（化学工程专业论文）声磁复合场流化床超细颗粒流化行为的研究.pdf

声磁复合场流化床超细颗粒流化行为的研究 张建( 化学工程) 指导教师：郭庆杰教授 摘要 超细颗粒因具有毫米级材料不具备的诸多优异性能而被广泛应用于生 物材料、化妆品、催化剂、塑料等工业，并且日益受到学术界的关注。但 由于该类颗粒粒径小，颗粒间粘性较大，流化过程中易出现沟流和节涌等 现象，难以正常流化，制约了其应用领域。本文在对国内外研究现状分析 的基础上，应用外加声磁复合场的方法实现超细颗粒的平稳流化，同时建 立了声磁复合场下超细颗粒的能量平衡模型。 在内径为5 6m m 的玻璃流化床中，以未改性5 l on l ns i 0 2 、有机改 性5 1 0n l ns i 0 2 和5 0 0n m s i 0 23 种纳米级颗粒为实验的主体物料，f e 3 0 4 ( 粒径小于0 0 5 3m m ) 为客体颗粒，在声压级为9 0 1 0 5d b 、声波频率为 0 3 0 0 h z 范围内系统考察了声波对超细颗粒流化行为的影响。研究表明： 当声场频率处于5 0h z ，声压级大于1 0 0d b 时，声波可以有效地消除节涌、 抑制沟流、降低l 临界流化速度，减小聚团尺寸，显著改善超细颗粒的流化 质量。声场频率一定，声场强度越大，颗粒团聚体的直径越小。客体颗粒 的添加比例存在一最优值。 在玻璃流化床中同时引入声场和磁场，以未改性5 1 0 n n ls i 0 2 、有机 改性5 1 0n l ns i 0 2 和5 0 0n m s i 0 2 3 种纳米级颗粒为实验的主体物料，f e 3 0 4 ( 粒径小于0 0 5 3m m ) 为客体颗粒，在声压级为9 0 1 0 5d b 、声波频率为o 3 0 0h z 、磁感应强度为o 1 2m t 范围内系统考察了声磁复合场对超细颗粒 流化行为的影响。结果表明：超细颗粒中添加较大铁磁性颗粒并引入声磁 复合场，可有效消除流化床中的节涌、抑制沟流，使之在低气速下实现稳 定流化，显著改善超细颗粒的流化质量。临界流化速度随磁感应强度的增 加而减小。 对声磁复合场中超细颗粒团聚体作能量分析，建立了超细颗粒团聚体 相互碰撞时的能量平衡模型，通过模型解析值与实验值的对比验证，证实 此模型可对影响聚团破碎和聚团尺寸的因素进行了定性和定量的分析。 关键词：超细颗粒，声场，磁场，能量平衡模型，流化 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t of l u i d i z a t i o no fu l t r a f i n e p a r t i c l ei naf l u i d i z e db e dw i t hs o u n d - m a g n e t i ca s s i s t a n c e z h a n g j i a n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg u o q i n 西i e a b s t r a 吼 u l w a f i n ep a r t i c l e sf i l e w i d e l yu s e d i n b i o m a t e r i a l s ，c o s m e l f i c 8 ，f o o d s ， c a t a l y s t s ，a n dp l a s t i c s ，d u et o 出e i re x t r e m e l ys m a l ls i z ea n dm u c h 鲫d h c e8 t e a p e ru n i tm a s s n e v e r t h e l e s s ，u l t r a f i n ep a r t i c l e sa r ec l a s s i f i e da sg e l d a r tg r o u pc ， w h i c hi sd i f f i c u l tt of l u i d i z eo w i n gt os t r o n gi n t e r p a r t i c l ef o r c e si n c l u d i n g v a n d e nw a a l sa d h e s i o nf o r c e s ，e l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i v ef o r c e s ，l i q u i db r i d g e s ， h y d r o g e nb o n d s , a n df o r m - c l o s e db o n d s ni so fi m p o r t a n c et od e v e l o p p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s , w h i c h c a nh a n d l e e f f e c t i v e l yl a r g eq u a l i t i e s o f n a n o p a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , as o u n d - m a g n e t i cf l u i d i z e db e dw a se m p l o y e dt o i m p r o v ep a r t i c l ef l u i d i z a t i o nq u a l i t y , a n daf o r c e sb a l a n c em o d e lw a sd e v e l o p e d , r e s p e c t i v e l y t h ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro ft h r e et y p e so fs i 0 2u l t r a f m ep o w d e r sa n d f e 3 0 4p a r t i c l em i x t u r e sw a si n v e s t i g a t e di na5 6n l l ni d f l u i d i z e db e du n d e r d i f f e r e n ts o u n dp r e s s u r el e v e l sa n ds o u n df r e q u e n c i e s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p r o p o r t i o no f f e 3 0 4 o nf l u i d i z a t i o nb e h a v i o rw e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h e s o u n dw a v eg e n e r a t e db yal o u d s p e a k e rl o c a t e da b o v et h eb e d ，w h o s es o u n d p r e s s u r el e v e ls p lv a r i e df r o m9 0t o1 0 5d ba n ds o u n df r e q u e n c yv a r i e df r o m 3 0t o5 0 0h z i tw a sf o u n dt h a tt h ea c o u s t i cf i e l dc a nr e s t r a i nc h a n n e l s r e d u c e m i n i n l u n lf l u i d i z a t i o nv e l o c i t i e s , a n di m p r o v ed r a m a t i c a l l yt h ef l u i d i z a t i o n q u a l i t ya st h es o u n dp r e s s u r el e v e le x c e e d s1 0 0d ba n dt h es o u n df r e q u e n c yi s 5 0 h z a tag i v e ns o u n df r e q u e n c y , t h ed i a m e t e ro f p a r t i c l em i x t u r e sa g g l o m e r a t e i sd e c r e a s e dw i t ha l li n c r e a s ei ns o u n dp r e s s u r el e v e l s t h eo p t i m i z e dp r o p o r t i o n o f f e 3 0 4 i sp r e s e n t e d u n d e rd i f f e r e n ts o u n dp r e s s u r el e v e l s ，f r e q u e n c i e sa n dm a g n e t i ci n d u c t i o n s , t h e f l u i d i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e et y p e so fs i 0 2u l t r a f i n ep o w d e r sa n df e 3 0 4 p a r t i c l em i x t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d i na5 6n l mld f l u i d i z e db e dw i t h s o u n d - m a g n e t i ca s s i s t a n c e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h es o u n d m a g n e t i s mf i e l dc a l l i m p r o v ed r a m a t i c a l l y t h ef i u i d i z a t i o n q u a l i t y a n dm i n i n l u n lf l u i d i z a t i o n v e l o c i t i e sa r ed e c r e a s e dw i ma ni n c r e a s ei nm a g n e l i ei n d u c t i o n s ab e t t e rm a g n e t i c i n d u c t i o nr e a c h e d as o u n d - m a 弘e f i cm o d e lt op r e d i c tt h ea g 舀o m e r a t es i z eh a sb e e n p r o p o s e db a s e d o i le n e r g yb a l a n c eb e t w e e nt h ea g g l o m e r a t ec o l l i s i o ne n e r g y , t h e e n e r g ya r i s i n gf r o ms o u n dw a v e ，t h em a g n e t i cp o t e n t i a le n e r g y , t h es h e a re n e r g y a n dc o h e s i v ee n e r g y t h ee q u i l i b r i u ma g g l o m e r a t es i z e sc a l c u l a t e db yu s i n gt h e m o d e l p r o p o s e dw e r ea g r e e m e n t w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：u l t r a f m ep a r t i c l e s ，a c o u s t i ca s s i s t a n tf i e l d ，m a g n e t i c 丘e l d ，e n e r g y b a l a n c em o d e l ，f l u i d i z a t i o n 中国石油大学( 华东) 硕士论文 符号表 符号表 a 床层横截面积，m 2 彳h a m a k e r 常数 b 磁感应强度，t c l 、c 2 e r g u n 方程参数 c 声波的传播速度，m s 1 q 恒容摩尔热熔，j 伥m 0 1 ) d c p 恒压摩尔热熔，j 暇m 0 1 ) d d l 2 ，颗粒粒径，m d ，原生颗粒直径，m ，、缈声波频率，h z g 重力加速度，m $ - 2 日磁场强度，a m 1 月l 初始床高，m z 铁磁性物质的长度，i n 肘磁化强度，a m a p 床层压降，p a r e 颗粒的雷诺数 ，铁磁性物质底面圆的半径，m s p l 声压级，d b m 终端沉降速度，n 1 s 4 z 。两聚团刚破碎时的初始间距，i n 7 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文 符号表 口声波吸收系数 占床层空隙率 f 卅，初始流化时的床层空隙率 a 振动强度指数 流体粘度，p a s 甜j 表观气速，m s 1 甜柚最小鼓泡速度，m s - 1 ”啦r 最小流化速度，m s 1 乃流体介质密度，k g n 1 3 纬颗粒表观密度，蚝n 1 - 3 岛铁磁性物质的密度，k g m - 3 ，颗粒球形度 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塞建文明年3 - 月弓f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩e p 或其他复制手段保存论 文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 夏。订年弓b 弓1 日 加7 年r 月3 0 日 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 1 1 1 流态化技术 流态化技术是研究和处理工业过程中固体颗粒与气相、液相、气液相 之间的混合、传质、传热的多相流技术。流态化技术起源子2 0 世纪早期的 德国，但该技术的应用真正得到重视应从2 0 世纪7 0 年代算起。1 9 7 9 年， 芬兰开发了世界上第一台蒸发量为2 0t - h 。1 的流化床锅炉，接着，西德、美 国也相继开发这一技术，并取得显著成果。 流态化技术依靠流化床反应器来实现。流化床反应器与传统的固定床 反应器有很大的不同，流化床反应器内颗粒始终悬浮于流体中并激烈运动， 整个床层像沸腾的水一样，具有类似液体的自由流动性，从而大大强化了 物质的扩散过程，提高了反应速度。高效率的传热作用易于加入或移出热 量，特别适合于石油天然气等化工中常见的强吸( 放) 热反应，对于催化 剂寿命较短或需频繁再生的场合，更具优越性。自本世纪4 0 年代初，石油 流化催化裂化工艺开发成功以来，其应用研究取得了许多重大进展，迄今 已渗透到石油、化工、冶金、原子能、环保等工农业生产的各个领域，并 已成为颗粒和粉体的制各、加工、改性、输送以及改善催化反应的有效手 段f l 】。 1 1 2 颗粒分类方法 1 9 7 3 年，英国化学教授g e l d a r t 在大量实验的基础上，提出了只适用于 气固系统的颗粒分类方法g e l d 积颗粒分类法，根据不同的颗粒粒度及 气、固密度差，将颗粒分为a ，b ，c d 四类，如图1 - 1 所示： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 暑 考 瓣 嫠 钷 平均粒径岬 图1 - 1g e l d a r t 颗粒分类法 a 类颗粒称为细颗粒或可气颗粒，一般具有较小韵粒度( 3 0 1 0 0p a n ) 及表观密度( p v 1 4 0 0k g 。m 。) 。a 类颗粒的初始鼓泡速度明显高于初始 流化速度u r n ! ，, 并且床层在达到鼓泡点之前有明显的膨胀。形成鼓泡床后， 密相中空隙率明显大于初始流化空隙率。，且密相中气固返混严重，气泡 相和密相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布变宽或平均粒径降低， 气泡尺寸减小。f c cc a t a l y s t ( 催化裂化催化剂) 是典型的a 类颗粒。 b 类颗粒称为粗颗粒或鼓泡颗粒，一般具有较大的粒度( 1 0 0 6 0 0p a n ) 及表观密度( 1 4 0 0 4 0 0 0k g - i 1 1 3 ) 。其初始鼓泡速度6 与初始流化速度玛一 相等。因此，气速一旦超过初始流化速度。床内即出现两相，气泡相和密 相。气泡相和密相之间气体交换速度较低，且气泡尺寸几乎与颗粒粒度分 布或平均粒径无关。沙粒是典型的b 类颗粒。 c 类颗粒属粘性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在3 0 岬以下。此类颗 粒由于粒径很小，颗粒间作用力相对变大，极易导致颗粒团聚。因其具有较 强的粘聚性，极易产生沟流，所以极难流化，传统上认为这类颗粒不适用于 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 流化操作。 d 类颗粒属过粗颗粒或喷动用颗粒，一般平均粒度在0 6m m 以上。该 类颗粒流化时易产生极大气泡或节涌，使操作难以稳定，更适用于喷动床 操作。玉米、小麦颗粒等均属这类颗粒。同一类颗粒一般具有相同或相似 的流化行为陆3 1 。 超细颗粒的尺度介于分子、原子与块状材料之间，常泛指1 - 1 0 0 0r t m 范围内的微小固体粉末，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉 体材料。超细颗粒的特点是难于流化，易产生沟流、节涌及聚团，因此， 床层的压降比理论值( 单位床层截面积上床层的重量) 小，有时只有其一 半，未流化前，床层与床壁间还会产生横向裂纹。颗粒间具有很强的粘性 作用力，主要包括范德华力、毛细张力、静电力、液体桥力等，导致其极 易团聚，流化时易形成沟流和节涌，难以实现平稳流化。 随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生毫米 级材料所不具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应 等，从而使超细颗粒与常规粉体材料相比较具有一系列优异的物理、化学 性质。同时材料科学的发展，超细颗粒的应用范围日益拓广，其流化特性 越来越受到人们的关注。 研究者发现，颗粒的流化性能与流体的性质和其本身的性质有关，所 以通过颗粒表面改性来改变超细颗粒的流化性能备受关注。目前一般采用 两种方法：一是通过添加外场，如磁场、声场、振动场等；二是根据颗粒 的性质进行颗粒表面改性，采用添加颗粒或表面包裹的方法对颗粒进行改 性，以此来改善超细颗粒的流化质量，实现其类似g e l d a r t a 类颗粒的流化 行为。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 2c 类颗粒外场流态化研究进展 近年来c 类物料在新材料中得到广泛应用，对在鼓泡流化床基础上添 加外场辅助该类物料流化的技术已成为流态化技术的研究热点，外场包括： 磁场，声场，振动场等。这类有外场辅助的流化床除了具有鼓泡流化床的 优点外，还具有如下优点：( 1 ) 有效抑制气泡的长大及沟流、节涌的发生， 从而提高传质和传热效率；( 2 ) 增大流化床的操作范围，提高设备的生产 能力。基于上述优点，外场辅助流化c 类颗粒受到众多学者的重视，此类 研究已取碍较大进展。 1 2 1 声场流化床 声场流态化能够有效地降低流化床中超细颗粒聚团的尺寸，使之在很 低的操作气速下实现稳定流态化，显著地改善超细粉体的流化质量：并且 声能还具有不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床而不需要内 部构件等优点。研究者对不同粒径的微米级超细颗粒的声场流态化进行了 考察，范围涉及声波频率、声压级、床层高度、床层重量、颗粒聚团、鼓 泡特性等方面。普遍认为声波频率低于1 0 0 0h z ，声压级高于1 0 0d b 的声 场条件对微米级超细颗粒的流化质量有明显的改善。 采用声波来改善超细颗粒的流化质量，则开始于m o r s e 工作。m o r s e 首先发现低频高强度的声波可以抑制沟流，改善粘附性颗粒的流化性能。 c h a o u l d 等人首先发现【4 j ，当气速远远高于超细颗粒临界流化速度时， c u a 1 2 0 3 气溶胶会因自团聚作用而形成许多小团聚体，并以聚团形式实现 平稳流化。随后其他的研究者也都发现超细颗粒在较高气速下的自团聚现 象，但除少数情况外，多数情况下，由于形成的聚团粒度分布很宽，流化 质量很差，甚至不能流化，所以如何改善超细颗粒的流化性能成为人们研 究的热点。 c h i o r o n e 等f 卅研究了粒径为l 4 5i im 的沸石催化剂在声场流化床中 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的流化行为，结果发现声波的引入可以有效地削弱粒子间的粘附，减小聚 团尺寸，改善纳米颗粒的流化质量。同时，声波还具有强化气固接触效率， 不受颗粒物性限制等优点。因此，引入声波来改善纳米颗粒的流化质量是 一种很有效的方法。但对于粒径更小、粘附性更强的纳米颗粒在声场中的 流化特性的研究尚未见报道。 段蜀波【研等人以原生纳米s i 0 2 颗粒为物料，在横截面为1 3 0 1 01 1 1 1 3 3 2 、 高为5 0 0m i l l 的二维床中，研究了外加声波频率和声压对纳米颗粒流化特性 的影响。结果表明：无声场时，流化过程会出现裂纹和沟流，l 脑界流化速 度较高，有明显的颗粒带出；适当的低频强声波的引入能很好地抑制甚至 消除沟流，大大降低流化床中纳米颗粒聚团的尺寸，使之在低气速下实现 稳定流化，从而显著改善纳米颗粒的流化质量。 p r u s s o 等 9 1 对平均粒径o 5 4 5 m 的催化剂颗粒进行声场流态化， 详细考察了固体重量w 、声压级s p l 和声波频率f 三者的综合影响。在声 波频率1 1 0 - 1 4 0h z ，声压级1 4 0d b ，床层重量小于3l 【g 的条件下流化状况 良好。 1 2 2 磁场流化床 对于磁场对床层流化行为的影响，目前的研究主要集中在考察：( 1 ) 磁场的方向，包括轴向磁场和横向磁场；( 2 ) 磁场的性质，包括恒定磁场 和脉冲磁场；( 3 ) 磁场的大小等因素对最小流化速度、最小鼓泡速度、床 层压降、气泡频率、气泡尺寸、流动床操作范围等指标的影响。 目前c 类颗粒磁场流态化研究可分为两类，一类是在c 类颗粒中添加 磁性介质，借助磁性介质在磁场中的受力改善c 类颗粒本身的流化质量； 另一类是直接考察磁场中c 类磁性颗粒的流化行为。研究表明，磁场对这 两类介质的流化质量均有明显的改善。 气泡是气固流态化中的一个重要现象。它的产生和长大对流态化技术 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第i 章前言 的某些应用起着积极的作用，但它也有消极的一面，即影响气、固之间的 接触。因此，在除尘、催化反应等工业技术中，为加强气固接触，往往希 望消除气泡而保留流化床床层压降小、气体流通截面积大等优点。对气固 流化床施加磁场，就是抑制气泡产生的好方法。 归柯庭【l o 】等通过对作用在磁流化床中颗粒表面磁应力的分析，阐明永 磁场消除流化床中气泡的物理机理，并对用外加磁场消除流化床中的气泡 作实验研究，以证实磁场确有消除气泡、是流化床从有气泡的聚式流化转 化为无气泡的散式流化的功能。磁场消除气泡的机理是：磁场强度和固相 容积密度变化趋势的不同，使得气泡周围的颗粒在由固相容积密度变化引 起的磁应力差的作用下，向气泡中心运动，直至消除气泡。 骆振福【1 l 】等系统地观测了磁场作用下气固颗粒系统的流态化过程，并 绘制了流化特性曲线，提出了磁场流化床不同阶段特征的4 种状态模型， 如图1 - 2 所示，并指出了相应的控制因子。针对磁稳定流化床的特性，研究 并揭示了磁场抑制气泡生成的机理。在1 0 01 1 1 1 1 1 圆柱型模型机上的研究结果 表明：磁稳定流化床具有很好的稳定性，床层内无气泡，密度波动小，且 分布均匀。 嘲鳓鳓 图i - 2 磁场作用下的气固相接触形式 6 俪瑚洲渤m坩、 摩 ，”沁一h=：轧。蝴 嚣张鞴带一 一三二一=二二=三=二=二=二=三垆， 即 h丌醐岫姒附hu 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 朱庆f l i t l 2 】详细研究了轴向磁场作用下c 类铁磁性颗粒的流化行为，指 出随表观气速及磁场强度的变化，床层经历固定床、沟流床、磁控鼓泡床、 针式流化床和磁凝床几个阶段。磁场强度增加，气泡尺寸减小，且对于流 化床操作在最优范围。等磁场强度下，随着铁粉分率的增加，气泡尺寸减 小。相同条件下，恒定磁场的气泡尺寸小于脉冲磁场的气泡尺寸，说明恒 定磁场优于脉冲磁场。脉冲磁场下气泡尺寸随频率的增加而减小。 吕雪松等【1 3 1 在横向均匀磁场作用下，通过对比粘性颗粒与铁磁性颗粒 混合流化体系在未加磁场和加入横向旋转磁场情况下的流化特性，可以获 得横向旋转磁场对整个流化体系流化过程质量的改善，如消除沟流、节涌 的情况。 1 2 3 振动流化床 振动流化床是将能量引入普通流化床的一种新型床层形式，与普通流 化床相比，具有降低起始流化速度和床层压降，提高床层均一性和稳定性 等优点，已广泛应用于各个领域中，其中在分选过程中已取得一些进展， 如分选细粒煤及密度相近的焦渣混合物的分离均是以气固两相悬浮体为介 质，引入振动能量来提高床层稳定性的实例。振动能量引入流化床中可以 改善流化床的流化质量，提高床层的均一性，使介质和气体分布更加均匀。 振动流化床的振动条件、操作参数及颗粒物性对振动条件下颗粒的流体力 学都有明显的影响。 振动流化床相比其它流化床，有以下特点：( 1 ) 振动的引入，降低了 起始流化时床层的压降，改善了流化质量：( 2 ) 增加静止床层高度，振动 的效果明显减弱，床层越高，床层压降下降的幅度越小；( 3 ) 同样的振动 条件下，粒径大的下降幅度比较大，振动对粒径大的颗粒效果明显减弱；( 4 ) 同样的振动条件下，密度小的下降的幅度比较大，而且下降的趋势比较明 显。目前对振动流化床床层均一性的研究还比较少。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 靳海波 1 4 1 等对振动流化床床层膨胀和颗粒的起始流化速度进行了研 究，发现随着振动频率的增加，床层膨胀率随着气速的增加明显呈增加趋 势；在无气体流过时，床层膨胀率随着振动频率的增加而减少，当达到临 界频率时，又随着振动强度的增加而增加。振动可使床层的空隙率有明显 降低，同时还将振动能量输入床层的颗粒，在这两种因素的作用下，降低 了颗粒的起始流化速度，从而提前达到流化状态。 c n a m 等【l 习对粒径1 2n m 的硅颗粒辅以振动流化，发现振动频率在 3 0 - 2 0 0h z ，振动加速度在0 - 5g 范围内可以实现平稳流化。最小流化速度 约为o 3 o 4 锄s 一，且观察不到气泡和扬析产生。同时应用分形的方法对 聚团的大小和空隙率进行了预测。 y o s h i h i d em a w a t a r i 等“日应用e r g u n 公式，得出计算最小流化速度的公 式： - s o 孚为扎，s 等鲁七k 以( 1 - - ) 并定义振动强度指数爿= 4 口矽蚀。研究表明，随着振动强度的增加，最小 流化速度显著降低，床层空隙率略有下降。振动强度较小时，实验得出的 最小流化速度与计算值存在差异，原因在于c 类颗粒形成聚团致使其表观 直径增大。当振动强度增大，聚团破碎，二者差异减小。聚团尺寸难以测 量，仅由计算得出，因此已知聚团尺寸即可预测c 类颗粒的最小流化速度。 k ，n o d a 等【l r l 考察了压力对粒径6 “m 玻璃珠漉化行为的影晚。表明， 减压下振动加速度较低时即可平稳流化，且振动加速度对流动形态影响较 小。 1 3 超缅颗粒流化模型的研究进展 c h i r o n e 等和c h i r o n e & r u s s o 曾提出两个声场流态化的模型，此二模型 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 在描述c 类颗粒添加声场对流化过程的影响方面有相似之处。两模型均假 定颗粒在范德华力的作用下粘结形成大聚团，当添加声场后颗粒所受外力 超过颗粒间力时聚团解体。二者的不同点在于，前者( 即声场流态化模型) 粗略的假设颗粒相互粘结形成坚实体，而后者( 即大聚团d , 聚团振荡模型) 则认为弹性力明显存在于颗粒接触点。根据c h i r o n e 等人的研究，一定频率 下声场改善流化状况归因于声波促使大聚团分散成为小聚团，外力和分子 问力在聚团解体过程中起了重要作用。忽略分别由最小流化速度和终端速 度得出的小聚团尺寸的残余项，可估计出小聚团的平均尺寸约为催化剂颗 粒尺寸的1 5 3 0 倍。小聚团尺寸和频率在达到均匀流化的频率范围内无线 性关系。这是声场流化模型无法解释的。大聚团小聚团振荡模型给出的小 聚团尺寸与频率曲线与实验中由最小流化速度和终端速度得出的结论趋势 相同。 在磁场的作用下，颗粒间的受力较复杂。吕秀菊等【l 明研究表明轴向磁 流化床( m f b ) 中颗粒受到四种力的作用：重力、流体浮力、流体对颗粒 曳力、磁场力( 磁性颗粒间作用力) 。颗粒在四种力的相互作用下，所受 净外力为零时实现磁性稳定悬浮，即m s f b 操作状态，此时磁场对床层不 施加净外力。图1 3 示出轴向磁场作用下单个颗粒的受力情况。在均匀磁场 中受磁感应的颗粒群形成链状排列，称为磁链。轴向磁场中磁链方向与流 体流向平行，轴向磁场在流动方向上对颗粒曳力最小。在径向磁流化床中， 径向磁场磁链与流体流向垂直，颗粒受到流体曳力作用具有旋转趋势。 朱庆山等【伸】通过对磁流化床中气泡顶部针状结构的受力分析，认为针 状结构共受五个力：磁场力e r , h ( h 4 , k 、重力b = 成g ( 1 一廊，、 浮力0 = p ，衫、气泡对针状结构的作用力e = 一兰几积和曳力 。 乃= - p g t - ；，根据床层内存在最大稳定气泡尺寸的临界条件 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 f i 矗咄。= o 得出磁控流化床中操作条件与磁场强度之间的关系： 一硼啦一t i a b 一+ p , g ( 1 8 汩： 一矿f 蛋口：一蹦碡。一p a 蚤帮：= o ( 1 国 并推导出强磁场下铁磁性物质发生凝聚的无因次判别准数： 肘一= 了p , h 万2 x ，当地大于2 时，铁磁性物质将会发生凝聚。 图l - 3 颗粒在轴向磁场中受力情况 ，o 一重力：，h 磁场力；，；曳力；，b 浮力 值得指出的是，磁场作用下c 类颗粒所受各种力尚无准确的计算公式， 应该采用不同粒径和密度的c 类颗粒研究其在磁场中受力状况，建立通用 的受力表达式。 1 4 对已有研究的评价及前景展望 研究表明，在c 类颗粒流化过程中添加外场可以降低最小流化速度， 减小沟流和节涌的发生，有效改善颗粒的流化质量，拓展流化床的操作范 围。 目前对于c 类颗粒磁场流态化的研究已经比较深入，包括床层流化状 况的分析，颗粒的受力情况以及流化模型的建立，但是研究者的模型只适 用于特定的研究范围，通用性较差。对于c 类颗粒的声场及振动场流态化 的研究相对较少，多局限于实验方面和对实验现象的初步解释，对于流化 机理和模型的研究还未见有报道。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 基于现有的研究成果，可从以下几个方面对超细颗粒外场流态化开展 研究： ( 1 ) 对于c 类颗粒与磁性介质混合磁场流态化的研究尚无报导，此种情 况颗粒的受力、流化模型均与单独流化c 类磁性颗粒不同，不能简单应用 现有的研究结果进行计算，应重新建立模型。此外，各位研究者的研究结 果仅适用于特定的条件，通用性较差，同时流化床放大效应使结果的适用 范围受限。急需对具有一定通用价值的流化模型进行研究。 ( 2 ) 磁流化床应用于工业尚遇到问题：磁流化床传热能力不足，制约了 热敏性物质的流化。此外，若工业生产中的实际温度超过铁磁性物质居里 点，铁磁性物质将不再具有磁性，也无法进行磁流化操作1 9 1 。因此，优化 磁流化床的传热性能急需加强。 ( 3 ) 对于声场和振动场流态化的研究目前还处于起步阶段。目前声场流 态化局限于声波频率和声压级二者对流化状况的影响，尚未有对声波的波 形、传递距离、通过床层后能量衰减情况、能量作用方式、破碎气泡的机 理等方面的研究。振动场流态化局限于振幅和振动加速度对流化状况的影 响，对于振动场的加入角度、加入方式，加入时间等方面的研究较少。此 外，对于这两种外场中颗粒受力分析、流化模型的研究尚需进一步深入。 ( 4 ) 国内外对于超细颗粒塌落行为的研究还很少，只是局限于试验现象 的描述，没有对实验方法和实验机理进行深入的分析，因此有必要作进一 步的研究和完善。 ( 5 ) 对于声磁复合场流态化的研究国内外尚未见报道，属气固流态化 工程的学科前沿。 1 5 本文研究内容及创新点 本论文在对相关文献分析的基础上，依托山东省自然科学基金重点项 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 目( z 2 0 0 3 8 0 4 ) 磁流化床超细颗粒新型干法包裹机理的研究和教育部留 学回国人员科研启动基金( 2 0 0 4 5 2 7 ) ，对超细颗粒采用外加声场以及声磁复 合场两种方法改善其流化质量，消除沟流、节涌，减小聚团尺寸，实现超 细颗粒类似g e l d a r t a 类颗粒的流态化。 实验以二氧化硅( s i 0 2 ) 为主体颗粒，四氧化三铁( f e 3 0 4 ) 为客体颗 粒，在内径为5 61 1 1 1 1 1 的玻璃流化床中，对主客体颗粒质量配比关系、声压 级、声场频率、磁感应强度等关键操作参数进行考察，并对未添加外场时 超细颗粒的流化行为进行研究，对比及验证声磁复合场对超细颗粒流化质 量改善的效果。 对于c 类颗粒与磁性介质混合声磁复合场流态化的研究尚未见报道， 此种情况颗粒的受力、流化模型均与单独流化c 类颞粒不同。本论文在对 声磁复合场流化床中的团聚体进行能量分析的基础上，建立了相应的能量 平衡模型，同时提出了团聚体破碎的理论以及判定依据。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双组分超细颗粒声场流态化 第2 章双组分超细颗粒声场流态化 2 1 概述 改善超细颗粒流化性能的方法有很多，归纳起来可分为两大类：一类 是采用添加较大的颗粒来改善粉体结构特性以改善其流化质量；另一类则 是向流化床引入各种力场，如振动场、磁场、声场等，利用附加能量来削 弱粒子间的粘附，以达到改善超细颗粒流化质量的目的。声波的引入可以 有效地削弱粒子间的粘附，减小聚团尺寸，改善纳米颗粒的流化质量。同 时，声波还具有强化气固接触效率，不受颗粒物性限制，可以采用辐射方 式引入流化床而不需要内部构件等优点。实验以各种二氧化硅( s i 0 2 ) 为 主客体颗粒，四氧化三铁( f e 3 0 4 ) 为客体颗粒，重点考察主客体颗粒质量 比例、粒度、声场频率、声压级等操作参数对超细颗粒流化行为的影响， 并对混合体系进行了床层塌落实验，对其塌落行为进行初步的探索。 2 2 实验装置 超细颗粒声场流态化实验装置如图2 1 所示。该装置包括供气和流量 测量系统、流化床主体、声场发生和测量系统及压降测量系统四个部分。 供气和流量测量系统采用罗茨鼓风机对流化床进行供气，气源为常温 常压下的空气。根据实验所需气流流量分别应用l z b - 4 、l z b 1 0 、l z b 1 5 及l z b - 2 5 型玻璃转子流量计计量。 流化床主体由玻璃制成，内径0 0 5 6m ，高1 6m ，流化床底部安装法兰 与基座进行密封，法兰和基座间设置橡胶圈加强密封效果。采用开孔率 1 o 、厚0 0 0 1m 的不锈钢板作为分布板，设置三层金属丝网保证布气均匀。 声波产生及测量系统采用w y l 6 0 3 型函数信号发生器产生特定频率和 声压级的声波信号，该声波信号经r 2 1 1 型功率放大器放大后送入置于流化 床顶部的y d l 6 6 - 2 4 型扬声器对床内颗粒产生作用。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双组分超细颗粒声场流态化 采用衡欣a z8 9 2 5 型分贝仪测量系统的声压级，声压级的测量在流态 化实验前进行，根据床层内颗粒高度将分贝仪置入流化床底部测量声波在 料面处的声压级。 采用u 型管压差计测量床层的压降，绘制床层压降曲线。 采用j y t - 1 0 型架盘药物天平称量物料。 双组分超细颗粒声场流态化实验设备来源见表2 1 。 表2 - 1 双组分超细颗粒声场流态化实验设备来源 设备名称 设备来源 罗茨鼓风机 玻璃转子流量计 w y l 6 0 3 型函数信号发生( 1 qm m ) 衡欣a z8 9 2 5 型分贝仪( 精度0 1d b ) 漫步者r 2 1 1 型功率放大器 j y t - 1 0 型架盘药物天平( 精确度1g ) 重庆通用机器厂 浙江红旗仪表厂 上海无仪电子设备有限公司 北京北方大河仪器仪表有限公司 北京爱德发高科技集团 上海医用激光仪器厂 2 3 实验原料 双组分超细颗粒声场流态化实验以各种纳米级二氧化硅为主体颗粒， 经研磨后的铁磁性颗粒四氧化三铁为客体颗粒。实验的物料性质见表2 - 2 。 表2 - 2 双组分超细颗粒声场流态化实验物料物性表 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双组分超细颗粒声场流态化 图2 - 1声场流态化实验装置流程图 a 空气压缩机b 缓冲罐、干燥器c 转子流量计正玻璃流化床及料面 e 扬声器功率放大器吕函数信号发生器h u 型管压差计 2 4 实验结果与讨论 2 4 1 流化质量的评定 流化质量是指流化床均匀的程度，即气体分布和气固接触的均匀程度。 流化质量不高对流化床的传热、传质及化学反应过程都非常不利。聚式流 化床中影响流化质量的因素很多，其中包括设备因素( 高径比、直径、床 层高、分布板等) 、流固密度差、固相物性( m 即粘附性) 及流体物性( p 及u 等) 。流化床中空穴的存在造成流化床内生的不稳定性、从而导致沟流、 节涌，引起流化质量不高。 提高流化质量可从以下几方面入手： ( 1 ) 分布板应有足够的流动阻力 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双组分超细颗粒声场流态化 在流化床中，分布板的作用除了支撑固体颗粒、防止漏料外，还有分 散气流使气体得到均匀分布。但一般分布板对气体分布的影响通常只局限 在分布板上方不超过0 5m 的区域内，床层高度超过o 5m 时，必须采取其 它措施，改善流化质量。 ( 2 ) 设备内部构件 在床层中设置某种内部构件以后，能够抑制气泡长大并破碎大气泡，从 而改善气体在床层中的停留时间分布、减少气体返混和强化两相间的接触。 ( 3 ) 引入外场 通过添加外场，如磁场、声场、振动场等，利用附加能量来削弱粒子 问的粘附，以达到改善超细颗粒流化质量目的。 ( 4 ) 对颗粒进行表面改性 根据颗粒的性质进行颗粒表面改性，采用添加颗粒或表面包裹的方法对 颗粒进行改性，以此来改善超细颗粒的流化质量。 2 4 2 临界流化速度 临界流化速度是流化床技术中重要的参数之一，它既可以反映床层流 化特性，也可以反映床内传热、传质的优劣。 临界流化速度刚是用降速法所得的流化床区压降曲线与固定床区压降 曲线的交点来确定的。在双对数坐标纸上将测得的数据点分别在流化床区 和固定床区进行线性关联( 不考虑过渡区内数据) ，两直线的交点即为临界 流化点，其对应的横坐标即为临界流化速度u r n f , 用升速法所得的曲线由于 体系的迟滞效应而带任意性，因而不宜使用。 对临界流化现象最基本的理论解释应该是：当向上运动的流体对固体 颗粒所产生的曳力等于颗粒重力时，床层开始流化。如果不考虑流体和颗 粒与壁面之间的摩擦力，则根据静力分析，床层压降( 与床层截面积的乘 积) 全部转化为对颗粒的曳力，即 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章双组分超细颗粒声场流态化 ( 床层压降) ( 床层截面积) = ( 床层总重量) = ( 床层体积) 【( 固体颗粒分率) ( 固体颗粒密度) + ( 流体分率) ( 流体密度) 】( 重力加速度) a ，彳。= 形i2 h 可彳。【( 1 一占一) p ，g + 6 矽p ，g 】( 2 - 1 ) 经简化得临界流化条件为： a ，= 日可【( 1 一g 町) p ，+ 占可p ，】g ( 2 - 2 ) 将( 2 2 ) 式与包括了颗粒的球形度的原始的e r g u a 公式联立求解，可 得出u 耐的二次方程： 接c 等卑2 + 等手c 号幽= 生等业q 3 w 两和y u ( 1 9 6 6 ) 发现，对各种不同的系统均有如下近似关系式成立： 乓。1 4 ( 2 - 4 a ) 由，s 砑1 - 8 , , 川 2 舶 代入式( 2 3 ) 求得 等乎- 【c ：生气乒玛7 吧 q 渤 或r e _ = 【c + c2 a r c 。 ( 2 - 5 b ) 式中c 1 = 3 3 7 ，c 2 = 0 0 4 0 8 。该式适用于全部雷诺数范围。 对于雷诺数较低的情况，e r g u n 公式中粘度损失项( 第一项) 占主导， 其动能损失项( 第二项) 可以忽略；对于雷诺数较高的情况，粘度损失项 可以忽略，仅需考虑动能损失项。按与上述相同的