纳米颗粒在振动流化床中聚团流态化研究（可编辑）

纳米颗粒在振动流化床中聚团流态化研究（可编辑） 纳米颗粒在振动流化床中聚团流态化研究 分类号 密级 编号 串初大学 硕士学位论文 论文题目: 纳米颗粒在振动流化床主的聚团 流态化研究 学科、专业:.焦一鲎?:曼?篓?一 研究生姓名:??至?颦. 导师姓名及 专业技术职务??周?.盎?熬?撞一一 :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己在论文中作了明确的说明。 作者签名:鲤 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文, 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》, 并通过网络向社会公众提供信息服务。中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 纳米颗粒属于 类颗粒,亦称黏性颗粒在流化过程 中易形成流化聚团、并最终以聚团形式流化,多数粘性颗粒的流化聚 团具有较宽的粒径分布。目前,气固流态化领域中颗粒团聚机理及团 聚物性质己成为研究热点。 本文在传统流化床和振动流化床中,对纳米级、、 三种颗粒进行了流态化实验,研究了其聚团流化性能和聚团尺寸变化 规律。经研究发现,由于颗粒所特有的物理性质,三种纳米颗粒在传 统流化床中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,聚团偏析大, 扬析严重,流化效果较差。振动能的引入可以有效的消除节涌、抑制 沟流、降低最小流化速度、减小聚团平均尺寸和整个床层的偏析率, 显著的改善了纳米颗粒的流化质量。同时,本实验系统的考察了操作 条件对聚团尺寸的影响。实验结果表明:纳米颗粒在流化床中流化一 段时间后聚团才形成比较稳定的硬聚团。初始床层越高,振动波传播 受到的阻碍越大,浅床层/.或有利于振动能的吸收,聚 团流化性能好,但总体效果是高径比对聚团尺寸影响较小。振动参数 对聚团尺寸的影响具有两面性,在恒定振幅下,试验初期随振动频率 的增加聚团尺寸从 降低到 左右。当振动频率超过一临 界值时,聚团尺寸随振动频率的增加反而增加。在 时,、 、 、 。可能原因是额 和的临界频率分别为 外的振动能不仅可以促进聚团的破碎,还可以增加颗粒间或聚团间的 接触机会,在黏性力较大的情况下易形成大聚团。振动频率对聚团尺 寸的影响要强于振幅。另外,较高气速可以使聚团大小减小。 根据纳米颗粒聚团在振动流化床中碰撞能、有效振动能、流体剪 切能和黏性能的平衡分析,建立了估算聚团大小的能量平衡模型。结 果表明:随着振动强度的加大聚团尺寸的实验值和计算值均减小,在 振动条件下该模型预测值与试验结果吻合较好,说明了模型的合理性。 基于振动机理,探讨了振动床中聚团团聚和解聚的机理。本文研究为 进一步开展有关研究和开发超细粉振动场流化床打下了良好的基础。 关键词纳米颗粒,振动流化床,聚团大小,振动参数,能量模型中南大学硕士 学位论文 ’ , , ,. . . ,? ?. . ,,. , ., , . ?. ?. , /. ,. . , 中南大学硕士学位论文 . , ,, , , ,. / . , . . ., .. ?, . ;? ; ;; 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要 第一章实验背景和文献综述. .弓言?...?.??.??.?....?.....?..??..........?..?.??.?......... .黏性颗粒的流态化??. ..黏性颗粒的聚式流态化? ..黏性颗粒的散式流态化一 .气.固流态化质量的评价 ..准数判据? ..颗粒特性判据?.. .改善黏性颗粒流化质量的方法 .黏性颗粒的振动流态化 .黏性颗粒的团聚及预测模型. ..聚团的取样和测量方法 ..颗粒团聚物性质的表征 ..聚团大小的预测模型?一 .本选题的意义及研究?.. 第二章实验. .振动流化床的作用机理??一 .实验装置及原料??. .操作条件及实验方法?. 第三章振动对纳米颗粒聚团大小的影响. .传统床中纳米颗粒的流化特征和聚团大小变化?. .操作条件对纳米颗粒聚团大小的影响??. ..流化时间对纳米颗粒聚团大小的影响 ..表观气速对纳米颗粒聚团大小的影响 ..高径比对纳米颗粒聚团大小的影响?. ..振动参数对纳米颗粒聚团大小的影响 .最优操作条件的确定及验证? .小结?.. 第四章黏性颗粒聚团的能量模型及破碎机理?. .模型的导出?..中南大学硕十学位论文 目录 ..碰撞能. ..有效振动能??.. ..黏性能. ..流体剪切能 .振动场流化床中实验聚团大小的估算??. .模型的验证.纳米颗粒在振动床中的团聚机理?. .振动的作用?. .纳米颗粒在振动床中的解聚机理?. ./、结?。 结论展望符号说明??.. 参考文献 至【谢攻读学位期间主要研究成果和获奖情况?.中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 第一章实验背景和文献综述 .引言 超细颗粒通常是指介于原子团簇与微粉之间,粒径在~ 范围内的固 体颗粒【】。随着材料科学的发展,超细颗粒特别是纳米颗粒由于具有优异的特性, 其应用范围同益广泛。如氢氧焰燃烧制备的纳米二氧化硅材料【】具有特异表面特 性和链状网状结构,显示出卓越的补强性、增稠性、触变性、消光性、分散性、 绝缘性、防粘性等特异性能,广泛应用予橡胶、涂料、医药、油墨、化妆品、航 空航天、建筑、食品和农业等领域。气凝胶【】由于其巨大的表面积,可作为催化 剂或吸附剂;颗粒更细的磁粉,其打印效果清晰亮丽;纳米级碳黑,经过流态化 改性,可作为高级墨水或染料的原料。纳米级碳黑,经过流态化改性,可作为 高 级墨水或染料的原料。特别是纳米级催化剂,将充分利用催化剂的表面活性,减 少催化剂废弃量和极大地提高反应收率。但由于纳米颗粒间有较强的粒子间作用 力,在气.固体系中,一般以聚团的形式出现。比如,将纳米催化剂应用到现有 的流化催化裂化装置上,产率将大大提高,但急需解决的问题是纳米催化剂的团 聚问题。如何减少甚至消除流化床内纳米颗粒团聚现象,是纳米颗粒应用的关键, 也是目前世界上关心和研究的热点,迫切需要新理论、新技术的研发。 流态化一般是指当流体向上流过堆积在容器中的固体颗粒层 而使固体具有一般流体性质的现象。按流化状态分类,流态化可分为散式流态化 和聚式流态化【】。根据流化介质的不同,流态化可分为气固流态化、液固流态化 和气液固三相流态化。随着操作流体速度的不同,流化现象大体可分为五个阶段: 起始流化床、散式流化床、鼓泡流化床、腾涌流化床、气力输送。流态化典型操 作过程及应用见表.。这些物理过程没有发生化学反应,需要将固体颗粒在悬 浮状态下与气体接触,因而流态化是最适宜的首选技术。它具备的混合剧烈, 快 速移热且温度均匀,生产能力大灯优点,使各物理操作得到强化。其中,气固流 态化虽然具有相对复杂的流型,但它以其特有的优越性能已经逐步在各个工业领 域得到了广泛的应用【。引。也正因为如此对气固两相流动的研究虽然己经进行了 多年并取得了不少的成果,但由于气固流态化技术的复杂性以及新工艺、新过程 的不断出现,以及多相流的复杂性以及对颗粒间微观作用机理认识的不足,现有 的有关气固流态化的流体动力学知识仍不足以解决工业设计、放大和优化过程中 出现的各种问题。中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 表.流态化典型操作过程及应用 操作过程 优点 典型应用举例 干燥、移热、处理量大,温度容易控制, 酵母与树脂干燥【】、聚氯乙 吸附 能耗小,传热、传质速率高 稀树脂干燥【】、丁烯氧化脱氢移 执【】 ??、 物料混合、 操作较安全、混合均匀,可包 粉状油漆包涂金属制州引,粒状 包涂、造粒 涂外表复杂的物件 尿素表面硫磺的包覆【 合成反应 催化剂容易实现再生,良好 邻苯二甲酸酐合成【】,醋酸乙烯 的流动性能和大热容量 合成【,丁烯氧化制丁二烯【】 烃类加工 转化率高,催化剂活性高、 催化裂化【 ,重油裂化【,费. 选择性好、容易再生 托合成】 】 矿石焙烧 处理量大,移热、输送方便, 铁矿的预还原【,氧化铝煅烧【 燃料燃烧较完全 煤的燃烧 热容量大,宜控温,传热系 循环流化床锅炉【】 数高,低污染 微生物培养 温度容易控制,可连续生产 线状真菌的培养 多相流行为是一个典型的非线性过程,因此许多气.固流化床实际上是一种 典型的多相非平衡复杂体系,往往在不同的尺度上呈现其独有的结构特征。颗粒 的团聚这一介观行为就是气固流化床反应器的主要结构特征。颗粒的这种聚集行 为在宏观上表现为各种局部流动参数的轴、径向非均匀分布,在微观上表现为反 应器局部形成所谓的颗粒团聚物,并对气固流态化反应器的宏观流动 行为和反应性能产生至关重要的影响。因此,研究颗粒的团聚与颗粒团聚物的解 聚对深入认识气固两相流流动机理具有重要的意义。许多学者对颗粒团聚物的尺 寸及其分布、颗粒团聚物的速度分布等方面的问题进行了较深入地研刭。 .黏性颗粒的流态化 根据颗粒流化行为的不同将颗粒分为,,,四大类【 , 颗粒物料流态化分类见图.。类颗粒一般具有较小的粒径 .和 表观密度小于 /,流化时,初始鼓泡速度明显高于初始流化速度, 并且床层达到鼓泡点之前有明显膨胀,形成鼓泡床之后,密相中的气固返混较严 重,气泡相和密相之间气体交换速率较高;类颗粒具有较大的粒度, 和密度大致在 / /之间,其初始鼓泡速度与初始流 第一章实验背景和文献综述 中南大学硕士学位论文 化速度相等,因此,气速一旦超过初始流化速度,床层内即出现两相,即气泡相 和密相,气泡相和密相之间气体交换速度亦较低,且气泡尺寸几乎与颗粒粒度分 布宽窄和平均粒度无关;类物料一般为大或非常重的颗粒,一般平均粒度在. 以上,该类颗粒流化时易产生极大气泡或节涌,使超作难以稳定;类颗粒 一般平均粒度在肛以下,此类颗粒由于粒径很小,颗粒间的作用力相对较大, 而极易导致颗粒的团聚。并且因其具有较强的黏附性,又称为黏性颗粒,流化时 易产生沟流,难以实现稳定流态化。超细颗粒则属典型的类颗粒,其中,纳米 颗粒也属于此颗粒范畴。所以传统上认为这类颗粒不适用于流化操作,对其流化 特性知之甚少,但八十年代后,随着超细粉体技术的发展,以及对超细粉加工的 需要,使广大学者对超细粉的流态化产生了浓厚的兴趣,并展开了广泛的研究。 图 颗粒物料流态化分类图常温、常压、空气 尽管类颗粒由于粒子间存在较大的黏性力而流化困难,但是随着近几年 来,材料和催化科学对于超细颗粒应用需求的增加,对于超细黏性颗粒的流态化 过程的研究明显增加。黏性颗粒的流态化可以分为鼓泡流态化或称为聚式流态 ,和聚团散式流态化 化, ,。 ..黏性颗粒的聚式流态化 类颗粒的膨胀特性明显不同于类颗粒。对于类颗粒,无气泡区域的膨胀 是由于集结作用和缝隙的成长引起的,而气泡区则是由气相相含率决定的。床层 膨胀开始后,当气速大于%以后,床层有一个收缩阶段。这个现象是由于鼓泡 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 床中密相区体积的减小比气相相含率增加要快得多。气泡通过床层,打破了密相 区内颗粒的连续接触,从而导致密相区空隙率下降。对于类颗粒的膨胀,明显 没有类颗粒的这种收缩阶段。床层内气泡较少,有水平、倾斜甚至垂直的裂纹 的流 出现。年,等【】人用/为流化介质在直径为.. 化床中进行了流态化实验。温度在室温至?内可控制。实验结果显示,在较 低的气速下,床层出现严重的沟流。当气速增;. /的时候,床层出现一 个不稳定状态,气凝胶颗粒在床内形成一定大小的聚团,达到某种类似类颗粒 的均匀流化状态,形成一个新的聚团组成的稳定系统。他们的实验进一步显示, 聚团的形成,不受到温度、床层初始高度、反应器直径等因素的影响,而是粉体 的一种性质。这是首次证明了超细黏性颗粒在一定条件下,可以通过形成颗粒聚 团而被稳定流化。周涛【】用,,,以及氧化硅磨料, 白碳黑和铁黄等类颗粒为实验物料在内径 ,高. 的有机玻璃流化床和 内径 ,高 的玻璃流化床中进行了流化实验。实验结果表明,不同的黏性 颗粒,由于颗粒的物理性质和表面性质的差异,达到充分流化的气速不同。粒径 大于 的颗粒可以通过增大气速的方法实现平稳流化,而粒径小于 的颗粒则不行。因为气速加大,颗粒或者聚团虽能够流态化,但物料的扬析 损失严重。在低表观气速下,黏性颗粒在流化床中易形成活塞或沟流。随表观气 速的增加,床内鼓泡加剧,沟流或活塞消失,但床内可能形成不流化的死区。表 观气速进一步加大,最终死区消失,黏性颗粒以聚团形式流化。聚团大小沿床体 从上到下有一个分布,但整体床内的平均聚团尺寸随表观气速的增加而变小。因 此他认为,增大表观气速有利于黏性颗粒流态化,但表观气速增加到一定程度之 后,物料扬析损失严重,流化床层将不能够稳定存在。实验还发现,小粒径的黏 性颗粒,如粒径小于 的颗粒,在大直径流化床和小直径流化床中表现不 同的流化特性。在小直径床中,小粒径颗粒容易形成活塞,而在大直径流化床中, 则更多地出现沟流现象。在大床中,小粒径黏性颗粒的滞气能力也要高于小 床。 在小床中易于形成大聚团,而在大床中,聚团直径较小。粒径较大的颗粒,则没 有表现出上述区别。 另外,许多学者的研究表明,在传统床中,类颗粒特征比较复杂,易 形成活塞、沟流、腾涌、裂缝等不良特性,且伴有严重的扬析和附壁现象,底部 形成毫米级聚团,以固定床形式存在,操作弹性很小。因此,许多改善流化质量 的方法应运而生,这方面的内容将在后面介绍。 ..黏性颗粒的散式流态化 前面论述的都是超细颗粒的聚式流态化,但是在实验中,研究者们发现,自 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 然界中还存在一类纳米颗粒,在流化过程中体现出散式流态化的特性。】 最早发现气凝胶能以聚团的形式平稳流化,称之为“聚团散式流态化,随后纳 米颗粒聚团散式流态化的研究如火如荼【铊。 王兆霖【】在实验中发现,对某些超细颗粒,如气凝胶、气相法等片状或 者堆密度很小的超细颗粒进行流化时,首先产生沟流,气速增大到一定值时,床 层突然出现分裂,形成不规则的聚团颗粒,且从上到下依次增大,径向均匀分布。 此后形成稳定的流化料面。这种物料在较小气速下,床层膨胀特别高。”】 、 以及 用 的颗粒流化床进行光催化氧化脱除。的实验。 、 在实验中发现 .颗粒形成的聚团十分坚硬,难以在流化过程 、 中被破坏。并且在 颗粒的流化床中,床层可以随着表观气速的增加 而升高到非常高的高度,而 颗粒的床层则没有这种现象。并且 , 颗粒流化床的气流夹带损失,也要 颗粒床层的气流夹带损失少。】 对一种 的硅胶进行流化实验时,发现流化床中没有出现气泡,而床层的膨 胀率却相当高。 同样的现象后来瞰】所发现,并且做了进一步的研究。在一个 内径 。高锄的流化床中,对种不同性质、颗粒直径介于~ 之 间,堆密度介于一, /之,具有高空隙率的纳米颗粒进行了流化实 验。结果显示,这些纳米颗粒在流化气速非常低的情况下,首先是形成沟流, 然 而这个沟流是非常脆弱的,随着气速的增加,沟流四周或者项部的颗粒开始 流化, 并导致沟流破裂。流化区域扩展到整个床层,最终整个床层形成均一的流化 状态, 实现聚团流态化。还指出这种类型颗粒的流化状态,相对于聚团的气.固鼓泡 流 态化,更像液一固流化体系中的散式流态化,可以被称为聚团的散式流态化 。这种流化状态表现为,聚团稳定,沿床层轴向、径向都没有床层密度及 聚团尺寸的明显分布,床层料面平稳,压降平稳,无气泡产生。超细颗粒的聚团 散式流化,散式操作区域宽,床层膨胀比高,床层轴向没有明显的结构差异。 进一步用实验证实,在聚团的散式流态化中,流化气体速度,作为床层空 隙率的函数是符合.方程的,即表观气速以、终端速度珥、以及床 层空隙率,符合下面的关系式 ” 其中,以是床层膨胀指数,不同的物料,/值不同。 对比聚团的散式流态化与聚团的鼓泡流态化,给出了表一。对 散式流化状态的聚团直径进行了估算,结果显示聚团直径在 之间。 并且通过从流化床中取样,放在扫描电镜下观察、拍摄照片,证实了其估算的合 理性。还研究了纳米颗粒散式流化聚团结构。观察到相似堆密度、 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 颗粒密度、原生颗粒直径,但颗粒表面性质不同的纳米颗粒,表现出不同的流化 性质。因此认为,颗粒的表面性质是影响颗粒散式流态化行为的根本因素。 表 与流化特征的比较 等【】对不同粒径和堆积密度的纳米流化性能做了详细的考察,同 样认为的流态化类型具有流化稳定、无气泡、床层膨胀比高、形成均相系 统的特点,则有鼓泡、床层膨胀比小、没有形成均相系统。对这两种流型 的预测推荐如下判别式: ?%%警等圳。%‰警等四 总之,不同颗粒的流化聚团,展现出相当不同的性质,有的非常易碎,而有 的却十分结实,有的结构松散,而有的结构致密。不同的聚团在流化过程中,也 相应地显示出不同的流化性质。 .气.固流态化质量的评价 如前所述,气固流态化一般分为聚式流态化和散式流态化,研究气固流态化 的散式化方法,首先必须预测气固流态化质量。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【。判断气.固流态化质量 的判据可以分为准数判据和颗粒特性判据。 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 ..准数判据 准数判据是用来预测流体颗粒体系流化质量好坏的数学关系式,为了预测流 体一颗粒体系的流化质量,和郭慕孙】在年提出用最小 流态化速度蚵为特征速度的准数厅谚来区分聚式和散式流态化:%堕 当%.时,为散式流化;,厂矿.时,为聚式流化。许多科研工作者?训 根据不同思路对流化质量的准数判据做了研究,但由于实验范围所限,这些 判据 的准确度及适用范围各不相同。“掣在比较了前人提出的判别式的基础上提 出了较为接近实验结果的流态化质量判别准数: , 锄南半 该式中么,炯基米德准数,巧卜表颗粒和流体性质的影响,可由 ?方程式?计算: ’ 彳%.彤 对小颗粒 当: 彬 对大颗粒 南卅.耻阿 式中右端的竺丝项代表颗粒与流体密度的影响,给出的判据值如下: 散式流态化?? ? 过渡流态化 聚式流态化 ? 刘得金【提出了床层整体非理想指数五判据: 散式流态化 石. ? 聚式流态化 五?. 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 过渡状态.. . 任聪静等【】利用声波来判断流型,能量代表颗粒碰撞强度,方差代表了颗粒 碰撞的活跃程度,发现在流型转变处存在能量比和方差比的极值。 ..颗粒特性判据 应用较广的是由在年提出的颗粒特性判据中是判据【】,即将颗 粒按其流化质量分为、、、四类,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。这四类颗粒的流化特性和分类前已叙及。后来, 等‘曾建议用比即压实密度户,与松装密度妇之比来区分类和类 物料,其判据为: 盟. 类物料 盟. 类物料 ? 几 ?过渡区物料 .. . 纵 最近对四类颗粒的分类进行了很多修正。‰用密度比无因次密度 和代替相图中的参数对的颗粒分类进行改进。利用这两个参 数,不同的流化介质及温度压力条件下不同颗粒的流化性能可以在同一个相图中 表示。 .改善黏性颗粒流化质量的方法 目前改善超细颗粒流态化性能的方法主要可分为四类: 用颗粒设计改变本征流态化方法。即利用不同性质、不同粒径或不同形 状的添加颗粒以及表面改性来改善颗粒的流化质量,其本质是减弱或调节颗粒问 的黏附力。颗粒设计主要包括原始颗粒设计与添加颗粒组分设计两大类,其中添 加颗粒组分设计是如今研究的重点【。周涛【】在一内径 ,高为 的 玻璃流化床中考察了向黏性颗粒物料中添加组分的作用,用床层膨胀曲线和床层 塌落曲线来表征其流化质量的好坏。在一“中添加催化剂 目,在~ 中添加%的漂珠,其流化性能得到明显改善。王兆霖等【】 考察了黏性颗粒和黏性颗粒之间组合.型组合的流态化特征,实验发现对 铁黄细白碳黑为最佳添料,对磁粉最佳添加组分为细白碳黑,对镍粉其最佳 添加 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 组分为粗白碳黑,并得到了各自最佳添加质量分数,经过这些组合后流化床中非 气泡气含率大幅度提高,流化质量大为改善,散式化程度明显提高; 内部构件和床型设计。为了破碎气固流化床中的气泡和颗粒聚团,改善 流化质量,在流化床中增设内部构件不失为一种好的方法【。内部构件一般可 分为水平构件、垂直构件和固定填料三类。通过内部构件的合理增设可以起到破 碎气固流化床中的气泡和颗粒聚团; 流体设计。气固流态化的质量取决于固体颗粒的性质以及气体的密度与 黏度,如果气体的密度与黏度逼近于液体,则会使对颗粒的曳力及浮力有大幅度 的增加,气固聚式流态化将转化为散式流态化。气体的黏度随温度与压力的升高 而增加,但增加的幅度有限,而且温度的升高将使气体密度呈线形下降,为了使 气体的黏度与密度同时提高,采用增加压力的方法更为有利【; 外力场方法。实践证明,外力场可以有效地消弱和克服超细颗粒之间的 黏性力,减小聚团尺寸,改善颗粒流化质量。如在流化床中引入外部振动器、内 构件、声场、磁场等,关于用振动力场来改善黏性颗粒流化质量的报道较多【。。 “等】用~.岬为流化介质,考察了在声场、磁 场和声场.磁场联合场的流化特征。声场和磁场联用时,表现出类颗粒的流 化特征,最小流化速度比任何单独场中的都小。 .黏性颗粒的振动流态化 振动流化床?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掣鸭 】,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,加强了气一固、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【。等【,使用一个二维流化床并运用 离散元素法进行数字模拟,研究了振动流化床中颗粒的运动。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。 在水平振动下,由于振动裂缝起了沟流的作用,所以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 动强度下当振动频率增加时,振动对颗粒运动的作用变得很小。 许多学者对振动流化床流体力学的探讨主要是基于对振动强度的研究。 等【】测量了最小流化速度‰,及在下的空穴分率钳和床中的流动形 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 式。研究发现,对于类粉末,随着振动强度的增加,减小,且这一趋势随 着粒径的增大减弱,打破沟流的表观气速低限减小。而对于类粉末和 ,在不同的振动强度下其最小流化速度‰,.几乎为常数。随着粒径的减小, 床膨胀率降低。其原因被认为是:粒径的减小导致了包括各种尺寸聚团的较复杂 的床层结构的出现,这使得振动难以在床中传播。】在常压和低气压下研 究了细玻璃珠粉末 在振动床中的流化行为。定义了无因次振动加速度 功/用以表示振动强度。研究表明:细玻璃珠粉末在振动条件下能获得 相对稳定的流化。低压、低的振动加速度,可以获得更为有效的流化。这可能与 颗粒床层的空穴分率及流动形式有关。随着振幅的增加,两种气压下常压、 低压都出现了最小流化速度的改变。等【刀用基于方程的方法预 测了振动流化床中类和类分类颗粒的最小流化速度。将计算结果 与实验数据对比不同粒径下,最小流化速度‰厂对作图后发现:对于类 颗粒,计算结果与实验数据有很好的一致性。对于类颗粒,在较小的振动强 度下,聚团的形成导致计算结果与实验数据有较大的出入。通过粒径为 颗 粒的计算聚团直径对作图分析后表明:如果获得聚团直径,就可以进行较小 的振动强度下类颗粒最小流化速度的预测。 文献【研究发现,对于类粉末。振动的加入导致了聚团破裂。因而减小 了聚团尺寸,提高了其流动性,床层的流动形式发生了变化。对于 的较大 的粉末,观察不到沟流和裂纹现象。对于小于 的粉末,无振动就可观察到 稳定的沟流和裂纹,而在加入振动的条件下上述现象消失,气泡行为也发生了变 化,观察不到沟流的低限气速随着振动强度增加而降低的现象。等【】在 传统的流化床中同时加入搅拌器和振动场,设计了一种新的气固反应器?搅拌振 动流化床。以马铃薯淀粉粉末为研究对象探讨了类颗粒在这一新颖的气一固反 应器中的流化情况。结果发现:单一的搅拌或振动都不能获得最佳流化效果,而 同时加入搅拌和振动的这一新型振动流化床可以获得没有沟流和聚团的均一的 流化效果,并认为这一新颖设计对于黏性颗粒气固反应器的改进是非常有利的。 掣】以高密度,属于类的,粉末为流化对象研究了细颗粒质 量分数对比墙和静置角度的影响,对控制试验中细/粗颗粒混和物 的分子间作用力作了估测;圆柱型振动流化床在最高的振动强度定义振动强度 为振动加速度与重力加速度的比值和频率下获得了改进了的流化条件。基于文 献【】的研究成果,等【】进一步设计了一个在?下工作的高温流 化床反应器用以使微观多孔粉末在实验室气压下结晶和密化, 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 从而提高其性能。通过对比经过熔炉和热处理后的颗粒的主要特性即; 对超声波降解后的悬浮液进行激光散射得到的颗粒尺寸分布;射线衍射得到的 结晶度;热处理前后运用扫描电子显微镜获得的颗粒外部形态,证明了振动流化 床处理工艺要优于传统的静态床处理方式。等【.】通过振动介质的渗透 实验观察到在某一临界振幅处渗透性突然增大的现象。研究发现,介质附近颗粒 流体混和物的振动所引起的颗粒压力导致了局部流化。这个压力可以平衡由重力 厅 和装置中流体流动曳力所产生的压力。根据线性化理论基于、『.,预测了一个与渗 透性转折点无关的频率,并通过实验进行了确认。这一理论还预测了当振幅衰减 太大,以至于在小于一个颗粒直径的范围内几乎为零时,就不会有流化产生, 等【】研究表明振动对改善流化的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,并发现振动对 类或更小颗粒的作用比对、类或更大颗粒的作用更显著。在进行细颗粒的流 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,振动可以显著的减小床中聚团的平均尺寸和分级因而改善了黏性颗粒的流化 质量。等【】在离心流化床和振动流化床中的实验表明: 增加有效的加速度可以改进流化质量。此外,等【。】用修正的 .方程【】来预测聚团颗粒流态化系统中细粉末流化床的膨胀。认为床膨胀的 物理机理是:增加的有效重力加速度导致了聚团尺寸的减小。实验结果也说明: 机械振动下的起泡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。空 穴的破裂和合并的动力学平衡阻止了大气泡的形成。等【】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。唐洪波掣】研究发 现振 动促进了团聚物的形成,随振动强度的增大,团聚物尺寸减小。振动能够改善流 化床层的机械结构及流化质量,对团聚物的形成起促进作用,即“催化作用”。 陈建平等刀研究发现,振动的引入可以破坏沟流的存在而使细颗粒流化,当细颗 粒振动流化以后,颗粒间的相互作用力决定了细颗粒流化的存在方式。其振动流 化有散式颗粒流化、团块流化和二次团聚物流化种存在形式。并用振动流化的 物理模型和流化相图解释了细颗粒流化状态与振动条件及其物性的关系。 等【.】所研究的振动参数是最高加速度值和频率,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和作为典型振 动流化及起始鼓泡条件的床重力压强降与压强降的偏差度。等【】将充中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 气与振动相结合且忽略扬析使得 的以稳定多孔的聚团形式平稳均一 的流化。得出振动是实现平稳流化必不可少的条件,最小流化速度本质上与振动 加速度无关。研究过程中发现:通入气体后,床层几乎马上膨胀为原始床层高度 的倍或更多。在关闭振动只有气流的情况下,床层仍然可以流化相当长的时间 约 。振动被认为在流化开始时用以破坏颗粒间的网状结构。文献【】中研 究认为,振动参数对细颗粒酌流化表现出较强的影响作用。在低的振动强度下, 当振动强度增加时通过增加振幅或频率,‰厂减小。但是当振动强度接近一个 临界值时,较为稳定。研究证明了机械振动的效果受振动角度或振动方向的 影响很大。在时效果最好水平振动,在时效果最差垂直振动。 振动流化床是有外来能量引入的气固流化床,应用十分广泛,但由于振动对 细颗粒在气一固流化床中形成的流态化聚团的破碎机理还不清楚,比如,振动是 如何施加于流化床和颗粒层的如何表征振动在颗粒聚团上的作用因此,需要 对振动流化床进行更深入的机理研究,建立数学模型,寻找合适的操作条件,指 导工匕化生产。 .黏性颗粒的团聚及预测模型 气固流化床反应器中各种局部流动参数局部流体和颗粒速度、相含率、颗 粒聚团性质等的时空分布以及截面平均流动参数的轴向分布等问题的定量研究 和表达是用数学模型表述流态化技术和预测流化床操作效果的基础。流化床反应 器中气固两相流动的不均匀性在轴向一般表现为上稀下浓的型分布、指数型分 布或型分布【】,在径向通常表现为所谓的中心区浓度低而靠近壁面处浓度高 的环核流动结构【,】。虽然研究人员通过测定颗粒的停留时间分布以及颗粒轴向 质量通量的空间分布对流化床中颗粒的轴向混合行为进行过较多的研究,但对气 固流化床中的径向不均匀性以及颗粒的径向混合特性研究较少。特别是黏性颗粒 聚团的轴向和径向分布及运动轨迹研究甚少,而这一切研究的基础都是要先测量 聚团的大小。 ..聚团的取样和测量方法 目前有很多关于纳米颗粒聚团的取样和测量方法,大概可以分为“介入式一 和“非介入式两类。“介入式取样【】,一般先从床层中取出样品,再 用摄影分析。这种技术的困难之处是难于阻止取样时聚团破碎;“非介入式取 样【,,,的激光取样法是最近几年才出现的,聚团在流化床内用激光扫描成 像后,可得聚团的尺寸,扫描也是最近几年用来分析聚团结构【。我们参 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 照周涛【】对几种使用相对广泛的取样测量方法进行比较结果做出总结,我 们在整 个实验过程中取长补短。并设计一种操作简单的、取样准确的装置。 ...冻结法和胶带粘取法 和】发明了一种“冷冻取样技术,取样前从床层顶部喷出一 种黏合剂将聚团“封冻。冻结法凹】采用石蜡正己烷.丙酮作凝固剂,利用 喷嘴将其喷洒到团聚物颗粒上,然后从床内取出,经过筛分测出团聚物颗粒的粒 度分布和平均粒径。这种方法的缺点是比较复杂,准确性差,尤其是当凝固剂将 两个或几个团聚颗粒包到一起时, 就很难区分,在喷洒时,不能排除液体桥作 用,并且只能测量床层顶部的聚团。胶带粘取法【】是利用胶带将团聚物颗粒粘到 上面,再用扫描电镜拍摄下照片,通过照片来测取团聚颗粒粒度分布和平均粒径。 这种方法虽然简单,但是代表性差,取样困难。这是因为利用这种方法不仅得到 的团聚物颗粒的数量有限,甚至有时在胶带上只粘有几个团聚颗粒。 ...显微放大法 在采用显微放大探头与微型摄像机来测量团聚尺寸时,微型摄像机 的耦合结构,视频信号送入录像机或监视器,经过计算机处理把视频信号转换成 数字信号,可以直观地反应出来。经实验验证,此方法的优点是可以准确的测量 密相床亦称乳化床中聚团颗粒的大小,但是不适用于测量黏性颗粒聚团,因 为黏性颗粒极易黏附在显微放大探头的镜片上,测量一次就需要取出擦拭显微放 大探头,极为不便。周涮】实验测得的碳化硅、钛白粉、白炭 黑、三氧化二铝和碳酸钙的聚团大小如下表.。 表.实验测量的黏性颗粒聚团大小 别肛 颗粒/ // .. . ..在床外采用光学系统可以在线测量纳米聚团大小,用这种光学系统可以准确 得到多种物料的聚团大小,但无法测量与器壁黏附在一起的纳米聚团,因为无法 得到其清晰的图像。由于带有微型摄相机的采样探针【、高速摄像或摄影机激光 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 偏振照相技术【吲以及各种射线测量技术等可视化方法可以直接对颗粒团聚物进 行观察,所以它们也常常被用来研究颗粒团聚物的速度、大小以及动态变化 等特 征。但目前要利用这一类实验测量方法对气固流化床中的颗粒相进行比较精确地 定量描述还存在相当大的困难。不过,这也是一种在线测量流化床稀相区聚团尺 寸的一种趋势。 ...探针测量法 目前,大家广泛采取用浓度、电容以及光纤等各种单探头探针通过探测气固 流化床内局部颗粒浓度的变化来判断颗粒团聚物的存在或其尺寸大小【.,或者 通过各种双探头探针利用互相关技术来测量颗粒团聚物的速度特性或浓度特征 等【】。但探针测量法不仅会破坏原有气固两相流的流场,而且探头的大小也会 对测量结果产生较大的影响。不仅会在一定程度上介入和破坏原有流场,低信噪 比对颗粒浓度较低的测量环境有时也会显得无能为力。此外,由于探针本身物理 尺寸的限制,它还不可能从单颗粒尺度上了解宏观两相流性质的变化,因而就不 可能充分地揭示其微观流动机理。 ...其他的取样与测量方法 还可以采用 蹦的颗粒/液滴图像分析仪研究 纳米颗粒流态化时的团聚情况【。激光器 提供波长为 的脉冲红外光,激光器用一个标准硅电荷传感器和单色数码相机连接起来。用激 光从后方照亮研究区域,数码相机捕捉到聚团的阴影图像。选择的研究区域是流 化床表面的喷动区。因为在此处聚团刚刚离开床表面,可以观察到聚团的行为, 这个区域位于带出区的下方,确保观察到的聚团尺寸分布具有代表性,但是随着 实验的进行,颗粒也会黏附在器壁上,会形成聚团分布不均,比如两个聚团叠加, 引起测量不准确。而且由于实验中所用的放大的倍数很大,所以通过蹦 得到的图像区域比较小~ 。这使得在连续图像中跟踪单个流化聚团比 较困难。而且这种设备价格比较高昂,不利于普及。 激光相位多普勒粒子分析仪 ,简称 是一种先进的、无接触式多相流测量工具,它不仅不会对气固两相流的流场产生 影响,而且还能够对单颗粒的运动行为进行精确地测量,因而可以从微观 上更加精细地分析低浓度气固流化床中的两相流动结构。的另外一个优点 就是它能够同时对气固两相流中的局部颗粒浓度和气固两相的速度进行较 精确 地测量,这就给利用来研究气固两相流中的颗粒团聚特性提供了可能。实 际上,己有学者利用这种先进的两相流测量技术来研究气固流化床中颗粒的团聚 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 行为并取得了令人满意的结果。 为了能从床层中取出聚团而不影响其尺寸、形状和结构,【发明了一种 新型的“在线取样”技术,如图?。在床层顶部用取样勺取样时,在鼓起和不 改变流化参数的条件下,使聚团保持在原位取样。在床层上部区域直接用取样勺 取样。床层中部和底部取样时,借助一个强度可控真空器取出在取样水平位置的 所有颗粒。床层更低位置的聚团也可以这样取出。取样勺和强度可控真空器用手 动即可完成,且应该避免聚团破碎;真空取样时,应控制抽吸强度单位面积吸 气量使其把此位置的聚团全部吸出,而不吸出比此位置低的聚团。此控制通过 吸气流速和探针与吸附物的焦距实现。取样勺取出的聚团放在一个金属盒里直 径 ,聚团表面镀层金以便于在扫描电镜下观察其形状和尺寸。此取样方 法虽然比较麻烦,但是足可以避免软聚团的破碎或变形。 . 蒜 蓁蓁 ?謦謦 ?:气囊 季 样窜 协 图 “在线取样”技术:床层顶部聚团的取出;较低床层的聚团的取出。 ..颗粒团聚物性质的表征 颗粒团聚物最明显的特征是它不仅在时间上和空间上是非均匀的,而且其形 状和内部结构也是随时间和空间的变化而不断变化的,也正是这种极度的不均匀 性才导致了气固流化床中轴向和径向的非均匀结构。等【】认为颗粒流体系统 就是一个典型的非线性、非平衡系统,并且推断颗粒团聚物是一种典型的耗散结 构。实验观察表明气固两相流中颗粒团聚物的形状随物料系统、操作条件以及颗 粒团聚物在流化床中的运动区域的不同而改变。等【在气固循环流化床的 中心区观察到了比颗粒团聚物/絮状物尺寸更大的颗粒带状物。 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 和】以及和【】通过实验观察后认为气固流化床中颗粒 的横向迁移会导致在流化床壁面形成一种颗粒浓度较高且向下运动的颗粒片状 物;掣】发现当流化床在较低浓度状态下操作时,流化床壁面 会出现一种所谓的颗粒簇状物,而片状物很少被发现。针对上述情况, 毕晓涛等【】将气固快速流化床中的颗粒凝聚形态分成四类:絮状物、 带状物、簇状物以及片状物。他们认为颗粒之间的碰撞导致了絮状 物在流化床中心区形成,而颗粒较密集的簇状物则是由于颗粒与床壁的作用而在 壁面附近形成的。当流化床内颗粒的平均浓度增大时,流化床壁面附近的颗粒簇 状物就会进一步发展成为形体较大的颗粒片状物。片状物的尖端分离或者颗粒之 间以及絮状物之间的相互作用就会在流化床的中心区形成所谓的带状物。由此可 见,对颗粒聚集体形状的多样性进行定量表征是相当困难的。研究者一般都习惯 于将气固流化床中的颗粒聚集体看作成具有一定直径和空隙率的圆球体,并将它 们统称为颗粒团聚物。 许多实验研究表明颗粒团聚物的当量直径与其内部平均空隙率密切相关。在 流化床核心区的颗粒团聚物尺寸随固体颗粒通量的升高而降低。和 啪】发现颗粒团聚物的轴向平均尺寸在整个流化床核心区基本保持不变, 而在环区却急剧升高。当表观气速较小时,颗粒团聚物的轴向平均尺寸随床高的 增大而减小,但是当表观气速达到流化床湍动流化速度以后,颗粒团聚物的轴向 平均尺寸在整个流化床的上部稀相区基本保持不变。 颗粒团聚物的另一个重要物理参数是颗粒团聚物内部空隙率或颗粒分率。 颗粒团聚物的内部空隙率不随操作条件等因素的改变而改变,并假设它等于该物 料系统的起始流态化空隙率。这一假设虽然己经被许多实验证明是不正确的,但 目前仍然被许多流化床数学模型所采用。这从另一方面也说明了定量表征颗粒团 聚物内部空隙率的困难性和艰巨性。由于最初人们认为颗粒团聚物只存在于流化 床的壁面区域,因此许多学者只是通过研究流化床壁面处的颗粒浓度来了解颗粒 团聚物内部平均浓度随操作条件的动态变化规律【。等【】研究了声场和 振动场联用的情况下振动强度和声波强度对聚团结构和尺寸的影响。 许多学者通过实验或模拟的方法研究气固流化床壁面处颗粒或颗粒层的流 动来近似表达颗粒团聚物的流动,并认为颗粒团聚物的速度基本稳定在.~. /之间,而与颗粒浓度或其它操作条件无关。和】认为既然流化 床壁面处颗粒团聚物的速度不受流化床内整体动力学的影响,那么就只有壁 面处 的局部力平衡决定了当地颗粒团聚物的运动,因此他们推断流化床壁面处颗粒团 聚物的速度只与颗粒的平均直径有关。 等【和等【都认为颗粒团聚物的性质与局部颗粒浓度、空间 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 位置以及操作条件密切相关,在径向也有类似环核结构的分布形式,而且颗粒团 聚物的出现频率在环核界面处达到最大。等【】还发现颗粒团聚物的存 在时间和时间分率都随局部颗粒浓度的升高而增大,而颗粒团聚物的出现频率在 这一过程中会出现一个最大值,这是因为局部颗粒浓度的增大在导致颗粒团聚物 尺寸增大的同时也导致了颗粒团聚物内部颗粒浓度的升高。在整个流化床截面 上,颗粒团聚物的出现频率随床高的增加而降低。等【】研究了气.固床中气 泡泡动力学行为及对聚团的影响,发现床层动力学在聚团流化区呈线性依赖性。 ..聚团大小的预测模型 在气固流化床垂直管中,颗粒的运动由于受到气固相互作用、颗粒之间以及 颗粒与流化床壁面之间的相互碰撞等作用的影响而很容易形成尺寸在几十、甚至 几百个颗粒直径大小的颗粒团聚体,这一点已经被许多研究者所证明颗粒团聚物 稳定存在于气固两相流中时必须满足一定的能量条件和动力学平衡条件。 聚团大小是影响振动床纳米颗粒流态化的关键因素之一【,,,。因其不 稳定,易破碎等缺点,聚团的测定便成了一个棘手的难题。等【】发现细的 粉末结合成较松的聚团,在流化过程中依然存在于床中。聚团尺寸可以在流 化的过程中用带有脉冲雷射的照相机来测量。同时发现振动力的增加会导 致聚团尺寸相应的减小,改变床中的真空度不影响聚团尺寸。聚团尺寸与原生颗 粒之间的黏性力直接相关。等【】将气流中的曳力和振动力加入 等【的模型中作为分离力,将所求得的锄口值..与文献【?】比较后认 为可用锄口替代%,从而建立了新模型来估算振动流化床中玻璃珠和氧化铝颗粒 的黏性粉末 类粉末聚团尺寸的大小。消除沟流的低限气速锄口值作 为检验振动对消除黏性力效果的重要因素。使用和在口由下的空穴分率锄口 的实验值对聚团尺寸进行了估测。认为作用于颗粒上的黏性力和重力的力平衡决 定是否形成了聚团,而这一力平衡受值的影响。在考虑黏性力范德华力 和分隔力重力,由气流产生的振动力和剪切力之间力平衡的基础上,认为聚 团所受的振动力可以增加重力的效果。随着振动强度的增加,计算出的的聚团尺 寸减小。随着所有实验用的类粉末振动强度的增加,的值减小。在模型中, 参数与%对聚团尺寸的影响大于气速的影响。文献【】提出了一个测量聚 团尺寸的标准,结合修正了的.方程来预测振动颗粒流化 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,只是尺寸有所 改变。认为在聚团形成的新的动力学过程中,当瞬时加速度例大于重力加速度 时聚团逐渐变小,反之,聚团会重组。聚团表面所受的流体力学曳力与其重力 平衡。而聚团间的剪切力随着聚团尺寸的增长而变大,并最终限制了聚团的生长。 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 但是,在一些临界的加速度处,形成了可见的气泡。这一结果表明,聚团的尺寸 不能被无限的减小,颗粒聚团对于细颗粒达到均一流化态是必不可少的。文献【】 建立了团聚模型,除采用粘取方法以外,还设计了一种取样器,直接从床内取样, 然后粘到胶带上,用扫描电镜拍摄下其照片,方法较为简单,对于强度大一些的 团聚颗粒和不易破碎的团聚颗粒效果更好。 已有文献表明,黏性颗粒聚团流态化的聚团直径和尺寸分布不仅与原生颗粒 的性质有关,还依赖于流化条件如气体类型、湿度和气速和辅助设施机械 振动,外加磁场,声场等。众所周知,纳米颗粒以聚团的形式流化,许多学者 提出了细颗粒流态化的聚团模型。这些模型可以分为一下三类:一类是根据聚团 在流化床中所受的力提出的力平衡模型,这些力与聚团尺寸、重力有关;一类是 能量平衡模型;还有一类是半经验模型,主要是由最小流化速度估算、床层压降 估算、.方程或修正的.方程估算、与统计、分形等数学知识相结合的估算 模型等。现将聚团模型综述如下。 ...力平衡模型 等【】人在直径为.. 的流化床中,用/进行了流态化 实验。实验结果表明,在较低的气速下,床层出现严重的沟流。当气速增加到. /的时候,床层出现一个不稳定状态,气凝胶颗粒在床内形成一定大小的聚团, 达到某种类似类颗粒的均匀流化状态,形成一个新的聚团组成的系统。他们的 实验进一步显示,聚团的形成是粉体的一种性质,不受到温度、床层初始高度、 反应器直径等因素的影响。这是首次证明了超细黏性颗粒在一定条件下,可