引 言

自19世纪70年代开始，循环流化床逐渐应用于生物制药、金属冶炼、环境保护、石油化工等能源领域中[1]。虽然已有文献对循环流化床内颗粒流动特性进行较多研究[2-4]，但基础研究方面仍显薄弱。研究表明，循环流化床提升管内，颗粒浓度的轴径向分布具有不均匀性[5]，这种颗粒浓度的不均匀分布影响了反应器效率[6]。提升管的结构简单，其内颗粒流动主要受出口和入口的影响，入口结构具有气固再分布作用，再分布后的提升管入口颗粒浓度和颗粒速度是气固体系在提升管反应器内流动的初始条件，影响后续的气固流动发展[7-8]。因此，研究入口结构对颗粒流动特性的影响对提升管反应器的设计和操作有重要的指导意义。入口结构对提升管流动特性的影响高度能达到 8 m[9]，同时出口结构可影响离出口中心线2 m区域[10-11]。然而，实验室提升管高度一般在 10 m以下，当颗粒循环速率（Gs）增加或表观气速（Ug）减小时，提升管入口和出口的影响区域会形成重叠。此外，针对循环流化床入口结构的研究[11-12]颗粒循环速率大都在 200 kg·m−2·s−1以下，处在低密度操作状态，而随着循环速率增加开始出现不同的流动特性，Grace等[13]初步定义了高密度，并做了一系列相关研究[14-18]。因此，研究颗粒循环速率更大、流化床高度更高的循环流化床提升管内的气固流动特性具有必要性，尤其是研究入口结构对颗粒流动特性的影响。

从功能上分析，提升管入口结构可分为两种[19]，一种为颗粒入口结构，另一种为气体入口结构。颗粒入口结构通常采用机械式调节装置（如蝶阀、球阀、滑阀）和非机械式调节装置（如L阀、J阀）来控制颗粒从储料罐进入提升管的速率。气体引入一般使用多孔板、喷嘴和多次进风组合的方式，以保证气固两相在提升管入口区域的稳定流动和有效接触。根据实际需要，工业反应器采用不同的颗粒入口结构和气体入口结构[18-20]。良好的布气结构可以实现流体的均匀分布，加强气体对固体颗粒的加速作用，从而快速获得均一的气固浓度分布，提高气固接触效率[21]。

本文主要针对提升管入口结构进行研究，以18 m高、80 mm内径提升管反应器为研究对象，对比多孔板、单管式和多管式三种入口结构对提升管底部颗粒浓度分布的影响，探究入口结构对提升管内颗粒流动特性的影响。

1 实验装置和仪器

本实验在高度18 m、直径80 mm的循环流化床提升管中进行，装置结构如图1所示。实验流化介质为压缩空气，储料罐内的颗粒经下料斜管进入提升管底部，在气体的携带作用下沿提升管向上运动至提升管顶部进入旋风分离系统，气固两相由旋风分离器分离后，颗粒经伴床返回储料罐，气体通过布袋除尘进一步过滤后排出。

  

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

实验采用FCC催化剂颗粒，其颗粒密度为1500 kg·m−3，堆积密度为 970 kg·m−3，颗粒平均粒径为85 μm。实验使用压力传感器和PV6D颗粒浓度速度测量仪采集提升管内不同轴径向位置的相关数据，参照文献[21-24]进行数据处理。

入口结构对提升管内颗粒流动特性的影响，实际上是由于入口结构影响了气固之间的相互作用[29]。气固相互作用在提升管入口处十分剧烈，压力波动最为剧烈。这种相互作用的强弱可以用压力测定仪测得的压力脉动标准偏差大小来表示[30]。图7表示了 Ug = 7 m·s−1，Gs = 300 kg·m−2·s−1操作条件下使用不同入口结构的入口处压力脉动标准差情况。从图中可以明显看出，使用多管入口结构测得的压力脉动标准差最大，说明使用多管入口结构时，气固相互作用最剧烈，多管入口结构对气体和颗粒的再分布程度最大。

借鉴常规提升管入口分布器的特点[6,25-27]，本实验设计三种入口结构，如图2所示。实验过程中，提升管入口结构采用分股进气的方式，即压缩空气分两股气路进入提升管，主风从侧面经分布板进入提升管，二次风从提升管底部经二次风管进入提升管，二次风管出口位于下料斜管以上5 cm位置。此外，气体分布板为多孔板，其中孔径为2 mm，孔间距为2 mm，开孔率为23%。使用多孔板入口结构时，由主风进入提升管，二次风管处于关闭状态。单管式入口结构中，采用1根内径16 mm的钢管作为二次风进口，该钢管置于多孔板圆心位置。多管式入口结构中，使用7根内径8 mm的不锈钢管作为二次风进口，其中1根在分布板圆心位置，其余6根均匀分布在多孔板上，在入口底部使用相同开孔方式的不锈钢板分隔主风和二次风。文中单管结构的二次风和主风比例为 1:9，多管结构的为 1:4。

  

图2 提升管入口结构Fig.2 Schematic diagram of inlet distributors

2 结果与讨论

2.1 不同高度颗粒浓度径向分布

文中颗粒浓度大小用固含率表示，即颗粒在提升管横截面气固两相中所占的体积分数。实验表明（图3）：三种入口结构下颗粒浓度的轴径向分布趋势相近，呈现为提升管底部颗粒浓度较高，且随着轴向高度增加颗粒平均浓度逐渐降低的特点。同时，颗粒浓度在径向分布上呈现出中心区发展迅速，边壁区发展较慢的特点。对比三种入口结构，多孔板式结构对入口中心区颗粒的加速作用强，因此，该结构下提升管中心区颗粒浓度较低且可以沿轴向迅速充分发展。单管和多管式入口结构下，颗粒浓度在提升管底部中心区较大，且中心区与边壁区差别较多孔板式入口结构小，说明在这两种结构下中心区和边壁区的颗粒都得到了加速。因此，这两种入口更有利于入口处气固均匀分布。

  

图3 三种入口结构的颗粒浓度分布情况Fig.3 Profiles of solids holdup with three kinds of inlet distributors

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从平均颗粒浓度轴向发展高度来看，在Ug = 7 m·s−1，Gs = 300 kg·m−2·s−1操作条件下，使用单管和多管入口结构在提升管轴向高度H =10 m左右平均颗粒浓度轴向得到了充分发展；使用多孔板入口结构在H = 11 m左右实现了充分发展。在表观气速Ug达到 9 m·s−1时，单管、多管和多孔板入口结构的沿轴向的发展高度分别在10、9和12 m左右。可见，在不同表观气速下，多管入口结构平均颗粒浓度轴向发展高度比多孔板低1～2 m，单管入口结构介于两者之间，并且随着表观气速增加，各入口结构下颗粒平均浓度沿提升管轴向发展速度加快。

2.2 不同提升管入口结构下提升管底部的颗粒浓度径向分布

图5表示了三种入口结构在Ug = 7 m·s−1，Gs =300 kg·m−2·s−1 操作条件下的提升管底部颗粒浓度径向分布情况。从图中可以看出，三种结构都呈现中间稀、边壁浓的分布形式。使用多孔板入口结构的提升管底部颗粒浓度边壁区最大，从r/R = 0.55增幅开始明显增大，单管和多管入口结构颗粒浓度在r/R = 0.6左右明显增大。此外，多管入口结构在r/R=0.316处颗粒浓度增加后出现减小的趋势，表明了多管入口结构二次风出口对提升管底部颗粒浓度径向分布有直接的影响。

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图4 表观气速5 m·s−1下入口处颗粒浓度径向分布Fig.4 Profiles of solids holdup with r/R in inlet region when Ug = 5 m·s−1

本文同时考察了不同入口结构对提升管截面平均颗粒浓度（以下称平均颗粒浓度）轴向分布的影响。图8比较了两种操作条件下，使用不同入口结构时的平均颗粒浓度轴向分布特点。由图8(a)可见，表观气速较低（Ug = 7 m·s−1）时，三种入口结构下平均颗粒浓度轴向分布相近，呈现 S形分布，平均颗粒浓度差异不大。由图8(b)可见，表观气速较高（Ug = 9 m·s−1）时，多管和单管入口结构平均颗粒浓度轴向分布为单调指数函数分布，在提升管底部1～2 m以下平均颗粒浓度单调增加。多孔板入口结构下平均颗粒浓度轴向分布仍为 S形分布。这说明入口结构对平均颗粒浓度轴向分布趋势有不同影响。入口结构再分布作用强，平均颗粒浓度轴向分布易形成单调指数函数分布。此外，操作条件也对平均颗粒浓度轴向分布特性有影响。表观气速越高，入口结构越易转入较强再分布作用的操作，单调指数函数分布趋势也越易实现。这与Zhu等[6]、Cheng等[9]、白丁荣等[10]的研究结果一致。

图4表示了三种入口结构在Ug = 5 m·s−1，Gs =300 kg·m−2·s−1 操作条件下的入口处颗粒浓度径向分布情况。从图中可以看出，使用多管入口结构的提升管底部颗粒浓度径向分布均匀，平均浓度高于单管式和多孔板入口结构。单管入口结构和多孔板入口结构颗粒浓度呈现中间稀、边壁浓的分布形式，从中心到边壁，多孔板结构在r/R = 0.3附近颗粒浓度增幅开始明显增大，单管结构则从r/R = 0.55处颗粒浓度增幅开始明显增大。

  

图5 表观气速7 m·s−1下入口处颗粒浓度径向分布Fig.5 Profiles of solids holdup with r/R in inlet region when Ug = 7 m·s−1

图6表示了三种结构在Ug = 9 m·s−1，Gs = 300 kg·m−2·s−1 操作条件下的入口颗粒浓度径向分布情况。从图中可以看出，多孔板和单管入口结构下，颗粒浓度呈现中间稀、边壁浓的分布形式，多管入口结构下，提升管入口处颗粒浓度径向分布均匀。单管入口结构下，颗粒浓度径向分布在r/R约为0.7处增幅开始明显增大，中心区颗粒浓度比多孔板入口结构下小。对比不同表观气速下的研究结果（图4、图5）还可以发现，多管入口结构对颗粒径向分布的影响在大的表观气速下表现更加明显，且在r/R= 0.316处出现颗粒浓度极大值。

图3表示了表观气速Ug = 7 m·s−1，颗粒循环速率 Gs = 300 kg·m−2·s−1的操作条件下，分别使用多孔板、单管和多管式三种入口结构得到的颗粒浓度分布情况。从图3(a)中看出，使用多孔板结构，入口处颗粒浓度在径向上从中心到边壁是逐渐增加的，在r/R = 0.5处增幅开始变大。提升管底部（H=0.38 m）中心区颗粒浓度与提升管4.06 m及14.56 m轴向高度处中心区浓度相近，边壁区颗粒浓度则在上述三个高度处差别较大。相比于单管和多管结构，多孔板入口结构颗粒浓度径向分布的中心区较窄，边壁区较宽。图3(b)、(c)表示了单管与多管式入口结构下颗粒浓度在不同轴向位置的径向分布。两种入口结构中均采用较细的钢管作为二次风入口，二次风出口气速较大，从而产生流动负压区，一部分颗粒将向负压区运动，实现了颗粒的再分布。进一步对比图3(b)、(c)，使用单管和多管结构，入口处颗粒浓度在径向上 r/R = 0.7～0.8处增幅开始变大，随着轴向位置的增加，中心区的颗粒浓度逐渐降低。这说明单管和多管结构加速作用覆盖在更宽的区域，使得入口处中心区颗粒浓度更大，径向分布更均匀。因此，单管和多管式入口结构可以保证更为均匀的气固分布和接触。此外，多管结构的入口处颗粒浓度中心区比单管大。也就说，多管式入口结构对于气固均匀分布的作用更明显。从图3中还可看出，颗粒浓度径向分布都是呈中间稀，边壁浓的形式，在4 m以上提升管轴向高度颗粒浓度在径向中心区基本达到充分发展，边壁区颗粒浓度随着轴向高度增加逐渐降低，颗粒浓度发展较中心区慢。

  

图6 表观气速9 m·s−1下入口处颗粒浓度径向分布Fig.6 Profiles of solids holdup with r/R in inlet region when Ug = 9 m·s−1

1944年5月21日，中共中央扩大的六届七中全会在延安召开，期间通过的《关于若干历史问题的决议》，对党的历史上若干重要问题，特别是中央的领导路线问题做了详细的剖析和正式的总结，标志着延安整风运动胜利结束。

  

图7 不同结构入口处压力脉动标准差Fig.7 Standard deviation of pressure fluctuation in inlet region with different distributors

 

A—Gg=5 m·s−1, Gs=300 kg·m−2·s−1; B—Gg=7 m·s−1, Gs=300 kg·m−2·s−1;C—Gg=9 m·s−1, Gs=300 kg·m−2·s−1

2.3 不同入口结构对截面平均颗粒浓度轴向分布的影响

提升管入口结构对气固流动的影响主要体现在两个方面：一是对气体和固体的再分布作用[28]。气体入口的分布方式不同，对颗粒的加速作用不同，形成了不同的气固再分布情况。多孔板入口结构进气均匀，气体易从提升管中心上升，因此，气体对边壁颗粒的加速作用较弱。所以，多孔板入口处中间稀、边壁浓的颗粒浓度径向分布特征更为明显。多管和单管入口结构下则因二次风进气产生负压吸引作用使中心区颗粒浓度更大，颗粒径向分布更均匀。二是不同入口结构对气固两相运动的约束不同。单管和多管结构由于钢管本身粗细和长短对颗粒进料有一定的阻力。在达到相同操作条件时，相比于多孔板入口结构，多管和单管结构需要更大的储料罐流化风以保持颗粒循环的稳定操作。

综上所述，人民币汇率制度改革对我国宏观经济影响颇大，涉及外汇储备、物价、就业、货币供给、进出口、国际资本流动等方面，且其程度受人民币汇率不同升贬值周期的影响。汇率制度改革的政策选择和时机选择也要受到宏观经济因素的制约，两者互相影响，具体影响及作用机制如图1所示。

  

图8 两种表观气速下不同结构平均颗粒浓度轴向分布Fig.8 Solids holdup distribution of different inlets with height when Ug = 7 m·s−1 and Ug = 9 m·s−1

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3 结 论

（1）使用多管入口结构时，提升管底部颗粒浓度的径向分布较为均匀；使用单管和多孔板入口结构，提升管底部颗粒浓度径向分布呈现不均匀的中间稀、边壁浓分布形式。多孔板入口结构下颗粒浓度径向分布在中心区和边壁区浓度大小相差最大，单管入口结构下颗粒浓度径向分布相差较小。

（2）从提升管底部压力变化可知，提升管底部区的气固碰撞在多管入口结构下最剧烈，流动再分布程度最大，单管入口结构下次之，多孔板入口结构下最小。

（3）从平均颗粒浓度轴向分布及发展趋势来看，多管入口结构下的颗粒加速段长度要比多孔板入口结构下短1～2 m，单管入口结构下加速段长度介于两者之间。所以，多管入口结构对颗粒加速作用更好，颗粒浓度轴向发展更快。

致谢：中国石油大学（北京）化工学院赵亮教授、魏强副教授及邓春副教授对本实验的顺利进行提供了帮助，实验过程中得到了裴华健、苏鑫和李婧雅等同学的协助，在此表示衷心的感谢。

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