（化学工程专业论文）振动流化床中纳米颗粒的流态化行为.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 在传统流化床中考察了黏性纳米s i 0 2 、z n o 、t i 0 2 颗粒的流化性 能，由于颗粒所特有的物理性质与表面性质，研究发现三种纳米颗粒 在低表观气速下易形成活塞和沟流。随表观气速的增加，床内鼓泡加 剧，活塞与沟流消失，床中均出现分层现象，扬析严重，流化效果较 差。 三种颗粒在振动流化床中均出现平衡压降高于床层重力产生的 压降的现象。振动有效地减小了聚团尺寸，提高了床层的气含率，明 显改善了流化效果。恒定振幅( 3 r a m ) 下，振动频率的增加可显著降 低纳米颗粒的最小流化速度。与无振动时相比，频率为4 0 h z 时纳米 s i 0 2 的最小流化速度可降低5 0 ；而恒定频率( 4 0 h z ) 下，振幅的 变化对最小流化速度的影响并不是很大。不同高径比下s i 0 2 物料流 态化实验表明，初始颗粒床层高度对颗粒流化性能有较大影响。当床 径为一定值( 4 0 m m ) 时，初始床层越高，振动波传播受到的阻碍越 大，振动效果越不明显。本实验中，h o d = l 时，纳米s i 0 2 的流化效 果最好。振动和气速协同作用可以有效地抑制气泡的形成与合并。低 气速、高振动频率或高气速、低振动频率都可以获得好的流化效果。 与振动频率、振幅和气速相比，流化次数对黏性颗粒的流态化影响相 对较微弱，由于在二次流化后形成相对较为稳定的聚团，故颗粒床流 化性能基本上不再随流化次数的增加而发生较大改变。 基于e r g u n 方程和r i c h a r d s o n - z a k i 方程定义了两种聚团直径一 一最小流化速度聚团直径和终端速度聚团直径。通过计算，对黏性纳 米聚团的减小进行了证实，并据此对聚团的合并与破碎进行了分析。 计算结果与实验值一致。 关键词纳米颗粒，流态化，振动流化床，聚团，聚团直径 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eb e h a v i o ro fd i f f e r e n tc o h e s i v en a n o p a r t i c l e sw a si n v e s t i g a t e di n t h ec o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d i tw a sf o u n dt h a ts l u g sa n dc h a n n e l sw e r e f o r m e df i r s t l yu n d e rl o ws u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yd u et ot h es p e c i f i c p h y s i c a l a n ds u r f i c i a l p r o p e r t i e s o fp a r t i c l e 晰t h i n c r e a s i n g t h e s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , s l u g sa n dc h a n n e l sv a n i s h e d ，w h i l s tt h eb u b b l i n g i nb e dw a si n t e n s i f i e do b v i o u s l y , a n dt h e r ee x i s t e dad i s t r i b u t i o no f a g g l o m e r a t es i z e s ，n a m e l y , t h ea g g l o m e r a t e ss i z e sw e r es m a l li nt h eu p p e r z o n ea n dl a r g ei nt h el o w e rz o n e b e c a u s eo ft h es e v e r ee n t r a i n m e n t ，t h e f l u i d i z a t i o na b i l i t yw a sp o o r v i b r a t i o n si m p o s e do ng a s - - f l u i d i z e db e d so fn a n o - p a r t i c l e sc a u s e d i n c r e a s ei ne q u i l i b r i u mp r e s s u r ed r o p ，a n di m p r o v e df l u i d i z a t i o nq u a l i t y o b v i o u s l yw i t he f f e c t i v e l yr e d u c t i o no fa g g l o m e r a t es i z ea sw e l la sl o o s e r b e dl a y e r a tc e r t a i na m p l i t u d e ( 3 m m ) o fv i b r a t i o n sa p p l i e d ，t h em i n i m u m f l u i d i z a t i o nv e l o c i t yd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n gv i b r a t i o n f r e q u e n c y c o m p a r i n gt ot h ef l u i d i z a t i o nw i t h o u tv i b r a t i o n ，t h em i n i m u m f l u i d i z a t i o nv e l o c i t yo fs i 0 2u n d e rv i b r a t i o ni nt h i ss t u d yc o u l db e r e d u c e db y5 0 ；w h i l et h em i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yw a sn e a r l y i n d e p e n d e n to f v i b r a t i o na m p l i t u d ea ta l m o s tc o n s t a n tf r e q u e n c yo fa b o u t 4 0 h z e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tap r o p e ro r i g i n a lb e dh e i g h to f n a n o p a r t i c l e sw i t hac o n s t a n tb e dd i a m e t e r ( 4 0 m m ) c o n t r i b u t e d t ob e a e r f l u i d i z a t i o n q u a l i t yw h i c hc o u l db e o b t a i n e da th 0 d = lf o rs i 0 2 n a n o - p a r t i c l e s f u r t h e r , c o m b i n a t i o n s o fh i g hg a sv e l o c i t ya n dl o w v i b r a t i o nf r e q u e n c ya sw e l la sh i g hv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dl o wg a s v e l o c i t ya s s u r e dt w od o m a i n sw i t hf a v o r a b l ec o n d i t i o n st op e r f o r ms t a b l e f l u i d i z a t i o n i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to ff l u i d i z a t i o nt i m e so n f l u i d i z a t i o nb e h a v i o rw a sr e l a t i v e l ys m a l lc o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rt h r e e p a r a m e t e r s ( v i b r a t i o nf r e q u e n c y ，a m p l i t u d e ，g a s v e l o c i t y ) t h e a g g l o m e r a t e ss i z e sw e r er e l a t i v e l ys t a b l ea f t e rt h es e c o n df l u i d i z a t i o n c o m b i n i n g t h ee r g u na n dt h er i c h a r d s o n - z a k ie q u a t i o n s ，t w ot y p e s o f a g g l o m e r a t es i z e ，n a m e l ya g g l o m e r a t e s i z ea tt h em i n i m u m f l u i d i z a t i o nv e l o c i t ya n da g g l o m e r a t es i z ea tt h et e r m i n a lf l u i d i z a t i o n v e l o c i t y , h a v eb e e nc a l c u l a t e dt oc o n f i r mt h er e d u c t i o no fa g g l o m e r a t e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i z e t h ep r o b a b i l i t yo fa g g l o m e r a t ec o a l e s c e n c ea n db r e a k u ph a sb e e n a n a l y z e d t h ec a l c u l a t e dv a l u e sw e r ei na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s k e yw o r d s n a n o - p a r t i c l e s ，f l u i d i z a t i o n ，v i b r o f l u i d i z e d b e d ， a g g l o m e r a t e ，a g g l o m e r a t es i z e i i i 中南大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 彳 振幅，r n l t l 或体积当量直径，m 吃聚团直径，m 丸 终端速度下的聚团直径，m 最小流化速度下的聚团直径，m 厂 振动频率，h z g 重力加速度，m s 2 跖 有效重力加速度，n l s 2 g 耐平均有效重力加速度，r i d s 2 h 床高，c m 初始床高，c m 日床高，1 1 1 m 颗粒床质量，k g 疗散式化指数，无因次 平衡压降，p a a p 床层压降，p a s 流化床横截面积，m ? 甜表观气速，m s 沟流破碎的低限气速，r i d s “。表观气速，m s 坼聚团终端速度，m s 占 聚团周围的床层空隙率，无因次 岛床层空隙率，无因次 “咖时的床层空隙率，无因次 岛聚团周围的初始床层空隙率，无因次 靠疗最小流化速度下的s ，无因次 ，流体粘度，p a s 以流化气体粘度，p a s 见聚团密度，k g m 3 p ，流体密度，k g m 3 &流化气体密度，k g m 3 国 角速度( 2 x7 r ) ，r a d i a n s s 5 9 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：叠空堑垦 日期：二丝巫年j 之月1 2 竺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：童业年里月堑日 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 1 1 引言 第一章实验背景和文献综述 流态化现象是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层而使得固体颗粒 具有一般流体的性质的现象【i j 。根据所使用的流体的不同，流态化现象可分为三 种类型：气固流态化、液固流态化、气液固三相流态化。当流体流动带给颗粒的 曳力平衡颗粒的重力时，固体颗粒就被悬浮而进入流化状态。处于流化态的物料 具有许多流体的性质如：很好的流动性、低粘度、很小的剪切应力、传递压力的 能力、对浸没物的浮力等。相对于固定床和移动床而言，流化床具有如下优点： ( 1 ) 流固相界面积大，有利于非均相反应的进行；( 2 ) 颗粒混合激烈，全床内 的温度和浓度均匀一致，全床热容量大，热稳定性高；( 3 ) 具有类似流体的性质， 可大量引入、移出，并可在两流化床间大量循环，使得反应一再生、吸热放热、 正反应逆反应等过程得以实现；( 4 ) 流体与颗粒间传热、传质速率也较其他接 触方式高；( 5 ) 操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低， 符合现代化大生产的需要。 随流体速度和床层空隙率的增大，流化床中的流体力学流型大致可分为：固 定床、散式床、鼓泡床、节涌床、湍动床、快速流化床和气力输送。由于多相流 的复杂性以及对颗粒间微观作用机理认识的不足，难以精确区分不同的流化阶 段，目前主要采用对流化床中气泡行为的研究以及床层压力波动信号分析的方法 来确定。近年来对流态化的研究集中在新型反应器的开发设计和模型放大以及应 用研究等方面，其中循环流化床、快速流化床、喷动床、外力场作用床等由于具 有良好的工业应用前景而吸引了众多研究人员的关注。 近代固体流态化技术在工程中作为一种重要的流固相间的物理操作( 如干 燥、掺混分级、吸附、包涂等) 或化学操作( 如催化合成、裂解、氧化、氯化等) 的技术被广泛采用，典型操作过程及应用如表1 1 。 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 表1 - 1 流态化典型操作过程及应用 目前，传统流化床以及a 、b 类颗粒流态化的研究己较为成熟，由于流化床 的特点和其局限性，新型流化床反应器的设计开发与工业放大成为流态化的研究 重点。近年来，纳米颗粒由于具有表面与界面效应、量子尺寸效应、体积效应和 宏观量子隧道效应以及高透明度、高分散性等特点，在化学、光学、生物和电学 等方面表现出许多独特的物理和化学性能，为现代工业带来了巨大的变革。对纳 米颗粒需求量的逐渐增大，使得在许多工业领域中都需要对其进行混合、表面处 理、输送等大量处理【l6 j ，吸引了众多科学工作者的关注，为流态化技术的发展 开辟了新的领域。 1 2 气固流化质量的预测和评价 气固流态化一般分为聚式流态化和散式流态化【1 7 】。聚式流态化的特征是体 系中存在气泡和聚团，颗粒在流体中分布不均匀；散式流态化的特征是体系中不 存在气泡与聚团，颗粒在流体中均匀分散，如图l l 所示。气泡与聚团尺寸越小， 则各自在气体与颗粒中所占的比率越小，越接近于散式流态化，其流化质量越好。 所谓预测是指在已知气体与颗粒的物性参数以及流化床操作条件的情况下， 不需通过实验考察，而经计算或者查阅图表所得的某些数据，即可预知该体系的 流态质量【l 引。 2 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 琴辘- l 话“- - o - _ ：4 1 n o 。o 。毛j 0 0 蒋 褥簿酱r 宙j ， ( a ) 聚式流化 1 2 1 准数判据 气泡 颗粒 聚团 图1 1 气固流态化类型 ( b ) 散式流化 为了预测流体- 颗粒体系的流化质量，w i l h e l m 和k w a u k ( 郭慕孙) i t q 在1 9 4 8 年提出用最小流态化速度u l l l f 为特征速度的f r o u d e 准数f r m f 来区分聚式和散式流 态化： 2 薏2 ， 当f r m f 2 0 ) 生：1 6 5 0 ( 1 _ 4 ) r e j ， 、7 at：1650+245re形(1-5)re , ” 式中右端的( 旦丑) 项代表颗粒与流体密度的影响，给出的判据值如下： p l 散式流态化0 d n 1 0 4 ( i - 6 ) 过渡流态化1 0 4 1 0 6 ( i - 8 ) 1 2 2 颗粒特性判据 颗粒特性判据中应用较广的是由g e l d a r t 在1 9 7 3 年提出的判据【2 4 j ，即将颗 粒按其流化质量分为a 、b 、c 、d 四类，并根据颗粒的尺寸和密度做出了以密 度差( p 。一p ，) 为纵坐标，以颗粒表面积体积平均直径为横坐标的分类图，如 图1 2 所示。对不同的颗粒根据其所属的类别即可判断出其流化性质的好坏。 a 类颗粒称为细颗粒或可充气颗粒，一般尺寸较小( 3 0 1 0 0 1 a m ) ，表观密度 较低( 小于1 4 卧m 3 ) ，如某些裂化催化剂。此类颗粒在流化时，初始鼓泡速度 要明显高于初始流化速度，且床层在达到鼓泡点之前有明显膨胀，达到鼓泡流速 后颗粒会产生明显的循环，密相中的气固返混较严重，气泡相和密相之间气体交 换速度较高，气泡的破裂与合并频繁，流化质量较好。f c c ( 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，粒径一般在1 0 0 6 0 0 1 m a 的范围内，表观 密度大致在1 4g c m 3 , - - 4g e m 3 之间。此类颗粒的初始鼓泡速度与初始流化速度相 等。因此，气速一旦超过初始流化速度，床内就会出现两相，即气泡相和密相。 密相中气固返混较小，气泡相和密相之间气体交换速度也较低。气泡尺寸几乎与 颗粒粒度分布宽窄和平均粒度无关。砂粒是典型的b 类颗粒。 c 类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在2 0 岬以下。由于粒径很 小，颗粒间的作用力相对变大，故颗粒极易团聚。流化中极易产生沟流和节涌， 难以实现正常流化。颗粒的混合以及床层与表面的热传递非常差。 d 类颗粒属于过粗颗粒或喷动用颗粒。平均粒度一般在0 6 m m 以上。与a 、 4 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 b 类颗粒不同，气泡上升速度小于颗粒间的气体速度，因而有气体从气泡底部进 入，从气泡顶部穿出。该类颗粒流化时易产生极大气泡或节涌，使操作难以稳定。 由于颗粒间的动量较大，颗粒间的接触较少，所以不易形成颗粒的聚团，即使相 对黏性较大的物料也可以实现流态化。玉米、小麦颗粒等均属这类颗粒。 图1 2g e l d a r t 颗粒物料流态化分类图( 常温、常压、空气) 2 4 1 深入研究发现，g e l d a r t 分类也有一定的局限性，在对a 、c 类颗粒的预测 上有较大误差。g e l d a r t 等2 5 1 曾建议用h a u s n e r 比即敲装密度p b t 与松装密度p b a 之比来区分a 类和c 类物料，其判据为： a 类物料 c 类物料 堕 1 4 0 ( 1 一l o ) p k a c 过渡区物料1 2 5 鱼1 4 0 ( 1 1 1 ) p 嘶 1 3 气固流态化性能的表征与改善 目前，各种理论判据仅能定性预测给定气固体系的流态化类型( 聚式、散式、 过渡态) 以及颗粒物料的类别( a 、b 、c 、d ) ，要定量确定气固体系的流态化 质量则需通过实验测定。 对于g e l d a r tc 类颗粒而言，由于范德华力、静电引力以及液体桥联力的存 在，使得流化质量非常差，难以实现散式流态化，传统上认为这类颗粒不适用于 流化操作。根据流化床操作系统的特点，针对各个操作部分可将提高气固流化性 能的方法归纳为颗粒设计、内部构件和床型设计、流体设计、外力场法四类。 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 1 3 1 床层压降和床层膨胀曲线分析法 床层压降曲线法是分析流化质量简单而有效的方法，床层压降可由压力传 感器或压差计测出，压力传感器的压力波动信号幅度小而频率快者，流化质量好， 压力波动信号幅度大且频率低则流化质量差。曲线由不同流速对应不同压降作 出，通过增速压降和减速压降对比，若增速压降曲线低于减速压降曲线且两者偏 离较大则说明沟留与节涌严重，流化质量较差；反之若两者曲线相互靠近，且共 同靠近理想的压降曲线，则流化质量较好。 床层膨胀曲线可由不同的流速对应不同的膨胀体积而作出，床层膨胀大则说 明颗粒与气体生成的乳相越均匀，颗粒间滞留的非气泡气体越多，流化质量越好。 对理想散式流态化的膨胀方程有： “= u , e ” ( 1 1 2 ) 式中n 为散式膨胀的空隙率指数，可根据系统的雷诺数查出。根据其在对数 坐标图上偏离面积的大小，刘得金【2 6 】提出了床层整体非理想指数矗判据： 散式流态化矗s 0 2 聚式流态化f h 0 6 过渡状态0 2 矗 1 0 0 a b f p g a t 振动流化床( v f b ) 是把振动能量引入普通流化床从而改善流化质量的气固 流态化技术，它所引起共振的频率代表了最大程度的床膨胀和混乱的激发频率 1 4 8 4 9 1 ，它可以在很低的流化气速下形成均匀的流化状态。在流化颗粒相中，振动 能的加入对于保持床的稳定性，维持流态化所需气体的体积有重要的作用。由于 颗粒的脉冲跳动，加强了气固、固固之间的接触，减少了粘结机会，所以提高了 传递速率，强化了生产过程。因此，振动流化床在较细的、粘度较大的、湿颗粒 的处理方面受到了广泛的关注【5 0 l 。 1 4 1 细颗粒振动流化床实验研究 近年来，由于粘性颗粒的处理在工业上应用较多，有关振动流化床对粘性颗 粒流化的研究受到越来越多的关注。振动尤其对粘性颗粒的流态化起着重要的作 用。 1 4 1 1 超细颗粒的振动流化性能 研究者对不同粒径的微米级超细颗粒的振动流态化做了考察，主要集中在床 层压降、最小流化速度、床层膨胀比、颗粒聚团、床层空隙率以及振动参数等方 面的研究，普遍认为，振动的加入有利于黏性颗粒的流态化，是改善流化效果的 一种有效手段。 m a w a t a r i 等【5 1 5 3 1 以平均粒径为6 、1 0 、2 0 、3 0 、6 0 、1 0 0 i t m 的球形玻璃珠为 流化原料进行了大量的研究。振动流化床的振幅和频率范围分别为肚1 5 m m 和 3 0 4 5 h z 。通过测量最小流化速度“耐、在“i n f 下的空隙率和床中的流动形式 发现c 类颗粒的u 。，随着振动强度的增加而减小，且随着粒径的增大这一趋势逐 渐减弱，打破沟流的表观低限气速也减小。振动可以破碎c 类颗粒聚团，减小 聚团尺寸，提高其流动性，床层的流动形式发生变化。小于2 0 p x n 的颗粒在振动 条件下床中无稳定的沟流和裂纹，气泡行为也发生了变化，观察不到沟流的低限 气速随振动强度人增加而降低的现象【5 l 】；基于e r g u n 方程的方法预测了振动流化 床中g e l d a r ta 类( 粒径为3 0 、6 0 、1 0 0 9 m ) 和c 类( 粒径为6 和1 0 t t m ) 颗粒 的最小流化速度【5 2 】。对比计算结果与实验数据( 不同粒径下，最小流化速度u 。， 对人作图) 后发现：a 类颗粒的计算结果与实验数据有很好的一致性。而c 类 9 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 颗粒在较小的人下，由于聚团的形成导致计算结果与实验数据有较大的出入。聚 团直径的确定成为较小的振动强度下预测c 类颗粒最小流化速度的关键；以平 均粒径为6 0 t x m 的球形玻璃珠为流化介质，在静床高度为6 5 m m 下用降低和增 加气速法划分了有利的振动流化区域【5 3 1 。研究发现：上升气速法的间歇性沟流 破碎的气速上限要高于下降气速法的。认为振动可以间歇性的消除稳定沟流，促 进流化气体在床中的分布。t a t e r n o t o 等【5 4 , 5 5 】首先以被认为没有团聚作用的g e l d a r t b 类颗粒作为流化介质，研究了振动流化床中非黏性颗粒的运动。通过改变振动 方向( 垂直与水平) 和振动参数( 频率与振幅) 发现：在垂直振动下，床层中出 现振动裂缝( 定义为由振动引起的颗粒床与柱壁间的裂缝) 引起的大气泡。水平 振动下，由于振动裂缝起了沟流的作用，颗粒床层很难在振动强度高但振动频率 较低的情况下流化且振动对颗粒床层的压强损失影响较大。在同一振动强度下增 加振动频率时，振动对颗粒运动的作用变得很小。为了进一步研究黏性颗粒在 v f b 中的运动，同时考虑到计算时间较长和黏性颗粒较难处理的因素，仍然使 用直径为1 0 m m 的大颗粒作为流化对象，但作了如下处理：计算中重力与范德 华力之比用6 0 9 m 细颗粒的来进行计算。这样范德华力对黏性颗粒运动的作用在 计算中得以表达。研究发现：在振动的作用下，床顶部颗粒运动剧烈，随着振动 裂缝的增加，振动对黏性颗粒的作用变大。也就是同一振动强度下低频振动或者 同一振动频率下高振动强度促进床的流化。 w a n g 4 9 】等用平均粒径3 8 2 1 a m ，松装密度为8 6 6 k g c m 3 的f c c 做实验原料。 静床高度为8 0 0 m m ( 定义为完全鼓泡流化后关掉气速使床自然塌落，在塌落过 程中恒定2 m i n 的床高) ，振动频率范围为0 - 5 0 h z 。实验研究了在不同气速下， 振幅、床层膨胀和分布板作用于流化床的力随所加振动频率改变的变化情况。结 果表明：振动流化床系统中存在着两个共振频率，分别由振动基和流化床的弹性 所产生。随着振动频率的变化，作用于流化床上的力的变化与振幅的变化相一致。 气速低于2 1 0 m m s 时，最小稳定操作频率可近似为流化床共振频率：当气速高 于2 1 0 m m s 时为振动基共振频率。n o d a 5 6 】在常压和低气压下研究了6 9 m 的玻璃 珠颗粒在振动床中的流化行为。定义无因次振动加速度： 一， t c 、2 人= 竺兰竺上用以表示振动强度。 g 研究表明：流化原料在振动条件下能获得相对稳定的流化态。低压下，由于 颗粒床层空隙率及流动形式的缘故，在低振动加速度下可以得到更为有效的流 化。随着人的增加，两种气压下( 常压、低压) 都出现了最小流化速度的改变。 b a r l e t t a 等【5 7 】所研究的振动参数是峰值加速度和频率，旨在理解振动在流化床中 的传播机理。以平均沙得直径为7 7 p m 的f c c 颗粒为流化介质，该介质在5 8 到 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 1 0 9 1 x r n 之间的粒度分布为8 0 。流态化实验表明随着床高特别是流化条件的变 化，最为显著的变化是床层的最大膨胀，床重力压降与典型振动流化下的测量压 降的偏差度和起始鼓泡条件。x u 等【5 副使用舢2 0 3 ( 4 8 0 m ) ，t i 0 2 ( 5 2 1 a m ) ， c a c 0 3 ( 5 5 p m ) 和玻璃珠( 平均粒径为6 1 ，1 0 ，3 9 ，6 5 和2 1 6 9 m ) 为流化介质， 所用振动频率在0 5 0 h z 间变化，振幅0 3 m m ( 根据所用频率而定) ，振动角度 在0 - - 9 0 。之间可调。研究表明振动对流化的改善作用主要依靠所使用的原生颗 粒的性质( 颗粒类型，尺寸分布和形状) 和振动参数( 频率，振幅，角度) 。振 动对c 类或更小颗粒的作用比a 、b 类或更大颗粒更为显著。细颗粒流化时，通 过研究机械振动对床层空隙率、压强降、团聚和颗粒床层张力的作用发现，振动 可显著减小床中聚团的平均尺寸和分级而改善粘性颗粒的流化质量。研究认为， 振动参数对细颗粒的流化影响较大。低振动强度下，随人增加( 通过增加振幅或 频率) ，u 。，减小。但当振动强度接近某一临界值时，u 。，较为稳定。研究证明 了振动效果受振动角度或振动方向的影响很大。在0 。时效果最好( 水平振动) ， 在9 0 。时效果最差( 垂直振动) 。 1 4 1 2 纳米颗粒的振动流化性能 纳米颗粒之间存在较大的分子引力、静电作用力以及液体桥力，在传统流化 床中表现为活塞流、沟流、节涌、大聚团等不良流化现象，流化性能很差。目前， 通过对纳米颗粒在振动流化床中的特性研究，研究者得出的普遍结论是：振动可 以有效的抑制沟流、破碎活塞、克服颗粒间作用力，是促进聚团散式流态化 ( a p f ) 、改善黏性颗粒流化的有效手段。 v a l v e r d e 等【5 9 】在振动流化床( v f b ) 中的实验表明：增加有效加速度可以改 进流化质量，提出了一个测量聚团尺寸的标准并结合修正了的r i c h a r d s o n - z a k i 方程来预测在振动聚团散式流化( a p f ) 床中增加重力加速度的作用。假设聚团 的不规则碎片形维度不变而只是尺寸有所改变。从聚团形成的新的动力学角度分 析可知，当瞬时加速度g ( t ) 大于重力加速度9 0 时聚团逐渐变小，反之聚团会重 组且在一些临界加速度处形成了可见的气泡。聚团尺寸和聚团体积分数随有 效加速度增加而减小，并证明了聚团的尺寸不能被无限减小，颗粒聚团是均一流 化态必不可少的。研究认为床膨胀的物理机理是增加的有效重力加速度导致的聚 团尺寸减小。实验结果说明机械振动产生气泡的机理与非振动流化床中大气速下 起始鼓泡的机理密切相关。在临界有效加速度下，a p f 区域出现可见气泡和床层 膨胀。空穴破裂和合并动力学平衡抑制了大气泡的形成。但在临界振幅下这一平 衡向合并成大气泡的方向移动1 6 0 l 。n a m 等【6 l 】使1 2 n m s i 0 2 在充气振动且忽略扬析 的情况下以稳定多孔的聚团形式实现了平稳均一的流化。实验认为振动( 频率 3 0 2 0 0 h z ，振动加速度0 5 9 ) 在流化开始时破坏了颗粒间的网状结构，是实现 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 平稳流化必不可少的条件并得出最小流化速度约为0 3 o 4 c m s 且本质上与振动 加速度无关。研究过程中发现：通入气体后床层立刻膨胀，可达原始床层高度的 三倍或更多。气速远小于最小流化速度时流化床可呈现出类流体行为。研究后提 出一个结合修正r i c h a r d s o n z a k i 方程的不规则碎片形分析方法用以预测聚团尺 寸和床层空隙率。m a r r i n g 等【6 2 】研究不同振幅和频率下，振动对马铃薯淀粉颗粒 流化质量的作用。通过三维曲线图表明了作为表观流化气速函数的流化指数和无 因次振动强度的变化，说明了流化质量的改善。实验条件下确定了振动强度和流 化气速的临界值。颗粒的黏性可通过改变其湿含量来实现。随颗粒黏性增加，流 化颗粒所需振动强度增大，表观气速也相应增大。h a k i m 掣6 3 j 在低压( 1 6 p a ) 振动下研究了烟气石、氧化锆、氧化铁纳米颗粒( 7 - - 4 0 n m ) 的流化特性。研究 发现聚团特性( 尺寸、密度) 而不是原生纳米颗粒特性为影响流化床最小流化速 度和床层膨胀的主要因素；外加的机械振动可减小聚团尺寸，改善流化质量，机 械振动对最小流化速度的作用明显大于压强的作用；高速激光映射系统表明了纳 米颗粒流化聚团尺寸随振动增加而减小。q u e v e d o 掣叫通过干燥两种不同的烟气 石纳米颗粒( a e r o s i l2 0 0 和a e r o s i l9 0 ) 研究了振动场的作用及振动对传质速率 的影响。控制气相中湿度得到的干燥曲线反映出了整个流化颗粒床在增湿过程中 湿度的增加和干燥所需时间的减少，从而说明了振动对流化的增强作用。通过对 纳米颗粒的进一步研列6 5 】，由颗粒吸附或者释放的湿含量可以表征气体和纳米 颗粒间的传质效率，据此对纳米颗粒聚团的流态化进行了定量表述。研究表明， 与传统流化床相比，振动流化床的传质效率要大。同时发现振动对于改善a p f 型a e r o s i l2 0 0 纳米颗粒的流化质量非常有效。 1 4 2 细颗粒振动流态化的模型研究 对于黏性较大的超细颗粒及纳米颗粒，传统流化床很难实现其流态化。振动 场作为一种有效的流化手段，有其自身独特的优点。振动的加入可以有效的破碎 沟流和聚团，大幅度减小聚团尺寸，并能消除活塞，从而使得物料在很低的气速 下即可实现流态化。还可在颗粒的工业化处理中有效的避免二次污染。因此，与 其他改善颗粒流态化的方法相比，振动流化床有着不可替代的优势。 1 4 2 1 振动对颗粒作用模型 l i m t 阳k u l 等【6 6 】基于l a 伊a 1 1 9 i a l l 颗粒运动方程建立了一个数学模型用以模拟 三维圆柱形振动流化床中的流体力学行为。这一模型主要包括颗粒运动方程和气 体运动方程，目的是研究流化床中振动对颗粒运动的作用。 1 4 2 1 1 颗粒运动方程 以尺寸相同的球形颗粒作为研究对象，根据牛顿第二运动定律，单一颗粒包 1 2 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 括平移和旋转两种运动类型。 平移运动方程如下： 面：一f 一(1134-g 1 3 ) 口5 一 ll 。j m 旋转运动方程如下： 面：一t ( 1 1 4 ) 国= 一 kl - l 斗， j 其中，云是平移加速度矢量；m 是颗粒质量；历是旋转加速度矢量；于是扭矩矢 量；，是惯性力距。 作用在颗粒上的合力户包括颗粒间的接触力五，颗粒的粘性力五d ，流体力 l d 4 f = 石+ 厶+ f o ( 1 - 1 5 ) 基于图1 4 所示的弹簧、减振器和滑动器的机械原理，并从颗粒物理特性中 获得了硬度参数，耗散系数，摩擦系数从而对两个球形颗粒间的接触力、黏性力、 流体力和振动力进行了确定。 ( 钟b ) ee 晔乒： 一j 一| 图1 - 4 内部构件示意图( a ) 颗粒位移，( b ) 法向和切向力 1 4 2 1 2 气相运动方程 气相运动可以通过e u l e r 方程进行预测，假设气体无粘滞性、无重力作用、 不可压缩。速度和压强在各个流动范围单元是平均的。 连续方程是： 丝+ v ( 锄：0( 1 1 6 ) 研 运动方程是： 蛳。孥 一 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 掣+ v ( 占沥) ：一旦+ z ( 1 - 1 7 ) 乱 、 。p “ 其中，历是气速；z 是在一个单元范围内颗粒对流体的作用力。 z ：生( 诈一百) p ( 1 - 1 8 ) 其中，哥。是一个流体单元范围内的局部平均颗粒速度矢量；是由e u l e r 方程推 导出来的。 流体运动与颗粒运动的解决是同步的。一旦两种运动得以解决，单一颗粒的 流体力就可由所得到的局部气体和颗粒的速度来计算。 1 4 2 2 振动流态化最小流化速度模型 w a n k 等6 7 1 发现细的b n 粉末结合成的较松的聚团在流化过程中依然存在于 床中。据此提出了一个力平衡模型用以导出预测最小流化速度的方程。包含的力 有：振动力、粘性力、重力、曳力。 推导基于一个共用的力平衡： 曳力= 颗粒重力 ( 1 1 9 ) 或者压降x 横截面积= 体积固体占的比率密度 ( 1 - 2 0 ) 粤= ( 1 一) ( 见一p g ) g ( 1 - 2 1 ) l 嘲 其中，瓴r 是最小流化下穿过床层的压强降，厶r 是最小流化下的床高，是 最小流化下的床空隙率，依是流化气体的密度，成是流化聚团的密度，g 是重 力加速度。 考虑到真空，方程( 1 2 1 ) 可以写成如下： 印形一 l 呵 一1 6c o s 2 c o s 丛 二! 二_ 二 4 5 。1 一时 一c o s 2 鱼笺生： 7 2 f i g ( 1 一句)“7 5 掣& ( 1 - 2 2 ) 气，3 吮吃1 聊 其中，是最小流化下的气速，吃是聚团直径，吮是聚团形状系数，伊是两聚 团间的粒间角，p 是流化床压强，从是气体粘度。 考虑气体在流化颗粒时不仅要克服其的重力，而且要克服颗粒间的粘性力。 故方程( 1 2 1 ) 中加入一个振动项和粘性项得： 粤：( 1 一) ( p o - p g ) g + 笋一( 1 一哳) ( 砂2 ) 成 ( 1 - 2 3 ) l m ll 喇 其中，瓦是单位面积黏性力，彳是振动的振幅，厂是振动频率。作用在聚团上 的振动力是通过振动电机作用于聚团上并使颗粒向上运动。黏性力可以应用到整 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 个床层表面且影响单个颗粒而不是聚团。 令方程( 1 2 2 ) 和( 1 - 2 3 ) 右边相等，除以( 1 一哳) ，乘以( 丸3 d 0 3 岛) ( 心2 ) ， 得到： 彳+ z i 6 亏f = 而矽a 3 d a 3 p g 一竺学= i 1 6 5c 。s 2 ( 咖2 九等 上c o s ( q , ) 盟 7 2 ( 1 一) 一并膨耐m 2 4 ， 其中：彳乞是聚团的阿基米德准数，尺，是聚团最小流化下雷诺准数。 定义粘性力数为： = 瓦e 矿o o a 丽( 1 - 2 5 ) 振动数为 ：华( 1 2 6 ) 通过表征气体的方程以及上述定义可以得出推导方程为： 5 c i r e a m 2 + - a r o 3 w x n c f - + 三等= 。m 2 7 ) 定义流化数或者为： 塾k n a 2 + 三等= ( 1 - 2 8 ) 肼数受温度，压强，颗粒直径，气体性质也即粘度和密度，为颗粒形状和尺寸 的函数的粘性力，振动的振幅和频率的影响。 因此，将方程( 1 - 2 7 ) 写成简单的二次方程为： 1 7 5 c j 尺r 2 + z 足e 。r 一五= 0 ( 1 2 9 ) 该方程可用来预测最小流化速度或者根据已有数据估测在最小流化下的聚 团尺寸，运用方程( 1 - 2 9 ) 可以求出雷诺数，根据已知数据求出最小流化速度约 为1 8 c r n s ，聚团尺寸测得为8 0 r t m 。 1 4 2 3 振动流态化聚团尺寸模型 颗粒以聚团还是原生颗粒的形式存在取决于粘性力( 范德华力) 和分隔力之 间的力平衡。m a w a t a r i 等t 1 6 1 建立了新模型来估算振动流化床中玻璃珠和氧化铝 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 颗粒的粘性粉末( g e l d a r tc 类粉末) 聚团尺寸的大小。 定义振动强度如下： 人：a ( 2 x f ) 2 g ( 1 3 0 ) 其中，g 为重力加速度。厂是振动频率，范围在3 0 - 5 4 h z ，a 是振幅，范围在 0 2 2 0 m m 。 1 4 2 3 1 粘性力( 范德华力) 范德华力f 。, n v 给出如下6 8 1 ： = 等( 彘卜 3 ， 其中，如，壳，皿，万分别是颗粒表面的粗糙度，l i f s h i t z 范德华常数，颗粒 硬度和颗粒表面距离。 1 4 2 3 2 分隔力( 重力，振动和气流) 振动条件下的表观重力忍可表达为： 弘詈吃3 ( 见一乃) ( g + g ) = 詈吃3 ( 成一p ) ( 1 + a ) g ( 1 - 3 2 ) 其中，吃，见，p ，g 分别是聚团尺寸，聚团密度，气体密度和重力加速度。 气流产生的剪切力被认为是克服粘性力的分隔力。气速为时，根据s t o k e 定律，层流区的曳力c 为： 乃= 3 掣吃“咖耋 ( 1 3 3 ) 其中，是气体粘度，u 是气速。颗粒在散式流化态下时， 占3 。8 与流型无关6 9 1 。 总的力平衡为： = e + 乃 ( 1 - 3 4 ) 器( 最卜7 7 3 训( a ) g 掣帆皖8 3 5 ， 假设聚团的空隙率乞与最小流化速度下床的空隙率相等7 0 1 ，即：乞- - e 矿。 则有聚团密度： 成= p p ( 1 一气，) ( 1 - 3 6 ) 其中，砟是原生颗粒密度。力平衡被认为发生在“出时，故方程( 1 3 6 ) 中的 由代替。聚团密度由下式来进行估测： 成= 砟( 1 一) ( 1 3 7 ) 通过将已测量的聚团尺寸【6 刀与这一模型计算值作比较，验证了其有效性。 1 6 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 w a n k 等【6 刀测量了在人= 2 5 ，甜- - 6 7 c m s 流化下的氮化硼颗粒聚团尺寸( b n ， d p = 5 1 1 t m ) ，报道了聚团尺寸从9 0 岬( 人2 ) 到7 0 岬( a = 5 ) 。而与此模型中 得出聚团尺寸的计算值从6 9 6 岬( 人= 2 ) 到5 8 5 岬( 人= 5 ) 相比，聚团尺寸的 计算值和实验值的一致性在2 5 内。因此，上述模型较为合理。 1 5 选题意义 近几年来对纳米颗粒流态化的实验研究逐渐增多，理论分析也逐渐深入，但 仍然存在以下几个问题： ( 1 ) 不同种类的纳米颗粒流化性能差异很大，甚至同种纳米颗粒不同的原 生粒径也表现出较大差异，