传热与传质过程，大大提高喷动床的整体物料处理能力。

(3)采用导流器在喷射区与环隙区中产生纵向涡流，通过纵向涡流使得床内的颗粒、气体实现漩涡状旋转运动，从而加强了喷射区、环隙区间流体和颗粒的横向混合，强化流体、颗粒间的传热和传质；

(4)喷动床内径向涡旋运动能够有效防止环隙区出现死区或某些易粘结颗粒在环隙区内的团聚；

(5)针对喷动床设备以上流动结构的不足之处及纵向涡流强化换热的原理，本实用新型提出一种带有纵向涡流发生器导流板结构导流器，其中，导流板具有旋转可控性能。相对于典型的柱椎型喷动床，位于喷动床喷嘴上方轴线处添加布置了一块导流板，导流板两侧面上安装有一定数量的半球形纵向涡流发生器，球形结构能够有效降低颗粒与纵向涡流发生器的碰撞磨损。通过纵向涡流发生器的作用，在喷动床内产生一系列沿轴线分布发展的纵向涡流，通过纵向涡流来实现喷动床径向环隙区与喷射区内气体及颗粒的横向混合，改善喷动床内的颗粒、流体的整体传质、传热情况。导流板的整体旋转能够动态调整床内的混合均匀度，从而优化喷动床内的流场分布，强化喷动床内的传热与传质过程，大大提高喷动床的整体物料处理能力。综合纵向涡流效应及导流板的旋转效应，床身上物料与气流间传热、传质均匀,没有死区,物料间混和良好,从而提高喷动床的整体效率。

综上，本实用新型结构简单且加工制作简便，能有效增克服传统喷动床床层内颗粒缺少横向混合，使得部分颗粒的表面未能获得充分利用的缺点，增强喷动床内径向喷射区与环隙区内颗粒和流体的横向混合，从而改善喷动床内的颗粒-流体的整体传质、传热情况，提高喷动床的整体物料处理量。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的导流器的参考结构示意图；

图2为实施例1的喷动床整体结构参考示意图；

图3为实施例1的喷动床在高度H＝0.13m，有纵向涡流和无纵向涡流的气体湍动能随径向的变化关系图；

图4为实施例1的喷动床在高度H＝0.13m，有纵向涡流和无纵向涡流的颗粒拟温度随径向的变化关系对比图。

具体实施方式

本实用新型的导流板两侧面分布有多个凸起状纵向涡流发生器，凸起状的形状优选球状，导流板的宽度优选1.2D_i<L<D_S，这样既能够保证纵向涡流发生器具有足够的布置尺寸及影响空间，有能够避免导流板结构影响和破坏喷动床环隙区内流体的流动，其中：D_i为进气口直径，D_S为喷射区直径。

进一步优选的方案是，导流板上在纵向涡流发生器的布置位置上穿有一系列圆孔，在圆孔上通过镶嵌了球体，如焊接。

球体被导流板一分为二，从而在导流板两侧形成两个半球形纵向涡流发生器，即为纵向涡流发生器结构，球形结构能够有效降低颗粒与纵向涡流发生器的碰撞磨损；纵向涡流发生器在导流板两侧面上成对布置，并沿导流板高度方向呈直线分布，成对纵向涡流发生器在导流板上的横向球心距为1～2倍的球直径D，其纵向球心距为2～3倍的球直径D，使的纵向涡流发生器具有合理的安装尺寸，保证纵向涡流产生一定有效的影响空间范围。

本实用新型的导流板的顶端位于喷动床喷泉区以下区域，以保证导流板结构不影响喷动床的整体喷动效果。

本实用新型的喷动床床身设置了旋转可控的导流板，可通过喷动床的底座上的调速电机实现控制，为了保证气流产生的纵向涡流能够有效带动粗大颗粒实现旋转运动,同时保证纵向涡流发生器在导流板上的合理安装尺寸，纵向涡流发生器球体直径取值为10d_p<D<0.25L，这样既能保证纵向涡流发生器合理安装尺寸，又能使的纵向涡流的影响区域大于喷动床颗粒，从而能够通过气流的流动有效地带动大颗粒的涡旋流动，其中：d_p为喷动床颗粒直径，0.1mm≤d_p≤3.0mm，L为导流板宽度。

为了保证喷动床稳定喷动结构的实现，D_i/d_p<30～50，0.5<H/D_Z<10，D_i/D_Z＝0.267，其中：D_i为喷动床进气口直径，D_Z为圆柱喷动床直径，H为喷动床高度，倒锥顶角θ大于40°。

工作时，具有一定压力的高速气体口进入喷动床床身，并进一步到达导流板的下端，在气流的带动下，导流板下端附近的物料颗粒被向上带动，随同气体向上运动进入喷射区，途中经过纵向涡流发生器的影响区域，气体和颗粒产生一定的涡流运动，即通过气体产生的纵向涡流运动，来带动颗粒涡流运动，从而实现气体、颗粒的有效横向混合，并不断上升，进入到喷泉去，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，途中部分气流及颗粒由于纵向涡流的影响而产生横向的漩涡运动从而与喷射区内的气体、颗粒发生横向混合，随着主流运动，实现局部循环，最后由于重力作用，颗粒物料回到导流板底端后再次被进口气体带入喷射区实现新的物料循环，如此不断循环，实现动态干燥或化学反应。

应用纵向涡流导流板可以有效地实现喷射区与环隙区内气体、颗粒的充分横向混合，使得部分颗粒的表面得以充分利用，突破传统喷动床的局限性，提高了喷动床的整体效率和生产能力。

本实用新型尤其适用于整体结构为三维圆锥形结构形式的喷动床，纵向涡流发生器的结构为空间三维结构，为半球形结构。

本实用新型的导流板为铜、钢或铝等金属板。

本实用新型的导流板为旋转可控形式，导流板的底座为旋转可控的装置，通过底座的电动马达实现运动速度与方向的调整。

实施例：

该实施例为一具体的喷动床，如图1所示的喷动床反应器，在喷动床床身3设置了旋转可控的导流板1，通过喷动床的底座上的调速电机4实现控制，导流板两侧面上布置了一系列呈对分布纵向涡流发生器，纵向涡流发生器球体2直径D为4mm，颗粒直径d_p为0.46mm。

球体被导流板平分为二，成对纵向涡流发生器在导流板上的横向球心距为1.5倍的金属球直径D，其纵向球心距为3倍的球直径D。

导流板的宽度为L为20mm,D_i为14.3mm，导流板的顶端位于喷动床喷泉区以下区域，以保证导流板结构不影响喷动床的整体喷动效果。

导流板厚度为0.1mm，入口倒锥角θ为60°，导流板的转速在数值模拟中取零值，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	53.5mm	入口直径	14.3mm
全床高度	400mm	静止床高(H)	107mm
				椎体角度	60°	颗粒直径	460μm
颗粒密度	2700kg/m³	颗粒内摩擦角	28.7°
				颗粒最大体积分数	0.551	颗粒最大摩擦体积分数	0.549
颗粒恢复系数	0.9	操作压力	0.1mpa
				气体密度	1.225kg/m³	气体粘度	1.7894×10^-5Pa·s
时间步长	1×10^-5s	计算收敛标准	1×10^-4

表2模型边界条件设置

通过数值模拟研究可知，纵向涡流对喷动床内的流动影响效果如下：

1、在高度H＝0.13m，有纵向涡流(安装有本实用新型的导流器)和无纵向涡流(未安装导流器)的气体湍动能随径向的变化关系图。

由图3可以发现，在纵向涡上部，有纵向涡情况下气体的湍动能分布随径向成波形变化，且整体大于无纵向涡流情况。气体湍动能的增加有利于强化气体与流体的相互混合，强化气体、颗粒的流动与传热、传质过程。

2、在高度H＝0.13m，有纵向涡流和无纵向涡流的颗粒拟温度随径向的变化关系对比图。

图4中表明，纵向涡流能够在一定的程度上增加颗粒的拟温度，增加颗粒的整体脉动强度，从而强化颗粒与流体之间的传递过程。

综上所述，纵向涡流能够有效强化喷动床内的整体流动、传热与传质过程，提高喷动床的整体效率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，同样适用于半干脱硫法的粉-粒喷动床，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何喷动床床身形状的简单修改、变更以及等效结构变化、应用背景的更改，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种导流器，其特征在于，包括导流板，该导流板的两个板面上均设有多个凸起，且各凸起的外表面为球面。

2.如权利要求1所述的导流器，其特征在于，所述导流板为可转动结构，且转动方向与流体流动方向相切。

3.如权利要求1所述的导流器，其特征在于，所述导流板上开设有多个孔，每个孔中安装有一球体，该球体在两个面板上形成凸起。

4.如权利要求1所述的导流器，其特征在于，沿导流板宽度方向球心间距为1～2倍的球体直径，沿导流板长度方向球心间距为2～3倍的球直径。

5.一种喷动床，该喷动床中设有喷射区、环隙区和喷泉区，其特征在于，该喷动床中安装有权利要求1、2、3或4所述导流器，且所述导流器位于喷泉区下方。

6.如权利要求5所述的喷动床，其特征在于，所述导流器的导流板的宽度L为：1.2D_i<L<D_S，其中：D_i为喷动床进气口直径，D_S为喷射区直径。

7.如权利要求5所述的喷动床，其特征在于，沿导流板宽度方向球心间距为1～2倍的球体直径，沿导流板长度方向球心间距为2～3倍的球直径；所述球体直径D取值为：10d_p<D<0.25L，其中：d_p为喷动床大颗粒直径，0.1mm≤d_p≤3.0mm；L为导流板宽度。

8.如权利要求5所述的喷动床，其特征在于，D_i/d_p<30～50，0.5<H/D_Z<10，D_i/D_Z＝0.267，其中：D_i为喷动床进气口直径，D_Z为圆柱喷动床直径，H为喷动床高度。

9.如权利要求5所述的喷动床，其特征在于，所述喷动床为倒圆锥结构，所述喷动床倒锥顶角θ大于40°。