三相流化牀

氣液固三相流態化是指固體顆粒懸浮在向上的氣液流中而形成的一種流化狀態，其顆粒密度遠大於液體，粒徑一般大於150μm，固含率分佈從0.6（固定牀階段）到0.2（接近稀釋輸送階段）。

流化過程中劇烈的內部混合使熱量在反應器內均勻擴散，防止熱點的產生，因此反應器可以在温度分佈均勻的條件下操作，傳熱效果好且温度易於控制。同樣的原因使得相較於固定牀，流化牀不易堵塞，傳質效率高，對反應器體積的利用率也更高，且牀層內的膨脹使得壓降不會隨氣液流量的上升而持續上升。在反應過程中可以增加或移出催化劑而不打斷反應的進行，保證了產量。因此，相較於固定牀，流化牀更易於維護，替換的成本也較低。但是催化劑的磨損和夾帶，嚴重的反混是這種結構的缺點。三相流化牀由於其相界面積大、傳質速率高、抗衝擊能力強、負載微生物活性強、佔地面積少等優點，成為近年來研究熱點。隨着三相流態化技術研究的深入和發展，其應用在不斷擴展和提高。

氣液固三相流化牀具有高處理能力、低阻力降、充分的相間接觸和良好的傳質、傳熱效果及温度易於控制等優點，現有的已經商業化的將天然氣轉化為石油或化學品的漿態鼓泡牀反應器和生物污水處理裝置都比實驗室內研究的尺寸要大得多，而三相流化牀明顯的放大效應為它的最優化設計帶來了巨大的困難，以往的流化牀設計都是通過中間試驗來降低放大後可能出現的風險，為了從實驗規模向工業規模放大，對三相流化系統流體和氣泡動力學，傳質和放大效應的研究是至關重要的。 ^[2] 

過去大部分對三相流體化的研究集中於對複雜流場的分析和它對相含率以及傳質性能的影響，大體上可分為3種方向：

對三相流化牀流動形態的描述主要通過測量不同操作條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將液相作為連續相，氣相作為分散相，固相是直徑1mm，密度為2650kg/m³的陶瓷顆粒，液相和固相使用混合模型，氣相用DPM的方法注入流化牀底部，使用多孔區域模型來模擬分佈板，發現多孔區域模型很適合用於工業條件下的模擬，即使在不同液速、氣速，不同的牀層高度下。模擬的流化牀壓降與實驗數據吻合很好，當氣速增加時，壓力降減小。

曹常青等在以空氣、水和小尺寸玻璃珠顆粒分別為氣相、液相和固相的氣液固三相流化牀中，使用能同時測得三相流化牀各相局部含率的微電導探針技術對局部相含率軸徑向分佈進行了研究，改變表觀氣速和表觀液速，測試了不同高度的各相局部相含率，發現在充分發展段，局部氣含率和局部固含率在三相流化牀徑向分佈是不均勻的，在r/ R = 0.75～0.85 範圍內，固含率分佈出現一個極大值峯；在氣體分佈器區，在距氣體分佈器軸向一定距離範圍內，三相局部含率的徑向分佈存在明顯的不對稱分佈，隨着軸向距離的增加，局部氣含率徑向不對稱分佈逐漸消失，最終過渡到對稱分佈，而局部固含率的徑向不對稱分佈消失得不明顯。

Muroyama和Fan製作了在一定表觀氣速和表觀液速範圍內的氣體-水-顆粒三相流化牀的流型圖。施漢昌根據三相流化牀中的氣泡流動行為將流場劃分為三種，即氣泡並區、氣泡分散區、氣泡節湧區。Chen等人通過測量壓力脈動來區分流型。Briens使用諸如分形混沌理論等數據挖掘方法來區分氣泡聚並和氣泡分散等流型。

儘管針對不同過程參數和物系組成下的流場描述和流型劃分已進行大量的實驗研究，三相反應器中固固、液固和固氣間的複雜作用使其流場仍得不到深入的瞭解。因此，計算流體力學已成為一個強有力的工具用於多相流反應器的優化設計和放大。

在近幾十年內，出現了大量的兩相液液、液固、氣液、氣固系統的 CFD 模型。現在有兩種方法得到了普遍的應用：（1）Euler-Euler-Euler模型，基於互相滲透的多相流假設；（2）Euler-Lagrange模型，用於解決分散相的運動方程。

三相流系統包括泥漿鼓泡塔和三相流化牀的CFD模型已經開發。在泥漿鼓泡塔中，液固滑移速度一般很小，這使得液相和固相可以作為假想的均一混合相，從而將三相系統簡化為兩相的系統。三相流化牀由於其較大的顆粒直徑，不能應用這種簡化的方法，因此它只能作為一個三相流的問題來處理。 ^[2] 

根據測試傳感器是否侵入流場可將三相流化牀測試技術分為兩大類：侵入式測試技術和非侵入式測試技術。

侵入式測試技術（Invasive Techniques）的研究應用先於非侵入式測試技術，始於20世紀60年代。其優勢在於可以方便快捷地實現局部特性參數的測量。侵入式測試所用傳感器主要有針型探頭、傳熱探頭、超聲探頭和皮托管等。

（1）針型探頭

針型探頭（Needle Probes）主要用於研究氣液（固）系統的氣相局部動力學行為。其時空分辨率分別為秒級和毫米級。單針系統主要用來研究氣含率和氣泡頻率，雙針系統可用於測量氣泡速度、局部時均相界面積和平均泡弦長度分佈，多針系統可以測量氣泡形狀。針型探頭主要有電導探頭和光纖探頭，是三相流化牀參數測量的重要手段。

電導探頭測試的優勢在於測量三相流化牀的局部氣含率，利用雙針電導探頭和示蹤劑相結合可以測量局部液相速度及液相混合特性。雙針電導探頭也可用於同時測量三相流化牀系統的相含率。

光纖探頭有反射型探頭和透射型探頭之分，常用於測量三相流化牀中的氣泡特性。光纖探頭也可用於測量局部固含率，此時，氣泡的影響可通過標定加以排除，經過對反射型或透射型光纖探頭的標定，該技術也可以實現三相流化牀相含率的同時測量。纖探頭引起誤差的主要原因為氣泡和探頭之間的相互作用：探頭表面狀況影響刺穿氣泡的能力，探頭在多相流中的放置方向影響測量結果，氣泡的形狀影響氣泡大小和氣液相界面積估計的準確性。同時，光纖探頭的標定是否準確對於測量精度也有較大影響。

（2）超聲探頭

超聲探頭（Ultrasonic Probes）測試是根據超聲波在多相系統中的透射或反射特性的不同而實現參數測量的。這裏所指探頭是侵入式超聲探頭，超聲探頭主要用於氣液系統氣泡參數測量，近年來開始用於三相流化牀系統的參數測量。根據測試原理的不同，分為超聲透射技術和超聲反射技術。根據透射聲波特性測量局部氣含率和局部平均相界面積等參數的方法稱為超聲透射技術，其需要聲波發射探頭和接收探頭。測量時，發射探頭和接收探頭被氣液兩相系統隔開。

根據來自氣泡等表面的反射聲波的幅值和頻率確定氣泡大小和速度的方法稱為超聲反射技術或脈衝回波技術。超聲反射技術的探頭本身既是發射器，又是接收器。為了分析反射波的特性，常採用脈衝回波技術。通過分析反射波的幅值和頻率可以確定氣泡尺寸和局部氣泡速度分佈。採用超聲透射探頭技術，可對氣液固三相循環流化牀提升管內的局部氣含率和局部固含率同時測量，獲得相含率的徑向分佈規律。

侵入式測試技術具有對流場有干擾、標定曲線具有不確定性、時空分辨率低（釐米或毫米級、分鐘或秒級）等侷限性。其中，對流場有干擾是其最大侷限。非侵入式測試技術則無此缺陷，分為全局特性參數測試技術和局部特性參數測試技術。

（1）全局參數測量技術

全局測量技術包括壓力傳感器技術、相示蹤技術、輻射衰減技術（x射線、γ射線和中子吸收射線攝影技術等）、聲波技術（次生波、可聞聲波到超聲波等）等，可以得到三相流化牀的流型、壓降、相含率、氣泡尺寸分佈、相混合特性等。對於測得波動特性數據，還可以應用現代分析方法進行深入研究。

（2）局部參數測量技術

a、攝像技術

攝像技術是一種比較傳統的可視化研究手段，對流場無干擾，常用於研究二維三相流化牀內的氣泡行為，結合液相和固體顆粒折射率匹配技術等，可以測得氣泡的大小、分佈、上升速度、運動過程和氣含率等。其侷限性在於只能得到壁面附近的運動情況，液相和壁面都要求透明．對於高壓系統，需要耐壓的視窗材料。

b、放射顆粒跟蹤技術

放射線照相技術是攝像技術的延伸，而放射顆粒跟蹤技術（Radioactive PanicleTrackillg，簡稱RPT）以放射線照相技術為基礎，可以獲得平均和瞬時三維多相流場圖像。

在測試過程中，示蹤顆粒與流化牀內固體顆粒的大小和密度相同，這樣，示蹤顆粒的運動軌跡可以代表流化牀內固體顆粒的運動軌跡。與流化牀內顆粒不同的是，示蹤顆粒可以發射射線，一般用γ射線。γ射線被沿流化牀高度佈置的多個閃爍探測器所感知。示蹤顆粒位置不同，施加到每個探測器上的v射線的輻射量不同。通過估計流化牀內γ射線的衰減等可以測得示蹤顆粒在較長一段時間內的瞬態三維運動位置或座標【x，y，z】。通過對顆粒運動軌跡上的點的連續微分，可以將顆粒運動的位移轉換為局部和瞬時速度分量。但是，該技術1次只跟蹤1個放射顆粒，屬於點測量，同時，在由信號確定顆粒位置時，需要繁瑣的校正程序，因此，獲得完整流場的時問較長，數量級在10h級。

c、顆粒圖像測速技術

顆粒圖像測速（Panicle Image Velocimetry，簡稱PIV）技術20世紀90年代初被應用於多相流系統，以Eulerian觀點獲得整個流場的瞬時和平均速度分佈，突破了空間單點測量技術的侷限性。其測試原理是：激光束經透鏡形成片光源，照射含有示蹤顆粒的被測流場，用高分辨率快速CCD攝像頭對流場空間進行成像數字採樣，然後將圖像數據輸入計算機進行處理。通過計算多幅圖像中分析窗口內顆粒的位移，可以得到瞬時速度場。PⅣ技術不僅可以測量三相流化牀內局部顆粒瞬時速度，還可以測量速度波動、相含率、氣泡大小及分佈。該測試技術的難點在於相的有效識別和重建三維流場，為此提出了許多方法，如：對液相應用熒光示蹤顆粒、對信號進行過濾、應用折射率匹配技術、篩選合適的光路設計等。 ^[3] 

氣-液-固三相流化牀研究開始於20世紀60年代，由於其具備温度易於控制、相間混合均勻、傳熱傳質效果好和接觸面積大等優點而得到了大量的應用，廣泛應用於石油化工、生物化工、煤化工及環境工程中。

石油化工中重油、渣油的加氫處理其過程十分複雜，主要反應包括加氫脱硫、加氫脱氮、加氫脱氧、加氫脱金屬等。這一過程中存在的問題是催化劑的失活，在反應過程中，焦炭在催化劑表面沉積使催化劑活性下降。此過程可以由沸騰牀完成，其能進行在線催化劑置換，且混合性能好，温度分佈相當均勻。

生物化工是21世紀具有重要發展前景的領域，三相流化牀由於其較攪拌釜對細胞的破壞較小、處理能力大，在生物廢料發酵制單細胞蛋白飼料，生物法制備維生素和抗生素等方面也得到了應用。

液相費-託合成是三相流化牀最重要的應用之一，也是研究時間最長，應用最廣泛的過程之一。其反應器是泥漿鼓泡牀，氣體CO和H₂從流化牀底部進入反應器，催化劑懸浮在重油介質中。費-託反應是高放熱反應，泥漿鼓泡牀良好的傳熱性能能夠消除牀中的局部過熱，從而保持牀中温度均勻分佈。其在煤催化加氫合成液體燃料也有應用。

在污水處理中，生物處理是最常用的技術，氣液固三相流化牀由於其處理效率高、高徑比大、設備緊湊、便於實現連續化生產等特點，被用於好氧生物法污水處理中並取得了良好的效果。90年代初，中國科學環境科學研究院張宗祥和杜兵對內循環三相生物流化牀進行了初步的研究。 ^[2]