（化学工程专业论文）声场强化微小流化床反应器流动特性研究.pdf

摘要 微小流化床反应器不仅具有良好的传质和传热特性。其微小的体积有利于节能、减 少污染物，提高反应效率，通过引入外力场可以实现反应与传递过程的强化。因此微小 流化床可广泛用做气固催化或非催化反应的反应器。研究微小流化床中颗粒的流动特性 不仅对认识流化床在毫米级尺度下的流化机理具有重要意义，同时对微小流化床的应用 也具有重要的价值。 在内径4 3 ，5 5 ，1 0 5 ，1 5 5 ，2 0 5 和2 5 5l n i 1 的6 个气固微小流化床中，考察了 石英砂和不同粒径的催化裂化催化剂( f c c ) 的流化特性。重点讨论了颗粒、流化介质、 壁效应及空隙率对床层压降和最小流化速度的影响。结果表明，微小流化床固定床压降 计算值远大于实验值，其差值随床径增大而减小。当床径小于1 5 5r f l l r l ，流化床压降计 算值明显大于实验值，且随床径减小而增大。当床径大于1 5 5r n i 1 ，流化床压降计算值 与实验值接近。微小流化床空隙率随床径减小而增大是引起微小流化床床层压降计算值 与实验值偏离的主要原因。传统的压降与最小流化速度关联式不能直接用于微小流化 床。最小流化速度随床径减小而大大增加。在料高直径比值在1 ：1 3 ：1 范围内，随料 高增大最小流化速度呈线性增加。在本实验条件下，得到了微小流化床床径范围在 4 3 2 5 5r n i n 内的最小流化速度关联式。 测试不同的f c c 及石英砂颗粒在5 个微小流化床中的压力波动信号。使用d b 2 小波 函数对压力波动信号进行5 尺度分析。并通过不同气速下压力波动标准方差与实验图像 的对比分析微小流化床内的流型变化。结果表明，微小流化床压力存在明显波动性。第 三、四尺度的小波重构信号可以很好的描述微小流化床内由气泡引起的压力波动。在床 径4 3 2 0 51 t l l n 范围内，微小流化床随气速增大经历了固定床，散式流态化，鼓泡流态 化和节涌流态化四个流型。由压力波动标准方差得到的最小流化速度值与实验值误差在 1 0 以内。 在内径4 3m m 微小流化床中，考察了声场对f c c 及石英砂颗粒流化质量的影响。 重点讨论了声压级与频率对微小流化床最小流化速度的影响。结果表明，声场能改善微 小流化床流化质量。尤其对于粘性较大的5 1p a n 石英砂颗粒，声场可以使其消除沟流， 实现稳定流化。声压越大，声场对微小流化床流化质量改善越明显。最小流化速度随声 压增高呈单调下降趋势。相同声场条件下，声波对微小流化床最小流化速度数值降低幅 度大于大尺度流化床。声场对微小流化床最小流化速度的影响存在一最佳频率。但不同 颗粒的最佳频率不同。内径4 3r n l t l 流化床，5 1 ，6 7 ，8 3g m 石英砂颗粒与8 3p mf c c 颗粒对应的最佳频率分别为9 1 ，1 0 1 ，1 3 3 和1 4 2h z 。在一定的声压与频率下，声场可 以降低最小流化速度约1 0 2 0 。 关键词：微小流化床，声场，小波分析，最小流化速度 i i f l u i d i z a t i o np r o p e r t i e si nm i c r o s c a l ef l u i d i z e db e d s w i t ha c o u s t i ci n t e n s i f i c a t i o n x u y i q u 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 g u oq i n g i i e a b s t r a c t m i c r o s c a l ef l u i d i z e db e d s ( m f b s ) a r ec h a r a c t e r i z e de x c e l l e n th e a ta n dm a s st r a n s f e r e f f i c i e n c y b e c a u s eo ft h es m a l ld i m e n s i o no fm f b s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dw a s t e e f f l u e n ti sd e c r e a s e dg r e a t l y w i t ht h ei n t e n s i f i c a t i o no fa c o u s t i cw a v e ，t h ee f f e c to ff l o w , h e a t a n dm a s st r a n s f e rr a t e si nm f b sa r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i tc a nb eu s e da sc a t a l y t i ca n d n o n ec a t a l y t i cr e a c t o r s t h ef l u i d i z a t i o np r o p e r t i e sa r ev a l u a b l ef o rt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n si nm f b 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 f q u a r t zs a n da n df c cc a t a l y s tp a r t i c l e si n6 m i c r o s c a l ef l u i d i z e db e d sw i t hi n n e rd i a m e t e r s ( d t ) o f 4 3 ，5 5 ，1 0 5 ，15 5 ，2 0 5 ，2 5 5n 2 i na r e i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fp a r t i c l e s ，g a sp r o p e r t i e s ，w a l le f f e c ta n db e dv o i d a g ea r e e x a m i n e d ，r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r e t i c a lp r e s s u r ed r o p so ff i x e d b e di nm i c r o s c a l ef l u i d i z e db e d sd e v i a t ef r o mt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ，a n dt h ed e v i a t i o n i n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gb e dd i a m e t e r w h e nd ti ss m a l l e rt h a n15 5n u n ，t h et h e o r e t i c a l p r e s s u r ed r o p so ff l u i d i z e da r eg r e a t e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ，t h e nt h et h e o r e t i c a l p r e s s u r ed r o p so ff l u i d i z e db e d ss h o wn oo b v i o u sd i f f e r e n c e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s w h e nd te x c e e d st h a n15 5i n l n 。t h em a i nr e a s o ni st h a ts m a l l e rd tc a u s e si n c r a s e db e d v o i d a g e t h ep r e s s u r ed r o pa n dn l i n i m u l t lf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yc o r r e l a t i o n sd e r i v e df r o m l a r g es i z ef l u i d i z e db e d sf a i lt oc o m p u t em f b s t h ei n 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 y ( u m f ) i s i n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n gd t w h e nt h er a t i oo fh st od tr a n g i n gf r o m1t o3 ，, m f i s e x p r e s s e d b yl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hh s an e we q u a t i o nw a sd e v e l o p e dt op r e d i c tu m fi nm i c r o s c a l e f l u i d i z e db e d su n d e rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw i t hi t se r r o rb e i n g15 t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a l so ff c c c a t a l y s ta n dq u a r t zs a n dp a r t i c l e si nm f b sa r e t e s t e d t h es i g n a l sa r ea n a l y s e db yd a u b e c h i e s2 - o r d e rw a v e l e tu s i n g5s c a l e s t h e nt h ef l o w r e g i m e si nm f b sa r ei d e n t i f i e db ya n a l y s i n gt h es t a n d a r dd e v i a t i o n st o g e t h e rw i t ht h e i i i p i c t u r e so ft h eb e d sa tv a r i o u sg a sv e l o c i t i e s b yr e c o n s t r u c t i n gt h e3a n d4s c a l es i g n a l s ，t h e f l u c t u a t i o ns i g n a l sc a u s e db yb u b b l e si nm f b sc a nb es e p a r a t e de f f e c t i v e l y w h e nt h eb e d d i a m e t e rr a n g e sf o r m4 3l n i nt o2 0 5m m ，t h e r ea r ef o u rd i f f e r e n tf l o wr e g i m e s ：f i x e db e d ， u n i f o r m f l u i d i z a t i o n ，b u b b l i n gf l u i d i z a t i o n ，a n ds l u g g i n gf l u i d i z a t i o n n ot u r b u l e n t f l u i d i z a t i o nr e g i m ei so b s e r v e di nm f b s f i n a l l y , t 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 i e s e v a l u a t e db yp r e s s u r ef l u c t u a t i o nr a n g ea c c o r dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u 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 fq u a r t zs a n da n df c cc a t a l y s tp a r t i c l e si na ns o u n d a s s i s t e dm f b sw i t ho f4 3m l i li d w e r ei n v e s t i g a t e da tv a r i o u ss o u n d - p r e s s u r el e v e l sa n d f r e q u e n c i e s a na c o u s t i cf i e l dc a nd e c r e a s et h eb e dv o i d a g eo fm f b sa n di m p r o v et h e f l u i d i z a t i o nq u a l i t yo ff i n ep o w d e r s a tt h es a m es o u n df r e q u e n c y , 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 i e sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gs o u n dp r e s s u r el e v e l t h em 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 o ff c c ( 8 3 m ) a n dt h r e ek i n d so f q u a r t zs a n d ( 51 , 6 7 a n d 8 3 m ) h a v eam i n i m u m v a l u ew h e n t h es o u n d f r e q u e n c i e sa r e1 4 2 ，9 1 ，1 0 1 ，1 3 3h z ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h ea s s i s t a n c eo fa c o u s t i c w a v e ，t 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 i e si nm f b s a r er e d u c e db y10 - 2 0 k e yw o r d s ：m i c r o s c a l ef l u i d i z e db e d ，a c o u s t i ca s s i s t a n tf i e l d ，w a v e l e ta n a l y s i s ， m i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t y i v 符号说明付丐况明 粘滞媒体中声波传播速度，m s 恒压摩尔热熔，j ( k m 0 1 ) 恒容摩尔热熔，j 涨m 0 1 ) 颗粒平均粒径，g r n 流化床内径，l 衄 声波频率，h z 重力加速度，m s 2 升速料高，m m 降速料高，r n l t l 静床高度，m n l 流化床高度，衄 临界流化床高，哪 “坤随z ，删变化斜率 平均压降，p a 床层压降，p a 固定床理论压降，p a 流化床理论压降，p a 最小流化速度下雷诺数 v i i 声压级，d b 终端气速，m s 表观气速，m s 最小鼓泡速度，m s 最小流化速度，m s 最小流化速度实验值，m s 最小流化速度理论值，m s 声吸收系数 空隙率 临界流化空隙率 理想气体粘滞系数 气体粘度，p a s 气体密度，k g m 3 颗粒堆积密度，蚵 颗粒密度，k g m 3 标准方差 球形度 热传导系数 吼 咋 蛳 8 钳 ，叩 腓 邝 邝 g 缈 x c q q 诈取 厂 g 巩 玩 凤 凰 鼬 尼 i 凹 哦 哳 独创性声明和使用授权书格式 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 稳腺 同期：2 0 p 夕年5 月8r 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 陪同 f 孑同 中国石油大学( 华东) 硕士论文 1 1 概述 第一章前言 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。流态化技术依靠流化床反应器来实现。其原理是在流化床内 将固体散料悬浮于运动的流体之中，使颗粒与颗粒间脱离接触，从而消除颗粒间的内摩 擦现象，使得固体具有了类似液体的流动性能，颗粒悬浮于流体中并发生激烈运动，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过程中常见的强吸( 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。流态化技术所拥有的这些特性，使得流态化作为 一种重要的流固相间物理操作或化学操作的技术被广泛应用【l 】。 早期的流态化技术主要为鼓泡流态化及液固流态化。上世纪2 0 年代初，流态化首 先应用在粉煤燃烧技术上韫克勒气化炉。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 a 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。自2 0 世纪4 0 年代初，石油流 化催化裂化工艺开发成功，使得快速流态化的应用研究取得了重大进展。近年来，由于 生产实际需求的推动，气、液、固三相流态化、外力场下的流态化以及微小流化床内流 态化得到新发展，成为引人注目的前沿研究领域。迄今，流态化技术已渗透到石油、化 工、冶金、原子能、环保等工农业生产的各个领域，并己成为颗粒和粉体的制备、加工、 改性、输送以及改善催化反应的有效手段【1 1 。 流态化技术与颗粒的本质特性密切相关。不同类型的颗粒在流化床中会有不同的流 化状态。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，提出了适用于气固系统 的颗粒分类方法g e l d 眦颗粒分类法，根据不同颗粒的粒度及气、固密度差，将颗 粒分为a ，b ，c ，d 四类，如图1 1 所示： 第一章前言 g 面 _ o 糕 型 糖 半均粒径t t m 图1 - 1g e i d a r t 颗粒分类法 f i g l - 1 g e l d a r tp a r t i c l e st y p e a 类颗粒称为细颗粒或可充气颗粒，一般具有较小的粒度( 3 0 1 0 0t m a ) 及表观密 度( p p 完全分离颗粒 部分混 合颗粒 完全混合颗粒 细颗粒。 1 3 2 膨胀高度 当颗粒达到最小流化速度后，颗粒重力与气体曳力和浮力之和平衡，颗粒间脱离接 触，达到流化状态。此时，颗粒间距增大，空隙率增加，床层整体体积增大，床高增加。 不同气速下，床高会有不同的数值。因此，在流化床反应器中床层膨胀高度是表征流化 质量的一个重要参数。在实际的工业生产中必须保证正常的催化剂的流化高度。如果流 化高度过低，流化状态不好，影响产品的产率；如果流化高度过高，一方面反应可能无 法控制，有很大的危险性，另一方面无法提高生产负荷，影响生产能力【4 3 1 。 典型的g e l d a r ta 类颗粒的床层膨胀曲线如图1 2 所示。在一般尺寸流化床中，当气 速达最小流化速度时床层发生膨胀。继续增大气速，流化气体使颗粒间距增大，膨胀高 度增加。当气速达最小鼓泡速度时，膨胀高度达最大。但继续增大气速，多余的气体并 不是进入颗粒群中进一步增大颗粒间的距离，而是形成气泡，床内均一的气固两相状态 被打破，床层分为主要含气体的气泡相和主要含颗粒的* l n 。气泡的形成减少了粒隙气 体流率，床层收缩，膨胀高度降低，进一步提高气速，越来越多的气泡产生，床层高度 又会随气速升高而升高，并大大高于散式流态化的床层高度。因此床层膨胀高度可以作 为流化床流型转变的依据。对于超细颗粒，床层膨胀高度还可以表征c 类颗粒的粘聚性。 9 第一章前言 要 毒 h 噼 矗，一，l b 出 图1 2 典型g e l d a r ta 类颗粒在常压下的床层膨胀曲线 f i g l 一2 b e de x p a n s i o no fg e l d a r ta p a r t i c l e su n d e ra t m o s p h e r ep r e s s u r e 1 3 3 床层压降 流过固定床的流体，其压降随着流体流速的增加而增大。流体压降与流速之间的关 系近似于线形关系，可用e r g u n 公式表示。但是，随着流体速度的不断增大，当流速达 到某一临界值以后，压降与流速之间不再遵从e r g u n 公式，而是在达到一最大值之后， 略有降低，然后趋于某一定值，即床层静压。此时，床层处于由固定床向流化床转变的 临界状态，相应的流体速度为最小流化速度。此后床层压降几乎保持不变，并不随流体 速度的进一步提高而显著变化。如果缓慢降低流体速度使床层逐步回复到固定床，则压 降将沿略为降低的路径返回，如图1 3 中实线所示【2 4 】。 在忽略床层空隙率和气相密度的情况下，床层内颗粒起始流化时床层压降等于单位 床层截面积上的物料重量 2 3 1 。依据此压降近似值结合床层压降一气速曲线可以近似作为 判定颗粒达到流化的依据。 p = ( 1 一) ( 砟一p ) g h b = 孚 ( 1 4 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 u g r n s 图1 - 3 均匀粒度沙粒床层的压降与气速关系 f i g l - 3 p r e s s u r ed r o p sa c r o s st h es a n dp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tg a sv e l o c i t i e s 1 3 4 压力波动 压力波动是气固流化床的一个重要动力学特征【4 4 1 ，与流化床的动量传递、传热及 化学反应都有密切关系；对流化床装置操作也有显著影响。许多研究表明，压力波动包 含了流化床内的综合动态信息，是颗粒特性、床的几何特性、气泡特性等多种因素相互 作用的外在动态反映。早在五、六十年代，许多研究者便注意到了流化床中的压力波动 现象，但关于压力波动的原因却众说不一。早期的研究者对此有两种不同的观点。 t a m a r i n 和h i b y 认为压力波动与床高波动有关。l i b r a y 和l i t t m a n 认为床高的波动引起 气泡从床层表面逸出，引起压力波动。而k a n g 等 4 5 】贝0 认为气泡的运动引起了气体的流 动方式、状态和密相空隙率的变化，最终导致了压力波动。压力波动的主要分析方法大 致分为时域统计分析、频域分析及非线性分析。不同的分析方法会给出不同的特征量来 表征床层的行为特性，用于不同的目的，如流型的识别、流化床参数检测、流化质量的 判断等。 蔡平掣4 印人对在流化床气体分布器上方轴向相距1 0 0i 姗位置处的两个压力传感 器的信号进行了分析，利用凝聚函数和压力波动方差函数找到了流化床内由鼓泡床向湍 动床转变的临界速度。j o s e p 等人【4 7 】总结了不同实验方法的流型转变临界速度，考察了 11 第一章前言 g e l d a r t 分类中不同类的3 6 种颗粒的流化特性和流型转变速度。y e m s h a l m i 等【4 8 j 发现压 力波动信号很显著地指示了鼓泡流态化向湍动流态化的过渡。压力波动幅值随着气体流 速的增加达到最大，对应特征气速t t ；气速进一步增加时脉动幅值开始下降，直至 接近某一较低的常数值，并对应另一特征气速魄，认为当u g u 。时表示流型开始向湍动 流态化过渡，而当u g u k 时表示流型已完全进入湍动流。阳永荣等【4 9 】利用压力探头和光 导纤维探头考察了湍动流态化的上下限及实验判别准则，实验结果表明压力波动可以用 于判定进入湍动流态化的流型过渡及脱离湍动流态化的流型过渡。 黄轶伦等【5 伽和h a v 等【5 1 1 对流化床内的压力信号进行分析，应用了不同的混沌特性参 数来评判流化床的特性，提出了气泡行为是流化床内产生混沌运动的重要原因。赵贵兵 【5 2 】等利用混沌分析确认了压力波动中存在着大量谐波构成的周期信号。b a 等【5 3 】采用传 统方法和混沌方法分析了不同流型时的床层压力信号特征，得出了相似的结论。 流化床的流化质量的表征主要是从床层的流动性、均匀程度、膨胀性能以及床层内 气固之间的传质、传热等角度来进行的，但是根据不同评价方法往往会得出不同的结论， 目前很难统一起来，并且这些理论的通用性有限。对于一些不常用的流化体系仍需要设 计特定的实验来评价流化颗粒的流化性质。s a x e n a 等【5 6 】采用压力信号作为流化床内 流化特性的一种表征，评价了粒径分布从1 4 7l x m 到1 4 9 9g m 的单粒径玻璃珠在流化床 内的气泡或空隙的更新频率，认为这是一项简单可行的新技术。s o n g 等【5 7 认为压力波 动是流化床分布板故障的敏感指数，建议用压力波动来检测和控制流化床的性能。研究 发现随着分布板堵塞面积增加，压力波动时间序列的脉动区间和标准差都增加。而压力 波动的主频则基本保持为常数，不随着分布板堵塞的程度和位置而改变，认为这些统计 特性可用来诊断分布板故障。h i r o y u k i 等【5 8 】研究了在气固流化床中插入筛网时的压力波 动信号，结果表明插入筛网可以起到破碎气泡的作用，产生较小的压力波动幅度和较高 的脉动频率，提高流化质量。k a i 等 5 9 】用内径81r n l t l 的流化床反应器进行一氧化碳的甲 烷化反应，使用压差脉动的平均偏差来测定流化状态，得到压力脉动的平均偏差和一氧 化碳的转化率之间的关系。实验表明，随着反应的进行，不同的转化率下，流化质量会 显著变化，产生局部流态化停滞、节涌以及颗粒的夹带等，并引起压力脉动幅度的变化。 用压力脉动偏差平均幅值可定量地对流化质量进行判定。c h o n g 等【6 0 将流化床局部压差 用于流化状态的控制。对压差脉动的时间序列建立了自回归模型并将其与床内气固混合 程度联系起来。认为压差脉动方差较小时，对应的是轻微的流化状态，方差较大时，对 应鼓泡或节涌。估算的模型参数的均值随流化速度规则变化，从而也随着床内气固混合 12 中国石油大学( 华东) 硕士论文 程度而变化。 1 4 外力场流态化研究进展 近年来超细颗粒在新材料中得到广泛应用，但由于其具有较强的粘附性，流化质量 较差且必须在较大的气速条件下才能流化。因此一般采用两种方法改善超细颗粒的流化 质量：一是引入外力场，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，通过添加颗粒或表面包裹的方法来改善超细颗粒的流化质量。利用外力场来改善 超细颗粒的流化性能，是通过利用外加的能量来克服或削弱颗粒间力，从而达到改善超 细颗粒流化质量的目的。这类使用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，提高传质和传热效率；( 2 ) 增大流化床的操作范围，提高设备生产能力。因此外场辅助超细颗粒流态化已成为国内 外研究的热点。 1 。4 1磁场流化床研究进展 磁场流态化研究可分为两类，一类是添加磁性介质，借助磁性介质在磁场中的受力 改善超细颗粒的流化质量；另一类是直接考察超细磁性颗粒在磁场中流化行为。研究表 明，磁场对这两类介质的流化质量均有明显改善。同时，磁场使得床层的流化行为、床 层中颗粒的受力状况以及流化床模型的构建更加复杂，对此研究者们提出了各自的观 点。 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：磁场的方向，包括 轴向磁场和横向磁场；磁场的性质，包括恒定磁场和脉冲磁场；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、流化床操作范围等参数 的影响。轴向磁场中磁链方向与流体流向平行，床层流速操作上限较高，但由于颗粒轴 向聚集成链易使床层在流动方向上形成较大空隙，床层分布不均。径向磁场磁链与流体 流向垂直，介质在径向上排列成链，避免了在流动方向上产生过大空隙，在一定磁场强 度范围内，径向磁场可有效避免流体短路。由于轴向磁场在流动方向上对颗粒曳力最小， 而径向磁场中颗粒受到流体曳力作用具有旋转趋势。因此达到稳定操作状态径向磁场所 需场强较轴向磁场大【6 1 】。恒定磁场优于脉冲磁场，脉冲磁场随频率的增加流化质量提高。 当磁场强度增加，流化质量提高，但当磁场强度达到极大值时，磁性介质会发生凝聚， 形成磁凝床，使流化质量变差，因此磁场强度存在一个最优操作范围。 1 3 第一章前言 研究者认为【6 2 1 ，磁场的加入使得床层中的铁磁性颗粒在磁场力的作用下沿着磁力线 方向形成很多针状结构，即磁链，该结构能有效破碎气泡，防止沟流发生，改善超细物 料的流化质量。 朱庆山等【6 3 】研究了轴向磁场作用下超细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五个阶 段。磁场强度增加，气泡尺寸减小，且流化床操作存在最优范围。等磁场强度下，随着 铁粉比率增加，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，表明恒定磁场优于脉冲磁场。脉冲磁场下气泡尺寸随频率增加而减小。 吕雪松等畔】发现在粘性颗粒中添加铁磁性颗粒和横向旋转磁场可以明显改善粘性 颗粒的流化质量。通过对比床层膨胀曲线和升、降速压降曲线考察粘性颗粒及其与铁磁 性颗粒组成的混合体系的流化特性。发现：( 1 ) 床层膨胀比明显增大，床层滞气能力提 高；( 2 ) 升速曲线和降速曲线下床层压降的一致性提高，表明横向旋转磁场能够有效消 除沟流：( 3 ) 床层压降稳定性提高，床层达到平稳流化后，加入磁场整个床层压降比未 加入磁场要稳定；( 4 ) 粘性颗粒的粘壁现象大大降低。 1 4 2 振动流化床研究进展 在普通流化床中引入机械振动，可以改善流化床中颗粒的流化特性【6 5 1 。对在普通流 化床中难以流化的超细颗粒，采用振动流化床( v f b ) 技术可以得到良好的效果，起始流 化气速降低，颗粒的粘结机会减少，流化过程o r , 乎没有扬析发生【66 | ，床层中气固、固 固接触加强，传热、传质速率提高，能耗降低。振动的引入对固体颗粒的剪切作用增强， 有效抑制了气泡在沿床高上升过程中的聚并，拓宽了流化床的操作范围。在实际操作中， 通过调节外加振动的振幅、振频和振动方向，控制颗粒在反应器中的流化参数，以适应 不同物料、不同反应条件下的连续处理过程，使产品质量得以控制。 对于振动流化床的研究报道较少，多数研究集中在考察振动强度指数( 包括振动频 率和振幅) 、压力和颗粒粒径对最小流化速度、床层空隙率的影响。对振动的加入角度、 加入方式，加入时间等方面的研究少有报导，尚需进一步研究。 n a m 等【6 6 j 对粒径1 2a 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 5 9 范围内可以实现平稳流化。最小流化速度约为0 3 枷4c m s ，且无气泡和 扬析产生。采用分形的方法对聚团的大小和空隙率进行了预测。 m a w a t a r i 等 67 】的研究结果表明，随振动强度的增加，最小流化速度显著降低，床层 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 空隙率略有下降。振动强度较小时，最小流化速度实验值与计算值存在差异，原因在于 超细颗粒形成聚团使其表观直径增大。当振动强度增大，聚团被破碎，二者差异减小。 m a w a t a r i 等【6 8 】还详细考察了颗粒粒径对振动流化床的影响。表明，随着振动强度 增加，超细颗粒的最小流化速度减小，此趋势随着粒径的增大减弱，打破沟流的表观气 速底限减小。振动对于粒径大于3 0i n n 的颗粒的流型几乎没有影响，但对粒径小于2 01 t m 的颗粒则具有消除沟流的作用。 n o d a 等【6 9 】考察了压力对粒径6l x r n 的玻璃珠流化行为的影响。研究表明，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 4 3 声场流态化研究进展 声场流态化是将声波从流化床顶部或底部传入流化床中，达到改善超细颗粒的流化 质量的效果。与磁场流态化相比，声场流态化有其独特的优势，可以有效降低流化床中 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化，显著地改善超细粉体的 流化质量，而且声能还具有不受颗粒物性限制，无需分离被流化颗粒与磁性介质，可采 用辐射方式引入流化床的优点。研究者对不同粒径的超细颗粒的声场流态化进行了考 察，讨论了声波频率、声压级、床层高度、床层重量、颗粒聚团、鼓泡特性等特性参数。 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。 l e v y 掣7 0 1 考察了粒径4 0t a m 的超细颗粒在声场浅层床中的流化行为。在床层自然 振动频率下，高强度声波能降低最小流化速度和最小鼓泡速度。声压级升高使床层膨胀 率降低、鼓泡频率升高。床层深度和鼓泡频率对声场的响应时间约为3 , - - , 4s 。 z h u 等【7 1 】对纳米级硅颗粒形成的1 0 0 - - 4 0 0 岫的聚团进行了声场流态化研究。发现 在低频声波的辅助下纳米聚团可以实现平稳流化，沟流和节涌迅速消失，床层均匀膨胀。 最小流化速度从0 1 4c m s 降至0 0 5 4c m s 。在频率2 0 0 , - - - 6 0 0h z 范围内出现鼓泡流态化。 床层膨胀率和鼓泡性质受声波频率和声压级影响。但当声波频率高于2 0 0 0h z 时声波对 流化无明显影响。 h e r r e r a 等 j 7 2 】对粒径11 - 8 0 岬的颗粒在声场流化床中的鼓泡特性进行了研究。结 果表明，高声强可以降低粉末间的粘性力，使之形成均匀的鼓泡流态化。最小鼓泡速度 受声压级、颗粒密度和颗粒尺寸的影响，可表示为u m b = f ( 讳，p p ，s p l ) 。随声压升高最 小鼓泡速度下降。颗粒粒径在1 0 , - - - 1 5 岬范围内最小鼓泡速度可达到0 1c r n s 。自由鼓 1 5 第一章前言 泡床中气泡尺寸随声压增大而增大。气泡频率主要取决于超额气速，二者呈线性关系。 r u s s o 等【7 3 】对平均粒径0 5 - - 4 5l x m 的催化剂颗粒进行声场流态化，详细考察了固 体质量、声压级和声波频率三者的综合影响。在声波频率1 1 0 1 4 0h z ，声压级1 4 0d b ， 床层质量小于3 蝇的条件下流化状况良好。 c h i r o n e 等【硎认为，固定频率下声场改善流化状态的原因在于声波促使大聚团分散 成为小聚团，外力和分子间力在聚团破碎过程中起了重要作用。忽略分别由最小流化速 度和终端速度得到的小聚团尺寸的残余项，可以估算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。 c h i o r o n e 等【7 5 , 7 6 】在研究声能对超细颗粒流化行为的影响时发现，低频强声场可以显 著降低聚团尺寸和起始流化速度，使超细粉表现出a 类颗粒的流化行为，颗粒夹带也 大大减少，从而显著的改善超细颗粒的流化质量。实验发现，无声场时，超细颗粒在床 中形成大聚团，其直径甚至与床径相当，无法正常流化，难以得到压降曲线与膨胀曲线。 引入适当声压与频率的声场后，流化质量得到显著改善。当频率为1 2 0h z 时，声压越 高，超细颗粒的流化质量越好。当声压一定，频率在1 2 0h z 左右时其流化效果最好， 此时流化床中形成的聚团尺寸最小，最小流化速度最低，高于或低于这个频率范围，其 流化效果都将变差。 l i u 等l _ 7 。7 】研究了2 种纳米s i 0 2 颗粒在声场流化床中的流化特性，发现当声压为9 9 8 d b 时两种颗粒的最小流化速度分别从0 1 7 0m s 减d , n0 1 0 1m s 和从0 0 9 0m s 减d , n 0 0 5 6 m s 。 g u o 等【7 8 1 在内径5 6n l t l l 的声场流化床中研究了粒径5 1 0i i i l l 的s i 0 2 颗粒的流化 特性，发现声压1 0 0d b ，频率3 0 - - - ，5 0h z 时颗粒的最小流化速度减小，频率超过7 0h z 后，最小流化速度随频率的增加而增加。g u o 等 7 9 - 8 1 】通过对声场流化床超细颗粒的流化 特性进行了系统的研究和理论探讨，建立了声场流化床颗粒聚团尺寸模型。 x u 等【8 2 】研究发现声波同样可以改善a 类颗粒的流化质量。基于声波对气固流化质 量的改善，提出了一种新的a c 颗粒分类方法。 司崇殿等网研究了声场流化床a 类颗粒的颗粒浓度分布，发现由于声波的衰减和 吸收，声波能量对流化床分布板区域影响较小。 1 5 对已有研究的评价及前景展望 目前对微小流化床的研究还处于起步阶段，未形成较系统的研究体系。个别对微小 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 流化床床层压降，最小流化速度和壁效应的研究多局限于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。气固微小流化床的研究仅停留在厘米级床径阶 段，对毫米级床径下的流化状态则未有研究。 通过引入外场强化流化质量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。对于微小流化床流态化以及外场微小流化床流态化则未有研究，相关工作需进一 步展开。 基于现有的研究成果，本工作从以下几个方面对外场强化微小流化床开展研究： ( 1 ) 毫米级床径下微小流化床的流化机理尚未见报导。此微小床径下，其流型演变 可能不再按大尺寸流化床流型的发展趋势。壁效应较之大尺寸流化床必然大大增加，流 化难度增大。最小流化速度与床层压降可能发生较大改变，不能简单应用现有的研究结 果进行计算，应重新建立模型。 ( 2 ) 微小床径下，床内气固接触形式、气泡的形成与发展可能受床径影响而发生质 的变化。采用压力波动来分析微小流化床的流型演变，并分析其最小流化速度等参数的 变化，对建立微小流化床理论体系提供必要的依据。 ( 3 ) 微小流化床的特点使其更适用于较小的a 类或c 类颗粒的流化。声场可以显著 改善a 类及c 类颗粒的流化质量。同时声场的引入可以使颗粒与颗粒间以及颗粒与壁 面间相对运动加剧，因此可以克服微小流化床壁效应明显增强，最小流化速度明显增大 的缺点。基于上述优点，外场强化微小流化床的研究具有重要的实用价值。相关研究未 见报导。 1 7 第二章a 类颗粒微小流化床实验 2 1 概述 第二章a 类颗粒微小流化床实验 微小流化床反应器不仅具有良好的传质和传热特性，其微小的体积有利于降耗、减 排，提高反应效率，实现反应与传递过程的强化【2 。1 2 1 。可用于高温气化反应，热重分析， 以及作为挥发性有机化合物( v o c s ) 的催化氧化处理反应器。前人对影响流化床床层 压降及最小流化速度的多个因素如颗粒粒度分布，球形度，流化介质物性等进行过大量 实验，但仅限于厘米级床径下流化特性的研究，对于毫米级床径的微小流化床尚缺乏系 统的研究。因此研究毫米级微小流化床内不同颗粒的流化特性对完善各种尺度流化床内 的流化特性有着重要的理论意义，对微小流化床反应器的设计、操作及强化有着重要的 实用意义。本实验选取催化裂化催化剂及石英砂颗粒，分别以氮气、空气和二氧化碳为 流化介质，在内径4 3 2 5 51 1 1 t 1 的6 个气固微小尺度流化床中，调查了不同操作条件及物 性参数对微小流化床床层压降的影响，根据床径及料高对最小流化速度的影响规律，得 出了适用于微小流化床的最小流化速度预测式。 2 2 实验装置 微小流化床装置如图2 1 ，主要由