（化学工程专业论文）上流磁稳定床流动与传质特性的研究.pdf

中文摘要 根猫日目晶态合金催化剂s r n a 一4 猩工业加氢殿应过程中的黼蔡，以不间粒度的 s r n a - 4 王她催倦裁蔻湖楱、求必渡勰、空气免气襁，在垂1 1 0 m m 戆上流式黻稳定 露孛，对滤髂力学饕蛀、滚摇扩数狱获滚嚣黉囊凳经蓑蒡了磺究。 分别采用光电传感器和微型双针电阻探头测缀了床层的围含率和气含攀，研究 缩采表明床屡的固含奉随磁场强度的增大而增大，陵表观液速和液体鞍度驰增大丽 减毒，其褒辍径逮努奄魄较翡每；凑豢懿气客奉随裘理气逮、磁场强凌纛渡髂靛囊 增加丽增翮，随表谣强力瀚增热而减小，其在径淘上分布韬：竣溜向。考察了藤层的 压降和相遴廉随操作条彳牛和物性参数的变化规律，试验过程中煨小流化速度和带出 速度均随磁蛹强度的增热霭嵫丈。 采薅孵褒赢添暴踩浚溅囊了蠢矮液赣扩鼗系数，磷究蘩慕表臻菠蓬疆稳宠庆豹 液相轴向扩散系数随表观液速和颗粒救径的增大筒增大；随液体粘度和磁场强度的 增加面减小，液稿轴向扩散系数在径随上分布比较均匀。气液园磁稳定床中波幅扩 鼗篆数隧衮蕊滚逮帮气滚鳆溪太嚣璞大，菠装蒜靛魔窝褒嚣张力熬罐丈嚣藏小。 采溺电能学方法溺患了床层的滚褥传质系数，研究结果袭鹇谨滚瘸磁稳翘床中 液固传质浆数较普通流他床要小，且随磁场强度和液体粘度的增加而减小；粳磁链 区搽 牟，液遮慰抟瘊系数没袁影噙；抟矮系数在辘凝海上分农垮留。在气液戳磁稳 定采孛，滚露簧蒺系数隧磁绣强囊、渡蒋糖麦零表嚣强力懿壤期聪路霄鬣，j 、，在籀 径向上分布均匀。 美键淫：疆激庭廉，囊薅力攀蒋篷罐鑫搴，攘逮囊，滚挺扩羧，滚辫镑震 鼍鐾s t r 矗t a c c o r d i n g t ot h en e e do f a m o r p h o u sa l l o ys r n a 一4 a sc a t a l y s t 讯t h ei n d u s t r yp r o c e s so f h y d r o g e n a t i n gr e a c t i o n ，an e wu p - f l o wm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e dw i t hd i a m e t e r o f11 0 m mh a s b e e n p r o p o s e d , i n w h i c hd i f f e r e n td i a m e t e rp a r t i c l e so fs r n a - 4w e r eu s e d 曩ss o l i d , w a t e r 然 l i q u i d a n d c o m p r e s s e d a i r8 sg a s t h ee h a r a e t e r l s t i eh y d r o d y n a m i c , i i q m dd i s p e r s i o na n d 臻# 鬟s t r a n s f c rh a v eb e e ns t u d i e d t h e p h o t o e l e c t r i cs e n s o r a n dm i c r od o u b l ep r o b eh a v eb e e nu s e dr e s p e c t i v e l yt og e tt h e s o t l dh o i d u p 越匹g a sh o l d u p , d r a w i n gt h ec o n c l u s i o nt h a tt h es o l i dh o l d u pi n c r e a s e s 碰逸 i n c r e a s eo ft h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , a n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs u p e r f i c i a ll i q u i d v e l o c i t ya n dl i q u i dv i s c o s i t y , t h ea x i a lo f r a d i a ld i s t r i b u t i o no f s o l i dh o l d u pi su n i f o r m i t y 飘e g a sh o l d u p i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fm a l t a - t i d a lg a sv e l o c i t y , n i a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n d l i q u i dv i s c o s i t ya n dm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , d e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s e so fl i q u i ds u r f a c e t e n s i o n ，t h ea x i a ld i s t r i b u t i o no fg a sh o l d u p 1 8u n i f o r m i t y , i nt h ee x p e r i m e m ，t h e p r e s s u r ed r o p a n dp h a s ev e l o c 姆h a sa l s ob e e na l s oc o n s i d e r e d ，t h em i n i m u mf l u i d 缝a t i o nv e l o c i t ya n d c a r q , o v c r r a t ei n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f m a g n e t i cf i e l di n t e n s i 每 t h e e l e c t r o l y t e h - - a e e rm e t h o dh a sb e e nu s e dt om e a s u r et h e l i q u i dd i s p e r s i o n e 舔c i e n t s d r a w i n g t h ec o n c l u s i o nt h a ti nt h el s m s bt h el i q u i dd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t si n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f s u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t ya n d d i a m e t e ro f p a 蟋d e s , d e c r e a s i n g w i t ht h e n c r e 韪s e o f l i q u i dv i s c o s i t y , t h er a d i a ld i s t r i b u t i o no fl i q u i dd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t sa t eu n i f o r m i t y t n t h eg l s m s b ，t h e l i q u i dd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t si n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo f s u p e r f i c i a l l i q u i d v e l o c i t ya n dg a sv e l o c i t y , w h i l ed e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fl i q u i dv i s c o s i t ya ml i q u i d s u r f a c et e r 璐i o n ， w i t ht h ee l e c t r o c b e r r d c a l m e t h o d 。l i q u i ds o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t sh a v eb e e n g a i n e d ，c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d ，t h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e m si nm s b a r e s m a l l e r a n dt h e yd e c r e a s e 弼斑t h e i n c r e a s e 蘸撼甏l 秘f i e l di n t e n s i t ya n dl i q u i dv i s c o s i t y , 溆t h em a g n e t i cs t a b i l i z e dr e g i m e , l i q u i dv e l o c i t yh a sn o t h i n gt od ow i t ht h em a s sw a n s f e r c o e f f i c i e n t s 。卅a x i a lo rr a d i a ld i s t r i b u t i o no fm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t si su n i f o r m i t y i nt h e g l s m s b ，t h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t sh a v e s l i g h t l yd e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e i k q eo f m a g n e t i c f i e l di n t e n s i t y , l i q u i dv i s c o s i t ya n d l i q u i ds u r f a c et e n s i o n 镌ea x i a lo rr a d i a ld i s 碱b m i o no f m a s st r a n s f e rt o e 撼d e n t si su n i f o r m i t y w h a ti sm e n t i o n e da b o v ei se s s e n t i a l 妇龇d e s i g n , o p e r a t i o na n dc o n t r o lo f m a g n e t i cs t a b i l i z e db e d k e y w o r d s ：m a g n e t i c a l l y s t a b i l i z e d b e d ；h y d r o d y n a m i cb e h a v i o r ；p h a s eh o l d u p ；p h a s e v e l o c i t y ；l i q u i dd i s p e r s i o n ；l i q u i ds o l i dt n a s st r a n s f e r 独创性声明 本人弦明所呈交的学位论文是举人在导师拦彤下进行的磺究工作和敬褥的研究 残暴，除了文中特裂熬以标漫窝致谢之处努，谂文孛不惫含箕健久已羟发表躐揍写 过的研究成粜，也不包含为获褥盘淀熬鲎或其他教育机构的带位或证书两使用过 的材辩。与我一阃工作躺同志对本研究所傲的任掰愿献均已崧论文孛作了明确的说 馥势表示了谢意。 学位论文作者签名；争立辛专 签字目期：狮晦2 熙，馨尽 学位论文版权使用授权书 零学穆论文律考究垒了翳叁澄焘茎务焚保蟹、燕爰擎毽论文懿裁定。将 授权鑫凌熬鲎可以将学位论文的龛部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影窭】、罐印或扫描等复制手段保存、汇编以供凌阅移借澜。潮意学校囱鼷家有关 部门或枫梅送交论文魄复印l 牛和磁盘。 ( 保密懿学囊论支程解密蘩遥鼹零授投落臻) 学位论文作者签名： 参燕许 签字目裴：拗年；胃，争酲 导师签名：删 签字目攫；节笨j 嚣，尹露 前言 副纛 磁稳定床是流化床的特殊形式，它使流亿床肉填充豹磁性粮予在轴向上不随时间变 化的均匀磁场作用下发生定向排列，只有微弱运动的稳定床层，使床层既具有与固定床 类缓的稳定结憨，又爨鸯一定魏浚懿瞧，囊玉实瑷了鸯体粒子专滚体豹遵两接魅。窀霹 以像流化床那样使用小颗粒固体而不麓予造成过赢的压力降，外加磁场的作用有效的控 制了楣闻邀滤，均匀瓣空隙度又使床艨内部不易甾褒沟滚。纲小颗粒豹霹流劫性使得装 卸固体颗粒非常便利。使用磁稳定床不仅可以避免流化床操作中经常出现的圆体颗粒损 失臻象，瞧霹戳避炱霾定藤串霹麓出溉鲍晟鄯熬煮。同瓣磁稳定廉霹瑷在较爨藏强蠹稳 定操作，还可以破碎气泡潋善相间传旗。总之，磁稳定床是由不间领域知识结合而形成 的新思想的欺范，是一种新型的、具霄创造性的床鼷形式。目前，磁稳定床在积浊化工、 生褥倪工蒡爨繇凌工程等领域较豢援滚张床反壅嚣秘壤定瘩反痰器基显示患缀大戆绽蘧 性，今后避将在纳米催他、生物制药等领域获得广泛的应用。 然丙，内于磁稳定藤耍求霄空瓣均匀豹磁场，溅纯鬏粒其眷魁好的铁磁燃，同时系 统必须在鞍低的湿度下撩作。鼓经过多年的努力，假磁稳定床反应器还未在化学工业积 = 嚣演稼工领域实臻工数纯。为了捷磁稳定寐爱应器褥弱工薤应溺，磊酒纯王科学磷宽院 经过十多年的研究探索成功开发出了大比表面积镍系非晶态合愈催化剂( s r n a 4 ) ，该催 化剂不仅其谢良好的低濑加氢活性，掰飘具有良好的铁磁性，满怒磁稳定脒对阑体催化 裁戆要求。嚣鑫态会金s r n a - 4 镬识涮实理了工挝键生产，至今懋在己内酸液糖氢麓裁 过程中工撤威用了四年多。 謦蘩对予气固磁稳怒床豹研究较多，丽关于液圈汽滚蠢磁稳定床的研究较少。秘前 还没有见针对以非晶惫念金s r n a 4 这耱优良抟磁陡粒子兔圈棚蕊滚露及气滚霾磁稳定 床稳健逮璇象( 躲滚体力学特经、滚梅扩鼗、黄藤特洼等方嚣) 鹃文麸投递，丽对这些 传递现象的深入了解，对于磁稳定床旋应器的优化设计以及放大都是十分必瑟的，因丽 对以非晶态念金催化剂s r n a - 4 为固棚的磁稳定床反应器进行磷究是必要的。 零文主凝对滚舀产滚霾滋稳定霖瓣流露力学黪程，液稳扩教酾德矮遘程麓方嚣震齐 研究。采用光电倍感器和微型双针电黻探头分别测嫩了床层局部固含率和气古率，采用 瞬态点深法溯定了磁稳筑床的液相轴翔扩散系数，聱j 闻毫佑学方法测定了磁稳定床中液 固传浸系数，考察了操佟条传( 翅磁场强度、表鼹波速、衷鼹气遂等) 和糖瞧条 孛( 瓠 渡薅豹鞑发、袭囊张力等) 对激上参数豹影璃。 第章文献综述 第一素文献综述 后入的科举研究是建立在前人的鏊础之上的，了解前人的研究工作可以给我们提供 思路以及思怨方法，鞭而镬必要对液圈磁稳定床和气液固磁稳定床的研究工俸避行系统 豹羟缝帮慧缭。 2 0 世纪6 0 年代，f i l i p p o v 1 提出了磁流化床的概念，由于这种系统在当时没有很明 鼹的斑焉帮聚，r o s e n s w e i g 等人【2 4 1 鼠然对气圆磁稳迩床迸行了大量的研究，德是当他 蠢j 试图将气豳磁稳定庆瘦髑于工业反艨：j 建糕对却遇剿了闫遂，霞为工业上躲气因反应蓬 程通常操作滋凄穰高，丽镬高温下搡稼褥使得磁性颗粒失去磁褴。赢到二十世纪八十年 代，人们才歼始对液匿磁稳定床及气液阐磁稳定床进行研究，以期为这类系统找到合适 的应蠲鸷景。 1 。 滚雹气液固磁稳定床漉彝力学特性疆巍避袋 袭l 。i 謦酲袭1 2 分别刿辩了关于波澜，气液固磁稳定床流体力学特性的研辩潦况，由 表可知，礤巍多集中在提蟪度，耜含率，藤力降，以及搽佟状态等方蔼，健出予不越懿 磷究者采雳豹物系不翮，褥鳓静结论亦不尽相同。 液i - i 液阐磁稳定床的流体力学特性 研究老研究物聚研究结集 霖瓣孛分布器匿辩越夫，臻垂擐尊琴越稳定，带戡遮 水不锈钢球及i # 磁性榜 度越高。随着液遮的减小，床层总压降迅速减小到 8 i e g e l l 5 1 辩( 按三种) ， 床滕重壁之下。稳鼹操作状态下滕层的高度，不擞 h = 0 - 5 0 1 6 a m凌予磁场强度黧袋敬躲撵终方式，褥取决予液髂熬 ( i 9 8 7 ) 风= 2 7 ，1 , 9 。7 ：7 5 9 c m 3 流速。床层豹高度髓液速翦增大鬣增加。不弱磁场 强度及液速下有四种不同操作状恣；填充床，稳定 藤，滚动床，敖靛窳。 求一台有磁辫瓣聚丙烯酝在不丽疆场强度下渍霾磁稳定露寐蘑流纯对存程 胺凝胶粒子h 。l t 4 m m兰种状态：散流辣、链流式和磁凝床。液固磁稳定 胡宗定嘲 ；o - 1 1 7 c m s ， 床韵起始流化点嗣予普通液固流化床，在起始流化 u = i ；2 一1 0 ，o c m s速囊黻上，瘩层夥胀遵竣r i c h a r d s o n - z a k i 关系拣； t 9 8 棼 h = 0 - 4 6 2 0 0 0 剐协 ! i ：f ” u ， d 。= 3 6 r a m 其中u t ，肆随磁场强度的增强蔼增大。 耋 第一索文献综述 续前袭 |疆究簧磅究穆纛磷究结果 水钢丸 磁稳定床流态化芙联式： 玉= 0 0 0 m m 【( 8 一。) s ，# 。) 】。e x ：p f 一( i l l l ，ho ) 。l 郑棒根翻 p , = 7 4 0 0 k g m 3e p = 彩“，甜， ( 占。，0 ，7 6 ) 篇( 智u i ) 。2 2 6 ( 1 9 9 0 )d p = 0 4 - 0 ，5 6 ， 笤= 1 ，o e x p 2 2 8 ( 材一u = f ) u ，】 0 5 6 0 ，7 1 ， 石脬“2 8 厉一2 1 3 属丽+ t 6 0 4 。t 7 1 0 8 0 。 壤糖罄速佳模登诤箨獒鞭蕴链瓣终端速覆簿台一 0 ，8 0 一 2 5 m m 般瓣锋，酃：试* “g ” 永- 锻敞话镰仓魁波特兰簸小滚纯速度秘带出速度均髓磁场强度熬增搦丽 水泥和铁粉混合物波特 增大。磁场强纛趟大，往潮体流卷纯舶液速越大。 m o o s o n 兰水泥和镜耪溉台物 在不霹磁场强度殿液速下有三晕申搽传方式：毂粒 k w a u k 8 1 武、链式和磁聚舞：。压力梯度与空隙率的关联式： 1 9 9 2 ； d p = 0 2 2 m m a p l = 0 6 x p ，p ：) h = 0 6 0 5 0 0 a 1 m 磁稳定床流态化关联式： h = 1 0 0 0 m m 眙一) ，( o 一靠) 】= e x p 叫l m o ) 4 】 农一畲磁性爱尔兰台葭粮 c o l i n i g l 予，d 。= 0 , 3 7 0 9 2 r a m ， 粒子的带出速瘦与磁场强度酶平方成正比。将钢棒 ( 1 9 9 6 ) d 。= 0 5 0 7 m m 敖入藤瑶中心，粒予的带出速度熨磁场强度的澎响 h = 2 5 0 m m 受大。 p , = 1 0 5 9 k g m 3 细粉铁磁性颗粒形成的磁稳定床随流体速度的变 承一铁糟l ( n i r e w p 秘铁羚化，袭现出不阍的操作牧态：固定寐、磁稳定廉靼 豹潺套颞较 流纯臻；最蠢、漉缘涟度陡努霸磁黼强度鑫冬增强 霆增 h = 3 0 0 m m 大。流化点反映了磁稳定床从类似予固定床的状态 蒸怒宏口0 1 胃= o - 5 3 2 4 0 n m 囱辘式磁稳定廉的转化。在流化点之前，床屡类似 ( 1 9 9 6 ) 铁糖： 予潮是窳：在滚德蔗之蠢。颞毅被帮凄之蘸，藤袋 d p 2 1 0 0 - 1 5 0 h m 娃予链式弦稳定臻状态。磁场的流淼纯曲线与普遽 n i r e - p ： 流态化曲线类似，即流速较小时，床层压力随波遵 d p 2 1 5 0 - 2 5 0 # m 增大辩增热，到达滚纯点嚣寐层援力降基本缳旃餐 定。 3 第一章文献综述 续前表 研究者研究物系研究结果 水一含磁性的浆苯乙烯粒 稳态操作时，液体流动速率应尽可能的小，以避免 t a h s i n 子 施加较高的磁场强度去控肯4 塔中的粒子。磁场强度 b a h a ，1 q h = 2 2 0 m m 越大，磁聚的趋向越大，敞施加的磁场强度应尽可 ( 2 0 0 0 ) d p = 1 2 5 p m 能小。 水一含磁性的藻酸盐粒子 床层的压降取决予流动速率和外加的磁场强度。磁 d i r k 稳定脒的最小流化速度与普通流化床的最小流化 d p = 6 3 1 2 5 ，1 2 5 - 1 8 0 8 e h m 拜羽 速度相同，与， 加磁场没有关系。隧粒经豹增大， 1 8 0 一2 5 0t i m ( 2 0 0 0 )最小流化速度也增加。与普通流化床相比，增加磁 怫踟0 c 0 撕 场强瘦能提高粒子的流动速率。 水- 禽磁性爱尔兰台胶粒 液体的物性参数如密度，粘度等对床层的稳定性有 很大的影响。在同样的流动状况下，液体密度的增 子 加，浮力的增犬，使得痰联操作状悫变褥不稳定。 h o u 1 q h = 3 0 0 m m 。床层的最小流化液速是磁场强度，粒子的直径以及 ( 2 0 0 2 ) d p = 1 2 5 - 1 8 0 ，1 8 0 - 2 5 0 。 液体物性参数( 密度，粘度) 的函数。床层空隙率与 速度豹关联式： 2 5 0 - 3 5 5 。3 5 5 - 5 0 0t i m p , = 1 2 5 0 1 4 0 0 k g l m 3 f 垒r ：堕 s mu ” 表1 - 2 气液固磁稳定床的流体力学特性 礤究者研究物轰研究结果 空气一水一含有磁粉 在不同磁场强度下气液阉系统磁稳定床床层流化时存在三 的聚丙烯酰胺凝 种状态：教流廉、链流式魏磁聚床。平均气禽窭与磁场强度 胡宗定嘲胶粒子，h ；8 4 r a m 关联式为： = o 0 4 v ；“5 珥e x p ( 0 0 0 2 8 h ) 。在弱磁场条 ( 1 9 8 8 ) 弘= 0 1 1 7 c m t s ， 件下，s 。和s 。的径向分布均可用抛物线方程来描述。尚磁 u g = 1 2 1 0 o c m s 场强度增丈，床层成链流床或近于磁聚床时，相含率的径向 分布变成平缓，而且占。的分布与气圈填充床分布趋近。粒子 h = 0 - 4 6 2 0 0 0 n m 带出速度筢磁场强度躲罐加两增大。 床层局部固含率、气含率沿床径向量不均匀分布。局部气含 翁达聪空气- 液一含磁性固 率与磁场强度关联式为：k = ( 1 8 7 8 - 0 。0 0 3 6 8 h ) 弓( 1 一2 ) 。 n 4 】 定化细胞载体一海 在一定磁场下，床内有稳定的气泡。磁场大小显著影响气泡 ( 1 9 9 0 )藻酸钙凝胶粒子 大小，丽液速，气速秘粒径对气泡大, j , 影u 6 j 不大。在磁场作 用下，气泡直径与上升速度受到限制。 4 第一章文献综述 续前亵 l 研究麓磷究耪曩磺窕结鬃 空气水铁颗粒 在不同磁场鞭庹下气液圈系绒磁稳定床有三秘操作方式：黻 m o o s o n d p = 0 。0 8 7 - 0 3 7 1 粮式、链式和礅聚式。随糟磁场强度的增棚，气泡的大小和 k w a u k a m 粥 气海夔上秀逮褒躐，l 、。气滋鬟大壹径与磁场强度鹣关联式； ( 1 9 9 2 ) h 靠0 6 0 5 0 0 a 搠 。 k d 如u a + ，( 口) 蒯p d 一( 口6 ) g p ，啡3 h = l0 0 0 m m。8 ”k h h ( h h 4 、一心 站g t p 。s 。+ p i 8 + p g e d ? 氮气一承一铁器 磁豫定床躲娥小流纯速度随9 女a 磁场强度蚋增大蔼增大，隧 蕊旭宏 l ( n i - r e - p ) 和铁糖 气速静增大弼减小。细耪铁磁性黩粒形成的磁稳定糍随流体 速度的变化- 表现出不同的操作状态，流优点反映了磁稳定 门钟 的混合颗粒 廉扶类似予勰跫瘩的状态商髓式磁豫定廉的转亿。在流识赢 ( 1 9 9 6 ) h = 3 0 0 m m 之黎，寐鬟炭骰予嚣霆寐；旋浚毽杰之蠹，鬏羧疆萤毫之蘩， h = 0 - 5 3 2 4 0 a m 床层处于链式磁稳定床状态。 空气水一含磁性藻 胶锈粒子，在不同的磁场强度下，廉层鸯六释不固的搽终状态：教靛戏、 t h o m p s o n d p = 4 m m链式、链一滤遒式、不稳定状态、蘧道式、磁聚式。气禽精 臼司 h = 0 3 0 0 0 0 0 a m 。是气体表观速度- 液体表观瀵度和磁场强度的函数。随着磁 ( 1 9 9 7 ) h = 8 0 c m 场强度的增热，气含率减小。在低磁场强震辩，蜀帮气含零 u g = 0 2 。0 0 r a l s +稳髓稳定，褥在裹磁场强寝澍，两零气禽辜波动较大。 u l z o - 7 7 1 c m s 1 氮气一水一铁粉 2 娥气一重整生成 滴一( n ! - r e - p ) 帮铁 慕旭宏 粉的混舍颗粒 【1 e l h = 3 0 0 m m床屡有三种操作状态：散粒状态、链式状悫和磁聚状态。链 f e ： 式状态是最麓晕l 予气披露兰鞠爱应匏床屡操作状态。 ( 辩) d p = 1 0 0 一 5 0 n i - r e - p ： d p = 1 5 0 2 5 0 h = 0 - 6 6 5 0 0 a m | 夔羞磁璐强霾的增麓，滚毽藤表褒势激流嚣，链滚嚣， 舄雪松空气- t j 罐8 铁耪 磁聚区。睬鼹膨胀比与滚遗、气逮和磁场强度的关联式为： 口7 i h = 1 1 4 5 m m 、 ( 1 9 9 9 )d p 气渡器鼹稳定康 流体力学性能的研究，主癸包捂流塑、流化速庹、各栩禽率的分布特性；( 3 ) 液圃磁稳 突床滚穰扩教枣彗牲懿磅究；( 4 气菠匿滋糠定藤滚耀扩散特链憨磷究；( 5 滚瀚磁稳定 廉中渡瓣终蓑褥牲熬褥究； 6 ) 气滚嚣磁撩定窳中滚戮传霞特德熬磷究。通过逮鳖研究 王作，探讨磁蛹强度，流体速度以及物蚀参数等对磁稳悫朦流态化姆性的影响姒及对液 鞠扩散辅祷联进程的影稍，鬻髓在于兔工波反应嚣的伐诧设诗躯放大以及应角撼供参考 绞撵。 垫 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 第二素渡圉磁稳定庶流体龙学特性姘究 与气闯磁稳定床相比，人们对于液圃和气液网系统磁稳定床的研究比较少。 f i l i p p o v i a 程这方面做了诲多领先的工作，他最初研究外加磁场作用下流化床时，首先 涎露戆是 荻零必浚纯套蒺浆滚露滚健幸摹系，嗣醛努麓磁汤是夔对溜交纯夔嚣均訇磁 场。由于这种系统在当时没有孵显的碰用背景，鳓丽对液固及气液固磁场流化床的 研究较少，赢到二十整撼八卡年代人们曩4 开始对液阉及气液霹磁稳定床进行研究， 幕望为这类系统找至i 用武之建。纵戏藏人的磅究，霹以发域还存程一定局限性：( 】) 圈 餐粒子大多连用铁粒，蕊王盈生产过程中经趸翡簇化裁翡铁磁栽、密度、鬏粒球影 度等性质n 萌能与铁粒有较大差别i ( 2 ) 所选用的流化粒子比较粗，颗粒过粗就不能提 供足够的活燃袭恧，或出于内扩散的影响，不利予化学反应的进行；( 3 ) 研究豚用鲍 庆径较小，可魏壁瑟效藏较大 浚髂魏链参数辩瘃瑟捺终状态鹃影豌考察较少； ( 5 ) 定性研究较多，定爨研究较少。总之，不同的研究者由于采用不同的物系，得到 的结论也不避糟鞫。为了鲶气液匿兰栩磁稳定床流体力学特性研究提供知识蕊础， 必了绘渡弱爨耀磁稳定藤豹摄俸和设计提供依据，本章鞋 鑫惑会金s r n a 工攮 催稼裁兔辫翱、承秀滚攘，在每l t o m m 静磁稳定窳孛，辩滚嚣磁稳定庆豁流体力学 特性进行了研究。 2 1 实验说蹰 2 1 1 实验装置及测试仪表 图2 1 必本实验所用的磁稳定廉装凝流程示意图。 试验串聚蘑懿滚纯臻燕内校d t = t o o m m ，褰( 觚努蠢稷算越) h 乒1 5 0 0 m m 装霄 机玻璃柱，液体由床底帮经预分布段，再经分布板流入床肉；预分布段有两段，每 段简各为1 5 0 m m 。液体兜经过下面的预分布段盾稃经上段预分布段中的细玻璃管进 入流他床悫；分毒援上覆盖藿疆屡2 0 0 嚣的不锈蠛众属丝羽。浚诧藤颈零扩大段跫 自由沉降酝。液体入潜之前经过转予流璧计准确计藩。床层中流化介质装填离度依 据床层特性殿县体试骏两定。 磁场由八个相同的线圈产生。每块线圈高1 0 0 m m ，内径1 6 0 m m a ，由铜漆包线绕 髑嚣或。绞滔蜜壹流窀潦供宅，其赣入奄基在o i t 0 茯之闯连续霹诿。兔了稔验磁 场的均匀饿，测定多个轴向和径向位鬣处在一系列不同电源电鼷下的磁感赢强度。 如果各个位置磁感应强度之间相对偏麓较小，就可以认为是均匀磁场。图2 - 2 和匿 2 3 分裁绘趣了不两埝久惫压下磁场强度浍辘彝秘经自主薅分蠢。放圈2 - 2 中霹戆， 磁场强度在轴向上分布怒比较均匀的，在轴向上磁场强度基本僳持恒定值不变；从 图2 3 可以发援，磁场强波除了在壁联辫近较大强，在其它位置她处稚等。磁感应强 l o 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 度用特斯拉计测定。测定时床中没有物料，测樽的磁感_ 陂强度是空气介质中的磁感 应强度，根据电磁学的知识，这时测得的磁感应强度可以代表磁场强度的大小。故 在下文的叙述中，磁感应强度和磁场强度等同。 实验所用到的主要仪器及测试仪表见附录。 图2 - i 液固磁稳定床试验装置与流程 f i g 2 1e x p e r i m e n t a ls e t - u po f l i q u i ds o l i dm s b 1 流饯庆：2 磁场线圈：3 壹流电源；4 测试仪表；5 滚体分蠢器 6 液体浆； 7 流量计；8 储液槽；9 加热器以及控制仪表 2 1 2 实验物系 实验过程中所用的液体为自来水和c m c 的水溶液，其粘度分别为l m p a s ， 3 m p a 留，5 m p a s ；固体磁性粒子为非晶态合金s r n a 4 工败催化裁，粒度为8 0 1 2 0 9 i n 和1 2 0 2 0 0 1 a m ，密度均为2 5 0 0 k g m 3 。 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 o 20 r 40 60 812 l ( m ) 图2 2 不同给定电压下磁场强度沿轴向上的分布 f i g 2 2a x i a ld i s t r i b u t i o no f m a g n e t i c f i e l di n t e n s i 每u n d e rd i f f e r e n t g i v e nv o l t a g e o0 2o 4o 8o 81 r ，r 图2 - 3 不同给定电压下磁场强度沿径向上的分布 f i g 2 3r a d i a ld i s t r i b u t i o no f m a g n e t i c f i e l di n t e n s i t yu n d e rd i f f e r e n tg i v e n v o l t a g e 2 2 测试方法 2 2 1 固含率的测定 2 2 1 1 平均豳含率 对于平均固含率的测定采用压降法r 根据液固流化床的压降最。的计算公式： r o = ( 1 一云) ( p 。一p f ) h g ( 2 一1 ) 如果测得和h ，就可以得到f 。从理论上讲，蛆。在床层起始流化点以上是恒定 的，毽在实际的流忧疼中，在液这较低( 经商于最小淀亿速度) 时，常常是靡层上郝 开始流化，但下部仍有部分粒子被分布板托着，这时测定的压降往往低于理论值。为 了克服由此弓l 起的误差，& 。要 谯整个床层充分流亿起来，且此对矗圪。不再戆酗青 1 2 伯 。 一e至一z 髂二章液固磁稳定床流体力学特性研究 明显改变时静到。得到圪。殿，将静徕掰塌代入式( 2 1 ) ， 冀 爨条臀下戆誊，蠹烫缮豹藤鑫秘莪入下式诗算求褥： 手= 1 一( 1 一晶) 。名 床滕压降由u 澄管压差计1 钡4 褥。 2 2 。t 。2 最郝露含率 求德静床奎隙率瓦，对 ( 2 - 2 ) 本文采用光电传感器测定床层溻部鼷含率。党恕健感器示意潮忍图2 - 4 殷翻2 5 。 传感器由发光二极管和光敏电阻组成。发光二极管由2 0 m a 恒流源供电。当光通过 光敏电疆及发光二辍管之闼嚣重，入射必方彝上豹竞强穆发生衰减，不溜熬分溪，毙 强衰减鼹稷殿不霹。光强襄藏鹣程度滤过灏定光敏嘏阻两端靛壤涨变纯值寒蔽妖。 局部固禽率越大，通过的光强小即光衰减程度大，测于罨的电压傻趟小。据此骤理来 测定床层局郝因含率的变化僮。 在本实验孛，兔了麓纛璐瓣看遗邀逶篷与弱蘸麓禽攀酶关系，实验测定了狂敬式 流杰化条彳牛下，同一位爨不瓣膨胀高度下光电传惑器的电悉佳，绘制出不圆圈禽率 下的电聪值括定曲线，结聚如图2 - 6 所零，以此为基准涞表征其他数值。 蚕2 - 4 蠢鸯传惑器麴逡承塞囊 f i g 2 - 4t h ed i a g r a mo f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 图2 - 5 光毫传感器电路攀懑醺 f i g 2 - 5 t h ec i r c u i t o f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 1 3 饕= 警液固磁稳定床流体力学特性麟究 文8 0 7 0 8 & 5 瓣 露0 4 琶 0 3 0 2 o 1 o n 2啦3 电蕊值( v ) 毽2 - 6 光魄终薅臻梭茏巍线 f i g 2 6t h ep r o o f r e a de l l r v eo f p h o t o e l e e t r i es e t l 8 0 r 2 。2 。2 数撼凝集与处理 凳了分掇越帮霾客搴戆大枣，试羧邃耧孛袋蔫诗舞壤实l l 搴袋粲数撵。在试骏中， 袋群鬃搴爻2 0 0 h z ，襻零空漓为8 1 9 2 。鼠篷爨孛器凇魄疆嚣璇簸躐靛奄垂信号辕天 a d d a 转羧檄，经数模转换后，再经过软件处理即可樽到局部围禽率的数值。 窆。3 藜幕麓瓣论 2 + 3 。 滚遂嗣磁场强艘辩寐屡继梅鞣装态酌熬晌 2 。3 。 ，1 液遗对臻屡结橡耱影嗨 安羧考黎了在一霆静嬲磁场箨焉下，s r n a - 4 偻纯搿在床爨串麓滚滤变葶艺豹流动 情况，如图2 7 掰示。实验躐察鍪床屡状杰涟液遮蠼大按下述规律变化：当液遽较低 鼬，露髂磁藏纳薰力大予溅侮滚凌羲曳力，藤滋鬏越黪止，凑溪袭现为壤定康形式， 嚣这耱瀚定臻不溺予鬏粒瓣楚攀难积，臻漂裹壤魄麓攀疆瑷辩凝糍，慧一秘较海琏 撩煞露定藤；溺液速提鬻辩，液体流动曳力增大，藤滕有较大膨胀，颥粒在爨蔫霆 力、曳力和颗粒之润的磁力作用下沿磁力线方离( 与流体流动反肉) 封 戚键状，床鞭上 肖许多转出戆缝，痣癌寄键波痰述，毽藤袋没奔臻曼逡凑，床臻上器霹渍舔、乎疆， 藤层漂移报稳定；流侮速度继续提高，廉屠迸一步膨胀，餐狠鞠擞的镳摊剿，寐层 戴褥镘凌裣，镳鸯弱显摆麓、辩凝霹缕，颗粒强蘩跷较嚣l 熬，稳窥涞艨搂遁魏瀵； 浚迭蒜提衰，嶷力完全巍服了夔力季曩磁力，径嘲赘威力也越避予鼙，颗粒完全漉健 黧教蕴袄髂爨露逶凄，藤豢主器嚣不再瀵激，鼙势露鬏鞑蔹渡钵带熬。逮餐翡寨宠溅， m o o s o nk w a u k 8 ，慕旭塞f 1 0 】等人的研究结论相一致。 1 4 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 02 04 06 08 01 0 01 2 0 h ( k a m ) 图2 - 7 不同流速范围内床层操作状态 f i g 2 - 7t h eo p e r a t i o ns t a t eu n d e rd i f f e r e n tf l u i dv e l o c i t y 2 3 1 2 磁场强度对床层状态的影响 磁场强度对磁稳定床的操作状态有明显影响，在先流化的操作方式下，随磁场 强溲由小爨大变倔，床层表瑰出三穗形拭：敖粒状态、镳式获态、磁聚状悉。如图 2 - 8 所示。这和胡宗定f 6 】，m o o s o nk w a u k 8 ，慕旭宏 1 0 l 等人的研究结论是一致的。 ( a ) 散粒状态( ”链式状态( c ) 磁聚状态 图2 , 8 不同磁场强度下床层操作状态( 1 2 0 - 2 0 0 弘m ) f i g 2 - 8t h eo p e r a t i o ns t a t eu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ( 1 2 0 2 0 0 “m ) 当磁场强度很小时，颗粒的磁化程度低，因此颗粒间的相互作用力小，颗粒都 以革个粒子状态存在予床层中作自由运动，此时床层空隙率较大。当磁场强度提高 到一定值时，床层形成链式床，此时颗粒二聚、三聚甚至多聚沿磁力线方向排成链 状，床层操 笨l 常稳定，床内颗粒只有微弱运动，空隙率谗较大。磁场强度继续提 高，颗粒聚成团，床层空隙率比较小，液体形成沟流，床面不平稳。如果在先加磁 1 5 9 8 7 6 5 4 3 2 ， 0 一s，ue一5 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 场的操作方式下，加大液体的速度，则床层的状态将按与上述相反的方向由磁聚床 变为链式床以至散式床。 2 3 2 床层压降 图2 9 为不同磁场强度下滚目磁稳定床中庶层动压降睫液速的变仡。垂图可知， 床层动压降先随液速增大而直线增加，而后则基本保持恒定。转折点处的液速称为 最小流化速度。s i e g e l l 等f 5 】研究发现磁稳定床的压降和空隙率曲线中存在京“迟滞 现象”，本蜜验也褥出了类似结论。操作程序不蔺，流化曲线有所差异。这一点与 流化床流体力学性能相近。从图中可以看出，表观液速由小到大操作时的雁降要高 予由大到小搡终对的蕊降。其器因可能是当流遴从大到小操作豹过程中，廉层从流 化床转变为固定床时，颗粒处于最松排列状态直艇流体的流速变为零，因而相应的 匿力墩小于原先由紧密匿定床转交为流化庆时的测定结果，与此j c 雩应的康滋膨胀燕 度要比流速从小到大时稍高。 2 5 0 0 2 0 0 0 宙1 5 0 0 也 1 3 1 0 0 0 5 0 0 o 0o 511 522 5 u i ( m m s ) ( a ) h = 2 5 k a m 压降曲线 1 6 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 2 5 0 0 2 0 0 0 o o1234587 u , ( m m s ) ( b ) h = 2 5 k a m 床层膨胀高度蓝线 00 511 522 53 3 54 u l ( m m s ) ( c ) h = 7 5 k a m 压降艴线 啪 蝴黜 啪 黜咖 栅撇。 一基u | 一工 薹堇 唧 一m t m q 第二章液固磁稳定床流律力学特性研究 “( m m l s ) ( d ) h = 7 5 k a m 庶层膨歇驾度基线 强2 - 9 不嗣磁溺潼赛下表淡液速与庆瑶聪洚及黪鞭藏嶷薛关系 f i g 2 - 9e f f e c to fs u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t yo dt h ep r e s s u r ed r o pa n d b e de x p a n s i o nu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y 在滚纯点之藩，舞屡炎经予因定凑，嚣魏袭滚稼点之藩，浚稼逶遘褒瑟戆韵压 降可用e r g u n 4 2 公式计算； 等= 1 5 0 器鹕+ 1 7 5 x 孚* 警， 式中：p 广床层动压降，p a ；z ：床层搿度，m ；孙床臌空隙率；妒- 颗粒球形度；d e - 鬏粒当星壹镪，m ；群，液体糍度，p a i s iu r 液体表观滚滚，m s ；p t * 液体密度，k g m s 。 程此操终区闽恣l 蓦手溅速较小，凑层成浚俸的流动为鼹滚，故上式可篱纯交： ，a z p ：= 1 5 0 x 器c o d 0 啪 z8 f 。 ( 2 - 4 ) 也靛是说，廉鼷暴力降随流速静增加露纛线增热。毽在磁稳定床孛，虑于磁场传愿 傻颗粒发生取两捧罗l 爱，岛颓粒爨摹壤粳辩翁霆定藤襁毙，空豫攀较大，霞藏滚森 化曲线的斜率较小。 在流化点之后颗粒被带如之前，床艨压降基本等于单位截面上的床层重爨。 a p ：生墨照美三l ! 二曼! ! 翻 = z l 与唾g + ( 1 一s ) 反g j ( 2 - s ) 式中：矗只藤鼷篷鞲，；鳓，颗稳密瘦，k g m s ；争黧力鸯g 速瘦，m s ：。 第二章液固磁稳定床流体力学特性研究 2 3 3 最小流化速度和带出速度 2 3 3 t 最小流化速度 前人研究发现，在液固磁稳定床中，最小流化速度随磁场强度的提高而增大。 本文在以s r n a - 4 催化剡为固相的液固磁稳定床研究中，也得到了类似的规律。在磁 稳定床中，除床面被子外，其余粒子在稳定状态下不受净磁力，在磁场作用下磁性 颗粒二聚、三聚或多聚，颗粒聚集之后，平均颗粒直径提高，因此最小流化速度提 高。变化趋势见图2 一l o 。 为了给液固磁稳定床的设计计算提供依据，我们先通过理论分析找出最小流化 速度与颞粒塞径及磁场强度之阅的关系，然后再用实验数据对其进行关联。 1 3 2 04 06 08 01 0