（化学工艺专业论文）粘性颗粒流态化的实验研究.pdf

摘要 粘性颗粒( 包括微细、超细或纳米颗粒) 由于比表面大，以及特有 的表面性质，其应用技术研究是当前世界上研究的热点，流态化技术就 是其中之一。粘性颗粒的粒径较小，颗粒间的粘附力较大，易形成自然 聚团和流态化聚团，一般条件下难于流化和输送。 粘性颗粒可以采用表面改性和外力场方法使其流态化。表面改性的 方法是对粘性颗粒的表面进行处理，即包覆一层其他物质来降低粘性颗 粒的粘性，使其不易产生团聚。外力场的方法是通过外力来破碎聚团。 实验测量了粘性颗粒的流化性能，结果表明，粘性颗粒是极端地难 于流化的。通过对表面改性后的粘性颗粒流态化实验发现，表面改性后 的粘性颗粒流化性能得到明显改善。 对非磁性粘性颗粒，通过添加磁性大颗粒在磁场流化床中进行流态 化，实验结果表明，添加磁性大颗粒能够改善非磁性粘性颗粒的流化性 能。磁性大颗粒添加量对非磁性粘性颗粒的最小流化速度有较大影响， 随磁性大颗粒添加量的增加，最小流化速度降低，但当磁性大颗粒添加 量增大到4 0 后，非磁性粘性颗粒和磁性大颗粒的混合物的最小流化速 度就不再降低。 关键词粘性颗粒，流态化，压力降，床膨胀高度 a b s t r a c t c o h e s i v ep a r t i c l e s ( i n c l u d i n gn a n o - p a r t i c l e sa n ds u p e r f i n ep a r t i c l e s ) h a v em a n yv i r t u e s ，s u c ha sh i 曲s u r f a c ea r e aa n ds p e c i a ls u r f a c ec h a r a c t e r t h e r ei sag r e a ti n t e r e s ti ns t u d y i n gt h e i rf l u i d i z a t i o nb e h a v i o rw i t ht h e d e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fc o h e s i v ep a r t i c l e s h o w e v e r , i ti s v e r yd i f f i c u l tt of l u i d i z ec o h e s i v ep a r t i c l e sd u et os t r o n gc o h e s i v ef o r c et o f o r ma g g l o m e r a t e s c o h e s i v ep a r t i c l e sc a r lb ef l u i d i z e db ys u r f a c em o d i f i c a t i o na n da d d i n g o u t s i d ef o r c ef i e l d s u r f a c em o d i f i c a t i o nc a nr e s u l ti nd e c r e a s i n go f c o h e s i o nb yc o a t i n gal a y e ro f s u b s t a n c eo nt h es u r f a c eo f c o h e s i v ep a r t i c l e s o u t s i d ef o r c ec a nb r e a ku pa g g l o m e r a t eo f c o h e s i v ep a r t i c l e s t h ef 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 fc o h e s i v ep o w d e r sa n dc o a t e d c o h e s i v ep o w d e r sw e r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o wi ti se x t r e m e l yd i f f i c u l t t o f l u i d i z ec o h e s i v ep a r t i c l e s t h ef 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 fc o h e s i v e p a r t i c l e sc a nb ei m p r o v e dm a r k e d l yb ys u r f a c em o d i f c a t i o n t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro f n o n - m a g n e t i cc o h e s i v ep a r t i c l e si nam a g n e t i cf l u i d i z e db e dw a si m p r o v e d b ya d d i n gc o a r s em a g n e t i cp o w d e r s m o r e o v e r , t h em i n i m u mf l u i d i z a t i o n v e l o c i t yo fc o h e s i v ep a r t i c l e sd e c r e a s e sw i t i li n c r e a s i n gt h ea m o u n to f c o a r s em a g n e t i cp o w d e r s ，b u tt h e r ei sn oa n yc h a n g ef o rt 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 f t e rt h ea m o u n to fc o a r s em a g n e t i cp o w d e r si si n e x c e s so f 4 0 k e yw o r d sc o h e s i v e p o w d e r , f l u i d i z a t i o n , p r e s s u r ed r o p ，b e d e x p a n s i o nh e i g h t 硕士学位论文 第一章综述 1 1 引言 第一章综述 流态化可以分成液一固流态化、气一固流态化和气一液一固三相流态化。液一固流 态化中固体颗粒可以均匀地分散在流体中，所以一般称为散式或理想流态化【l l 。气 一固流态化存在两个重要特征：在低气速条件下，气体凝并成气泡，即气泡现象； 在高气速条件下，颗粒易于聚集成颗粒团，即颗粒团聚现象，在总体上表现出不均 匀性或非理想性。三相流态化是液一固流态化和气一固流态化的复合体因而具有双重 性。 与固定床相比，流化床中采用的固体颗粒尺寸要小得多，颗粒与流体的接触表 面积大为增加，并且悬浮在流体中的颗粒处于强烈的湍动，强化了热、质传递，提 高了生产效率。加之颗粒能像流体一样自由流动，便于物料输送和控制，能够实现 自动化操作。这些特性对大规模现代化生产具有诱人的吸引力。 流态化技术不仅仅适用于颗粒物料的加热、冷却、输送、矿物的分选和产品的 分级、粉料制粒、表面浸渍和包膜、干燥脱水、工件恒温热处理等物理过程，而且 适用于催化和非催化、吸热和放热多种化学过程，在能源转换、石油加工、生物化 工、化工冶金、功能材料、环境防治等工业部门中具有广阔的应用前景。 流态化技术作为一种强化液一固、气一固、气一液一固接触的有效手段，已经在许 多工业和科学研究领域得到了广泛应用。我国的流态化研究起步较早，一直处于国 际前沿。到上世纪5 0 年代中期我国就开始在工业上应用流态化技术，几乎所有的 硫酸厂都用流化床替代多膛焙烧黄铁矿生产s 0 2 ，稍后，炼油业也引进了各种流态 化催化裂化和热裂解装置。目前，流态化技术已经成为强化生产、减少投资、降低 成本的有效手段。 作为研究颗粒与流体相互作用规律的学科1 2 1 ，流态化技术自4 0 年代初对石油 流态化催化裂化工艺开发成功以来，其应用研究受到了普遍的重视，并取得了重大 的进展，已经成为颗粒和粉体的制备、加工、改性和输送以及改善催化反应的有效 手段。 回顾半个世纪的发展历史，流态化技术经历了由低操作气速向高操作气速的发 展过程，发展十分迅速。近年来，附加外力场( 磁场、电场、惯性力场、振动力场、 脉动流场等) 的流态化已有了不少研究，形成了流态化技术发展的新领域。 ii-，- 硕士学位论文第一章综述 1 2 粘性颗粒流态化 所谓粘性颗粒，其特点为颗粒的粒径较小( 为微细、超细或纳米级颗粒) ，颗 粒间的粘附力较大，易形成自然聚团和流态化聚团，一般条件下难于流化和输送。 随着纳米颗粒和微细、超细颗粒在工业及科研领域中的重要意义不断地被人们所认 识【3 】，越来越多的研究学者致力于粘性颗粒流化性能的考察。 g e l d a r t l 4 根据颗粒的流化性能将颗粒分为四类：a 类颗粒为p p d qoj口了正 硕士学位论文第三章实验结果与讨论 e 一 芏 9 c 口 o 图3 - 1 5 玉米淀i # - , f f 添加2 0 磁性大颗粒下的床层膨胀曲线 图3 1 6 玉米淀粉在添加l o 鼬| 生大颗粒下的压力降曲线 一日正)i一oj口3正 g a sv e l o c i t y ( m s ) 图3 1 7 玉米淀粉在添加l o 磁性大颗粒下的床层膨胀曲线 g a s v e l o c i t y ( m s ) 图3 1 8 玉米淀粉在添加5 磁性大颗粒下的压力降曲线 ll，：i ee)lc固oc d o 一m正ooj奄9jj巴正 硕士学位论文第三章实验结果与讨论 e e = 毛 五 c 哥 图3 - 1 9 玉米淀粉在添加5 磁性大颗粒下的床层膨胀曲线 实验表明，虽然粘性玉米淀粉( 1 撑) 的流化性能很差，但在添加有磁性大颗粒的 磁场流化床中，玉米淀粉的流化质量大大改善。在低气速时，虽还出现活塞和沟流， 但在高气速下，玉米淀粉能被很好流化。磁性大颗粒添加量为5 、1 0 、2 0 、 2 5 、4 0 、5 0 时，最小流化速度分别为0 0 5 m s 、0 0 3 m s 、0 0 3 m s 、0 0 2 m s 、 0 0 2 m s 、0 0 2 m s 。可见，随磁性大颗粒添加量的增加，最小流化速度降低。 3 3 2 玻璃珠在添加磁性大颗粒磁场流化床中的流态化 将玻璃珠( 2 # ，l 1 5t t m ，3 0 9 ) 和磁性大颗粒的混合物装入流化床中进行流态 化实验，其中磁性大颗粒的质量含量分别为5 0 e 、4 0 、2 5 、2 0 、1 0 、5 。 图3 - 2 0 图3 - 3 1 示出了玻璃珠在添加磁性大颗粒下的压力降和床层膨胀曲线。 堡兰堡垒奎笙三兰壅丝堕墨量塑造 e e c 9 m m g a sv e l o c i t y ( r r l s ) 图3 - 2 0 玻璃珠在添加5 0 磁性