 Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2013, 3, 76-78 http://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2013.32013 Published Online March 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjcet.html) Study on Operation Characteristics of Magnetically Stabilized Bed* Qiangqiang Fu, Tingting He, Qingtao Fu Key Laboratory of Resources and Environmental Analytical Chemistry in Universities of Shandong, Linyi University, Linyi Email: fqtmail@yahoo.com.cn Received: Dec. 18th, 2012; revised: Jan. 16th, 2013; accepted: Jan. 24th, 2013 Abstract: A model MSB unit was designed and constructed, which was used to investigate the flow state with Fe fine particles as model catalyst, and water as liquid. The results indicated that the chain operation state with the high mass- transfer efficiency and the stable operation range is obtained. Keywords: Magnetically Stabilized Bed; Cold Model Experiment; Stable Operation Range 磁稳定床的操作特性研究* 付强强，何婷婷，付庆涛 临沂大学山东省高校资源与环境分析化学重点实验室，临沂 Email: fqtmail@yahoo.com.cn 收稿日期：2012 年12 月18日；修回日期：2013 年1月16 日；录用日期：2013 年1月24 日 摘 要：设计建造了磁稳定床冷模实验装置，并以细小的铁粉颗粒为固相，自来水为液相，通过冷模实验研究 了液固两相系统的流动状态，确定了液固两相之间传质效率高的链式操作状态，获得了磁稳定床的稳定操作区 间。 关键词：磁稳定床；冷模实验；稳定操作区间 1. 引言 目前在石油化工领域，虽然大规模工业应用反应 器主要是固定床和流化床，但是它们也存在一些缺点。 比如，流化床轴向混合剧烈，转化率低，催化剂易带 出，产物与催化剂分离难，操作成本高。固定床气液 相扩散阻力大，径向传热效率低，易产生沟流，床层 压降高。而磁稳定床的研究和应用引起广泛的重视[1-4]。 2. 实验部分 2.1. 引言 本文设计建造了磁稳定床冷模实验装置，并以细 小的铁粉颗粒为固相，自来水为液相，通过冷模实验 来研究液固的流动状态，确定了液固两相之间传质效 率高的链式操作状态，获得了磁稳定床的稳定操作区 间。 2.2. 实验装置 2.2.1. 实验装置流程图 磁稳定床冷模实验装置流程图如图1所示，包括 反应器部分，外加磁场和电流控制部分、进料部分和 测试部分。反应器是玻璃管，外径为 20 mm，内径为 10 mm，长度为 500 mm。四个轴向排布的赫姆霍兹铜 线圈产生轴向均匀的磁场。每个线圈的匝数为 400。 线圈中的电流强度由变压器控制。 *基金项目：国家自然科学基金(20806093)。 Copyright © 2013 Hanspub 76  磁稳定床的操作特性研究 气体 液体 床体 氮 气 瓶 磁 场 线 圈 自来水 Figure 1. Schematic of cold experimental apparatus in magneti- cally stabilized bed 图1. 磁稳定床冷模实验装置流程示意图 2.2.2. 匀强磁场的设计 磁稳定床的关键因素是保持均匀的外加磁场，因 为研究表明[5]，轴向均匀的磁场有助于床层较宽的稳 定操作区间以及较好的传质效率。均匀稳定的轴向磁 场可以通过管外密绕载流螺线管和赫姆霍兹线圈来 实现[6]。为了方便观察实验现象，本研究采用赫姆霍 兹线圈来实现匀强磁场。电磁线圈技术指标为：线圈 长度 64 mm，中心磁场H ≥ 400 Gs，内径为 45 mm， 钢制骨架，无水冷，外径约140 mm，四个线圈可串 联使用，要求电源功率8 A × 35 V(当电流为 7.2 A时， 中心磁场约为400 Gs)。四个线圈串联组装，磁场方 向垂直于地面；线圈座放于底架上，地平面距地面高 度为 600 mm。 2.3. 实验材料 实验中选择了还原铁粉固体颗粒进行冷模研究。 铁粉颗粒采用上海CNPC 试剂厂的二次还原铁粉，筛 取80~100 目颗粒备用。其纯度 98 %，密度 7800 kg/m3， 近似球形。冷模实验中采用的介质与热模反应条件下 反应物性质相似，以便取得的实验数据能更好的用来 指导热模实验。但考虑到实验安全和经济性，本实验 中采取氮气和水作为气相和液相介质。实验所用氮气 为高纯氮气，水为去离子水。 3. 结果与讨论 3.1. 液速对磁稳定床流动形式的影响 本实验中观察了在一定外磁场下，铁粉颗粒随着 液速在床层中的流动情况，如图 2所示，表 1为不同 液速范围内床层的操作状态。由表 1看出，磁场强度 为40.5 Oe，流速在 0~1.35 × 10−3 m/s 时，床层静止， 操作状态如图 2a所示，这时床层流动状态接近固定 床。液速提高到1.35 × 10−3 m/s~1.62 × 10−2 m/s时， 颗粒排成链状，操作状态如图 2b 和2c 所示，这时床 层流动状态为稳定的悬浮态。液速高 1.62 × 10−2 m/s 时，颗粒在床中做自由运动，如图2d所示，这时床 层流动状态接近流化床。因此，在一定外加磁场下， 随着液速的变化，床层表现出四种流动状态。在液速 较小时，床层是一种比颗粒简单堆积稍高的固定床。 当液速进一步提高时，床层有较大膨胀，并且有链的 出现，但床层没有明显的摆动。流速继续增大时，床 层膨胀程度更大，不仅有链的排列还有链的摆动。当 流速很大时，链断裂，颗粒呈散状做自由运动。磁稳 定床稳定操作的状态应该处于图2b和c所示。 3.2. 磁场强度对磁稳定床流动形式的影响 从图 3可以看出，不同磁场强度下磁稳定床中磁 性颗粒的流动表现为三种形式：(a) 磁场强度为8 Oe Table 1. Operation state under different flow rates 表1. 不同液体流速范围内的床层操作状态 磁场强度(Oe) 液体流速范围 床层操作状态 0~1.35 10−3 m/s 图2a状态 1.35 10−3~1.62 10−2 m/s 图2b、c状态 40.51 >1.62 10−2 m/s 图2d 状态 0~4.6 10−3 m/s 图2a状态 4.610−3m/s~2 .710−2 m/s 图2b、c状态 54.16 >2.7 10−2 m/s 图2d 状态 0~4.6 10−2 m/s 图2a状态 4.6 10−2 m/s~ 图2b、c状态 68.2 - 图2 d 状态 d.颗粒自由运动 a.颗粒静止 b.颗粒链状摆动 （静止或摆动） c. 链摆动 固定床 磁稳定床 流化床 Figure 2. Operation state under different flow rates 图2. 不同流速下的床层操作状态示意图 Copyright © 2013 Hanspub 77  磁稳定床的操作特性研究 Copyright © 2013 Hanspub 78 (a) 散粒状态 8 Oe (b) 链式状态 50 Oe (c) 磁聚状态 100 Oe 固体润湿充分均匀，液固传质效率高，而且床层对大 气泡有较好的破碎作用，形成小气泡，气液接触面积 增大，有利于床层内传质效率的提高。综上可知，在 磁稳定床中进行加氢反应时，最佳操作状态为链式状 态。为了确保磁稳定床的高效率，必须保证其床层是 在链式状态。 Figure 3. Operation state under different magnetization (flow rates 1.6 10−2 m/s） 4. 结论 图3. 不同磁场强度的床层操作状态(液体流速 1.6 10−2 m/s) 综上所述，铁粉颗粒为固相，自来水为液相，可 以形成操作范围较宽的磁稳定床层。链式操作状态是 液固两相反应的最佳操作状态。 时，磁性颗粒呈散粒状；(b) 磁场强度为 50 Oe时， 磁性颗粒呈链式状；(c) 磁场强度为 100 Oe 时，磁性 颗粒呈磁聚状。刚开始，磁场强度很小时，铁粉颗粒 的磁化程度小，相互作用小，因此铁粉颗粒以散粒状 在床层中作自由运动。当磁场进一步增大时，颗粒沿 磁场方向排列成链状，床层颗粒呈链摆动状态。磁场 继续增大时，颗粒团聚在一起，形成磁聚状态。在气 液固三相同时存在时，床层操作形式和液固系统相 似，但气体流量对床层的稳定操作影响很大。 参考文献 (References) [1] 慕旭宏. 气液固三相磁稳定床用于加氢反应过程的探索性研 究[D]. 北京: 石油化工科学研究院, 1996. [2] R. E. Rosensweig. Magnetic stabilization of the states of uni- form fluidization. Science, 1979, 204(1): 57-59. [3] 谢文华. 磁性催化剂与磁稳定床反应器[J]. 化学进展, 2009, 11(21): 23-40. [4] 龚全安. 磁稳定床研究进展[J]. 河北化工, 2005, 110(5): 145- 155. 由以上实验可见，散粒操作状态返混率高，操作 范围窄，颗粒易流失。而磁聚操作状态易于形成沟流， 降低催化剂的颗粒利用率。而链式操作状态，因为颗 粒聚集成链状，链彼此的间隙均匀，难于形成沟流， [5] R. E. Rosensweig. Hydrocarbon conversion process utilizing a magnetic field in a fluidized bed of catalitic particles. US Patent: 4136016, 1979. [6] R. E. Rosensweig. Ferrohydrodynamics. Cambridge: University Press, 1985. |