（化学工程专业论文）液固循环流化床自组织流动结构研究及分形重构建模.pdf

中文摘要 液固循环流化床分离系统具有处理流量较大，传质速度快，轴向返混小，且 下行床吸附和上行床解吸可弱时进行等优点。但是，固体颗粒在流化状态下常常 盘发地聚集成几个颗粒直径大小的颗粒团而运动，降低了实际操作中的分离效 率。颗粒的这种类似于单相湍流的结构的自组织团聚行为，称为自组织结构或相 干结构。 国内外对于流化床内的颗粒团聚研究在气固方蕊较多；在液固方面，主要研 究了表观液速、液体粘度、颗粒密度、颗粒尺寸等对颗粒团聚的影响；但是研究 范围大多限于液固膨胀床，如：w i l h e l m 和k w a u k 用水流化密度很大的铅粒，发 现了床层中颗粒的聚式流化行为；f a n 对二维液固膨胀床中的玻璃珠和尼龙颗粒 的团聚和破碎分析；邱欧通过考察液体粘度对颗粒团聚的影响提出了最佳粘度模 型等。在液固循环流态化领域：梁五更通过对上行床中的轴径向颗粒固含率的研 究建立了上行床环核模型；l a n 考察了上行寐巾的离子交换树舅警颗粒的轴囱固含 率分布。由于液固循环流态化中颗粒团聚结构方面，国内外研究较少，因此本文 对液固循环流化床内部的固体颗粒流动和团聚行为的影响因素进行了较为全面 地研究。 本文应用c c d 图像采集和处理系统对液固循环流化床上行床中颗粒流动结 构进行研究，考察了不同颗粒尺寸、密度，流体的粘度，主、辅水流对颗粒团聚 的影响。研究结采表明，液固循环流化床中主要以二、三重颗粒团居多，大颗粒 园较少且多为带状或线型结构，形状不规则的大颗粒团不能较稳定地存在。分形 维数作为描述非线性系统中自相似性的个特征参数，在很大程度上可以表征颗 粒的团聚程度和分布状况。通过实验发现：颗粒团数目和分形维数随着颗粒尺寸 的增加面减小，随着颗粒密度，液体粘度的增加面增加；但是，随着主、辅水流 液速的增加其呈先增大后减小的趋势。 本文通过对床层分形维数的研究，建立了考察颗粒团聚多因素的模型。在模 型中，给出了循环流纯床上霉亍床中心流区域半径的计算方法，并以分形理论为基 础，参考段一然的气泡分形假说，利用c a n t o r 分形集，对液固循环流化床内颗 粒团聚结构进行了重构。模型模拟了颗粒密度、尺寸、流体的密度、粘度等条件 的影响，通过验证发现实验结果与模型较为吻合。 关键词：c c d ；液固循环流化床；团聚；自组织；分形；分形维数：c a n t o r 集 a b s t r a c t a c i r c u l a t i n gf t u i d i z e db e dh a sg o tt h ea d v a n t a g e so fh i g hp r o c e s s i n gc a p a c i t y ， g o o dm a s s t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，l o wa x i a l b a c k - m i x i n gd e g r e e ，s i m u l t a n e o u s p r o c e d u r eo fa d s o r p t i o ni nt h ed o w n c o m e ra n dd e s o r p t i o ni nt h er i s e r h o w e v e r , d u r i n gt h eo p e r a t i o n s , g r o u p so f p a r t i c l e st e n dt os t a yc l o s ea n dm o v ea sa ne n s e m b l e , w h i c hl e a d st o s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y r e d u c t i o n t m sp h e n o m e n o ni sc a l l e d s e l f - o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo rc o h e r e n ts t r u c t u r e i n v e s t i g a t i o n so fp a r t i c l ec l u s t e ra l em a i n l y 遮g a s - s o l i ds y s t e md o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a ld o c u m e n t s ，i no r d e rt or e c o g n i z et h ea f f e c t i n gf a c t o r so i lp a r t i c l ec l u s t e r i nl i q u i d s o l i ds y s t e m , s u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t y , l i q u i dv i s c o s i t y , p a r t i c l ed e n s i 嗽 p a r t i c l es i z ea r ei n v o l v e di ns t u d i e s n e v e r t h e l e s s , m o s to ft h es t u d i e sa r el i m i t e dt o e x p a n d e db e d , s u c ha s ；w i l h e l ma n dk w a u ki n v e s t i g a t e dl e a dp a r t i c l e sf l u i d i z a t i o n ； f a ns t u d i e dt h ec l u s t e r i n ga n dc r u s h i n gb e h a v i o r so fn y l o np a r t i c l e sa n dg l a s sb e a d s 。 q i uo ue s t a b l i s h e dt h eo p t i m a lv i s c o s i t ym o d e lo f p a r t i c l ea g g r e g a t i o n i ne i r c u l a t i n g f l u i d i z a t i o n ，l i a n gw u - g e n gd e v e l o p e dac o r e a n n u l u sm o d e lt od e s c r i b et h er a d i a l n o n u n i f o r mf l o ws t r u c t u r ei nt h er i s e r ；l a ns t u d i e dt h ea x i a lh o l d u pd i s t r i b u t i o ni nt h e r i s e r f e ws t u d i e sc o 嚣c e t 7 3t h ep a r t i c l ea g g r e g a t i o ni nc i r c u l a t i n gf l u i d i z a t i o n , 姆t h i s p a p e rs t u d i e dt h ep a r t i c l ef l o ws t r u c t u r ea n d i t sa f f e c t i n gf a c t o r si nt h er i s e r a f f e c t i n gf a c t o r so np a r t i c l ec l u s t e r ss u c ha sp a r t i c l ed e n s i 移a n ds i z e ，f l u i d v i s c o s i t ya n dd e n s i t y , m a i na n da u x i l i a r yf l o w sw e r es t u d i e dw i t ht h ea p p l i c a t i o n so f c c ds y s t e m i ti n d i c a t e dt h a tm o s to ft h ec l u s t e r sw e r ed o u b l e ta n dt r i p l e t , a n db i g c l u s t e r sw e r ew e l la l i g n e d f m c t a ld i m e n s i o nw a ss t u d i e df o rw h i c hc o u l dr e p r e s e n t t h ep h e n o m e n ao fp a i t i c l ea g g r e g a t i o na tac e r t a i ne x t e n t f r a c t a ld i m e n s i o na n d n u m b e ro fc l u s t e r si n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fp a r t i c l es i z ew h i l ei n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo fp a r t i c l ed e n s i t y , l i q u i dv i s c o s i t y h o w e v e r , f r a c t a ld i m e n s i o na n dn u m b e r o f c l u s t e r si n c r e a s ea tf i r s ta n dd e c r e a s ea f t e r w a r dw i t ht h ei n c r e a s i n gl i q u i df l o w b a s e do ne x p e r i m e n ma n df r a c t a lt h e o r y , as o l i dc l u s t e r i n gb e h a v i o rm o d e li n l i q u i d s o l i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dw a sd e v e l o p e dw i t hc a n t o rs e ta n dd u a n y i - r a n sf r a c t a lh y p o t h e s i so fb u b b l e s 。t h em o d e ls i m u l a t e dt h ee f f e c t so fp a r t i c l e d e n s i t ya n ds i z e ，f l u i dv i s c o s i t ya n dd e n s i t yo np a r t i c l ea g g r e g a t i o n i tw a sf o u n dt h a t t h e o r e t i c a lm o d e li si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l 锯。 k e y w o r d s ：c c d ，l i q u i d - s o l i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d , c l u s t e r , s e l f - o r g a n i z e d s t r u c t u r e ，f r a c t a l ，f r a c t a td i m e n s i o n , c a n t o rs e t 鼗 符号表 物理意义 加速度 阿基米德数 最大气泡直径 判据准数 分形维数 主承瀛管径 上行床管径 颗粒直径 颗粒之阏的平衡距离 颗粒之阅的运动距离 弗鲁德数 液桥力 颗粒循环量 赫斯特指数 质量 雷诺数 颗粒运动的距离 辅助水流液速 圭水流液速 颗粒沉降速度速度 起始流化速度 轴向速度 切向速度 径向速度 辅助水流流量 主水流液速 无因次半径 液体密度 单位 m s 2 m 一 一 班m眦蕊mn小一埏 m础础耐耐耐耐耐一蚵 貅口加眈锄。取现仍彩蛾蛾n r 酝辨船 s敏咐阮蝴辫虼矿以 多p | lf u p l lf e s t y 颗粒密度 液体糙度 颗粒等效粘度 液体有效粘度 固含率 液体表颐张力 6 7 k g m 3 p a 。s 。 m s s l _ ， a a 一 姐雕! 小 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取褥的 研究成莱，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 藏撰写过酌研究成栗，也不键含蓊获褥苤涟墨鲎或其他教育机构的学位或证 书嚣筏篇过瓣睾砉辩。与我一露工作莳葡恚对率研究薪徽的饪何贡献均琶在论文中 侔了蹦确熬落唆并表示了谢意。 学煎论文俸嚣签名； 主； l 罨凇签字誉麓：知口7 年i 月耳瑟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宪全了解基鲞态堂有关保豳、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞叁茔一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据麾进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。圊意学校 商酱家有关部门或祝构送交论文的复印件和磁盘。 t 鬣整翡学惫论文在鳃塞磊逶霜本授粳说骥 学靛论文馋蠹签名：主；! l 委株 警帮签名； 签字圈髑：撕。1 年毒肖f 7 筒 签字日期：月 、菪秒 乡 0 疆n 。#。摧刈。年 tllt 尹 却杉1 ， 循环流化床分离系统具有处理流速较大，传质速度快，而且轴向返混小，下 行床中的吸附和上行床的解吸可戳同时进行，因此，循环流纯床分离操俸可以克 服传统膨张泰操 譬器不是。研究循环流纯寐肉戆复杂酵空滚动结构( 鬓楣干或翻 组织结构【1 】) 对优化操作设备和操作条件具有重要意义。 一直以来，床层中的颗粒团聚现象的研究都集中于气固系统 2 - 5 1 ，事实上， 液固流态纯不管是散式流讫，还是聚式流诧，都存在不均匀结构剿。w i l h e l m 帮 k w a u k l 7 1 本流化密度很大豹锻颗粒时，观察到了液劂流化床中有大液泡形成的典 型的聚式流化行为。液阐流态化的颗粒团聚的研究多集中在传统膨胀床模式，有： f 粗【8 j 对二维滚圆滚纯床串的尼龙耱玻璃珠颗粒懿麓蒙与破碎枕理研究，酃欧 9 1 貔液黧流纯床中液体粘度对颗粒团聚的影响进行研究，建立了最佳糙度摸型。在 液固循环流态化方面，梁五趸 i o - 1 1 】，l a n 【住1 3 】等对液固循环流化床上行床中的颗 粒分布进行了研究；键是，在介戏尺度方面，颗粒团聚方嚣的磷究较少。 流佬庆分麓尺度范醒蠹的研究主要为对颗粒尺寸及分布的研究。在液固循环 流化床操作过程中，固体颞粒的自发团聚形成的不均匀结构称为自组织、相干结 构等。本文将从介观尺度出发通过它与颗粒霞聚现象之间昀关系对于液圈循环流 健床进行量纯描述。 由于颗粒团聚的主要影响因素包括颗粒的密度、尺寸，液体的密度、粘度， 上行床的液体流速。本文将对上述因素进行考察，分析这些因素与颗粒团聚现象 之阕静联系。在上述基磁上，本文将剥焉分形理论建立数学模型，对上行床中瓣 颗粒麴运动和爱聚结构进行璧构。 第一章文献综述 流态化技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，由于流化床具有高传质、传熟和大 批量处理颗粒的优点，使得其在仡工、石油加工、环境保护、药品生产等领域中 得到j 肇常广泛的应用。液固循环流化床是介于传统液固流化床和稀相输送床之间 的一种特殊的操作形式，其作为一个开放的系统，与外界不断地进行物质和能量 的交换，且影响床层中流动结构的各因素作用的总和不等于各个分项因素的作用 之帮，满足了皇组织结构产生的三个必要条件：牙放系统、远离平衡态和系统内 部的非线性耦合。因此，本文将对液固循环流化床中的自组织流动结构，尤其是 颗粒流的自组织结构及其影响因素进行研究。 1 1 液固流态化非均匀性 理想流态化是床层颗粒随着流体介质流速的增加而均匀地膨胀，固体颗粒之 阌的距离随蔫流体流速的增加悉增加，使得颗粒在流体中始终保持均匀她分布， 这种理想的流化状态称为散式流态化。用液体做流化介质的固体流化床一般比较 接近于这种理想的流态化。用气体做流化介质的流化床，床层内出现组成不同的 两个相，郄含颗粒甚少的不连续气瀣相，以及含颗粒较多的连续乳化相，这种情 况为聚式流态化【6 】。其原因是由于液、固间的密度差相对地比气、固间的密度差 小很多的原因。 1 1 1 非均匀液囡流态化 w i l h e l m 和k w a u k 7 用水流化密度很大的铅颗粒时首先观察到了液固流化床 的中有类似气固流化床鼓泡流态化状态下的非均态的聚式流态化现苏，这表明并 不是所有的液固流态化都是散式的。h a s s e t t 巧】在普通的液固流化床中常常能观察 到液波，即种缓慢向上移动的含有很少颗粒的水平液层。g i b i l a r o 1 6 】在实验中 证实了该现象的存在，并认为对于密度越小的颗粒，要使其从散式流态化向聚式 流态化转交，要求颡粒的粒径越大。 2 在液固流态化中，床层内的颗粒和流体的不均匀流动结构怒颗粒团聚的必要 前提 6 1 。许多学者对床层固含率、颗粒、液速的不均匀分布、床层压力波动等进 行了大量的研究。梁五要e 1 1 0 - 1 1 1 对液固循环流化床的中颗粒的流动结构进行了考 察，发现在循环流化的条件下，全床的福含率在轴向均匀分布，而在径向表现为 中心液含率赢，则。7 处液含率最低，并以此建立了液固循环流化床中颗粒分布 的环核模型( 如图1 - 1 ) 。 ， t j iu i 图1 1 液图循环滚化床巾豹嚣核流动结梅1 1 】 f i g 1 - 1t h ec o r e a n n u l u sf l o ws t r u c 慨o f t h el i q u i d - s o l i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d z h e n g c l 7 - 1 8 】等给出了震子划分传统液固流态化霹滚圆循嚣流态化的起始循环 流化速度及循环流化床上行床固含率分布的无因次关联式和压力降的半经验式， 对循环流化床稳定操作条件进行了预测并对不稳定操作工况作出了解释。 贾丽云运瘸c c d 图像采集处理系统对循环流纯床上行床中的本陶瓷珠考 察，建立了液固循环流化床滑移速度模型。张欢 2 0 - 2 1 】利用超声多普勒测速仪 f u d v ) 测定了液固循环流化床的不同轴向位置处的颗粒速度分布，考察了表观液 速和颗粒循环速率等操作条件对颗粒速度场分布特点的影响。 郝晓刚【2 2 】考察了平叛液固流化床中颗粒流和液流的运动规律提出了颗粒介 质连续化假设和基于容积通量的流体力学表达式，建立了液体流动和颗粒循环流 动的数学模型并定义了颗粒流和液流的有效粘度，计算出颗粒的径向分布的上流 区和回流区的分界点在0 。5 7 7 d ，势通过了实验酶验涯。 r o y 2 3 _ 2 4 1 利用c t 和计算机自动追踪放射性颗粒技术( c a r p t ) 贝! 得了液固提 升管中的颗粒的流动状况和固含率分布，发现在轴向上颗粒固含率分布较为均 匀，在径向接近壁面处浓度较低，根据实验数据模拟得剿了床层固含率分布( 热 图l - 2 1 。 嚯 图l o 上行床颗粒浓度的理论分布和实验中放射性颗粒的灵敏度对比4 圳 f i gi - 2 t h e o r e t i c a l d i s 悄b u f i o n o f l u f i o n 如ds e 雎i h v l o f t h e c a r p t 对于液固流态化的不均匀流动结构的研究主要在宏观方向上，除了上述以 外，刘明言2 5 删，余根1 2 7 】运用c c d 图像采集及处理系统对气液固三相流态化系 统的轴向和径向的颗粒固含率和速度分布进行可视化研究。l i m 廿= a k u l 口”等运用 c t 技术考察了液周流化床中的颗粒固含率随速度变化规律，证实了 r i c h a r d s o n - z a k i 方程的正确性，并为流化床c f d 模拟提供了准确的数据。 以上的研究主要是从宏观尺度上考察床层中的流动结构，即认为床层中的颗 粒和液体一样，以流体的形式存在的，没有考察颗粒或颗粒团的运动状况。 i 12 颗粒流动结构 在流态化操作过程中，经常可以观察到数个颗粒聚集在一起形成几个颗粒直 径大小的颗粒团运动”。要了解流化床中的颗粒流动的局部结构就必须对颗粒团 聚现象进行研究。 h a k i m 2 9 利用激光成像系统考察了液固流化床中二氧化硅、氧化锆、氧化铁 纳米级颗粒在不同液速和压力状况下的团聚情况。发现对纳米颗粒间作用力与颗 粒团之间相互作用力的相对大小将影响颗粒团的球形度。 在颗粒的团聚、破碎、重组方面，f 一即”运用可视化技术考察了二维液固流 化床中的玻璃珠和尼龙颗粒运动情况，发现有类似的不均匀结构，并在不同床层 的空隙事和液速太小下考察了颗粒的团聚和破碎的原因，给出了典型多重颗粒团 形成和破碎的过程。f o r t e s l 3 1 1 对二维和三维液固流化床中的颗粒不均匀分布进行 了可视化研究，发现颗粒之间的拖曳、亲和、翻滚是导致颗粒团聚和重排的主要 原因。 胃一- i-几-i一 圈闷田n嗣 在团聚模型方面，c 0 u m i l 【3 2 】对氧化锚颗粒在非润湿液体介质( 液体金属) 中的 团聚情形进行了数学模拟，并考察了气体对颗粒团聚的影响，德到了颗粒阂之间 的碰撞效率随颗粒浓度，混乱度随时间的变化规律。g 6 m e z 【3 3 】应用双流体模型 对气固循环流化床上行床内自相干结构的形成、分散、破碎过程进行了数学模拟， 并考察了颗粒团的产生时闻鞠频率，提融了鬏粒嚣的判别标准。d a c h t 3 4 在颡粒 团水体系对表面活性剂的吸附研究中，在提出颗粒团为球形的假设基础上给出 了颗粒团聚尺寸的计算方法。 在非线性分形动力学方面，f a n 3 鬟，k u r a m o t o 3 6 等以玻璃珠为固相、水为液 棚，通过对液固流化床床层压力波动进行r s 分析计算出h u r s t 指数，发现床层中 的流动结构具有长程相关性，即床层的压力波动具有分形结构，而且当床层内的 颗粒流动状况发生变化时，h u r s t 指数会有突变。 l a u r e n 3 7 分别以玻璃珠耧聚丙烯颗粒为圆楣，水为液提，进行气液固三相流 化实验，在对床层压力进行小波分析和流动形态的划分后成功地区分了这两个不 同的系统。 罗娅娜】依据分形理论，考察了二维流忧床巾颗粒运动度与分形维数之瓣的关 系，发现当操作流速增大时，床层颗粒的分形维数及其变化范围也随之增大。 杨铁笙【3 9 】等利用分形生长模型对粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程进行了计 算机模拟，在扩教受限的絮团聚集模型( d l c a 模型) 的基础上，初步研究了粘性 细颗粒泥沙的絮凝沉降分形生长过程，并对最终的絮凝体进行了图像处理，得到了 分形维数和颗粒浓度的关系( 见图1 3 ) 。 图1 3 颗粒分布的初始状况与最终模拟的结果p 9 】 f i g 1 - 3t h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o no f t h ep a r t i c l e sa n dt h er e s u l to f t h es i m u l a t i o n 段一然【1 q 根据耗散理论的观点，采用匿象处理技术对三穗流态化几季孛典型流 型图片进行处理，并用变分法计算分维值，获得了不同流区具有不同分维值的结 果，然后进一步引入气泡分布分形结构理论，重构了气液固三相膨胀床内分散 鼓泡区翁气泡誊缀织结构。，安浇冬【耱3 考察了颡粒密度与尺寸对二维液彝流纯床 中麓鬏粒流动结构的影响，通过实验发现：随着颗粒尺寸和密度的增加，床层中 颗粒的团聚趋势加大。在段然的工作基础上，她运用分形理论对二维液固流化 床的中的颗粒謇组织结鞫进行了重橡，模掇缭采与实验的趋势一致。 综上新述，要对颗粒豹流动和豳聚结构方甄进行深入的了孵就必须以分形理 论为桥梁，将颗粒的宏观和微观尺度的性质联系起来，对颗粒和颗粒团的运动进 行分形重构。下面本文将对液圆流态讫的影响因素进行考察。 1 1 2 液固流态化影响因素 影响流态化的因素主要肖：颗粒的尺寸太小，颗粒的密度，液体的密度，粘 度等。 w i l h e l m 和k w a u k l 麓在篇水流他重颗粒锻颗粒时发现了聚式流态诧现象。 g i b i t a r o 1 翻对颗粒足寸、密度对流化囊爨的影镌进孳亍 爨究，以水为漉化余震考察 了o 1 2r n m 铜颗粒、0 5 - 2 4m m 玻璃珠，1 5m m 树脂颗粒的流化状况，发现粒径 大于0 2 3m m 的铜颗粒、大于2 4m m 的玻璃珠发生了聚式流他现象，而大尺寸昀 树鬻颗粒却都能较好遣流诧。 h a r r i s o n 4 1 】以不同密度剃粘度的甘油为介质对铅颗粒的流化情况进行了考 察，发现流体的密度越低，颗粒的流化状况越接近于聚式流态化。( 觅表l * l 和圈 董- 3 ) 襄1 1 铅颗粒在甘油中流化【4 1 1 t a b l e 1 - 1f l u i d i z a f i o no f l e a ds h o tw i t t la q u e o u ss o l u t i o no f g l y c e r o l ( pf 1 1 3 2 0 k g m 。，蠢= 7 7 驻l 鸯 _ 一m i n i zi , i - - i,i,ll _ 一 w l 艘e x p e r i m e n t a l g l y c e r o lf 鲰m - 3 )( c p ) o b s e r v a t i o n 7 511 9 03 6 3p a r t i c u l a t e 6 6l1 7 01 6 6t r a n s i t i o n a l 3 雾l ll 巷3 。5 8t r a n s i t i o n a l 010 0 0】0t r a n s i t i o n a l 矗一嗣_ 圈l - 4 铅颗粒在甘油中流化h 1 1 f i g 1 - 4f l u i d i z a t i o no f l e a ds h o tw i t ha q u e o u ss o l u t i o no f 6 l i 毽箨2 3 基子w i l h e l m 秘h a r r i s o n 酌基礁上对影豌液嚣流容讫的毽素进行了考 察，对钢珠和离子交换树脂在甘浊、承和正己烷中的流化情况，并结合颗粒在气 相中的运动状况提出了判断流化状态的无因次参量d n 。 表l 钢珠在不弱浓度豹甘浊水溶液学熬滚他 4 2 1 t a b l e1 - 2f l u i d i z a t i o no fs t e e lb a l lw i t ha q u e o u ss o l u t i o no fg l y e e r o l ( p 。= 7 5 9 7 k g t l l l ，d o = 2 8 7 譬l n ) - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ i l l r - i i i ii m u i u i i ij i uu - _ - _ - - _ - - f l u i d 热- 3 ，瓣、靴黼联1 0 - 4 ) ( 尹r ) 时嘲 ( k g + n 1 )( e p ) e v i d e n c e 、” 表l 奄离子交换树脂在不同浓度的甘灌永溶液审的流讫阁 t a b l e1 - 2f l u i d i z a t i o no fi o ne x c h a n g er e s i nw i t ha q u e o u ss o l u t i o no fg l y c e r o l ii i i i i( p i i 产f f1 1 8 7 i 5 媳i i i i i ii i i 5 ，如i 墨5 0um ) 。i i 一l_一_一 f l u i d 拙二 ( ：脚她淄d n e v i d e n c e0 - 4 ) ( 眺d e 怫艇? ( c p )( 1 ) 邱欧1 9 】对液固漉化床体系孛的麴聚现象进行研究，考察了不同糙度下流化床 局部流动结构的变化，提出了临界团聚理论，建立了最佳粘度模型。他认为存在 个最佳临界粘魔，当实际操作时液体粘度内此l 漆界值靠近时，流纯状态将褥戮 敬善。德还对不圈密度粒径豹鬏粒进孳亍了试验酝究，发现在高粘度流体中，颗粒 粒径的影响要比颗粒密度影响要显著的多；在低粘度流体中，颗粒密度的影响比 较显著，也即较轻和较小的颗粒的流态化行为更容易受到流体粘度变讫的影嘛。 7 1 2 分形理论与分形维数 流化床有着极为复杂的动力学行为，常规研究仅能对其物理量进行粗略和简 单的统计精确的描述非常困难。随着计算机技术的发展和新的数学分析工具与 方法的有效使用，2 0 世纪9 0 年代以后，非线性科学得到了迅速发展，混沌、分形 等新的分析工具对诸多工程学科的发展起到了有力的推动作用。非线性科学的引 入为流态他的研究开辟了新的道路，并被用来表征流化质量m ，流型辨识。 段一然根据耗散结构理论的观点重构了气泡群的分形结构：在段一然的工作 基础上，安晓冬运用c c d 图像采集系统对二维的液固流化床中的不同粒径大 小的聚甲醛，陶瓷珠颗粒团聚现象进行可视化研究，并在试验数据的基础上运用 c 柚t o r 分形集对流化床中颗粒的自组织行为进行了重构( 见图l - 5 ) 。 黪 ：兰避爿 图1 - 5 颗粒分形图像重构结果示意图聚甲醛颗粒d 神0 0 4 弛r 。= 1 42 删 f i g1 - 5f r a e t a ls i m u l a t i o n t e s u l lo l l y f o r r a n l d e h y d e b e a d s 1 2 1 分形【4 ”】 部分与整体以某种形式相似的形，称为分形。自相似原则和迭代生成原则是 分形理论的重要原则。它表征分形在通常的几何变换下具有不变性，即标度无关 性。由自相似性是从不同尺度的对称出发，也就意味着递归。分形形体中的自相 似性可以是完全相同旭可以是统计意义上的相似。标准的自相似分形是数学上 的抽象。选代生成无限精细的结构，如科契( k o c h ) 雪花、谢尔宾斯基( s i e r p i n s k i ) 垫 片、康托尘埃( 图1 6 ) 等。这种有规分形只是少数。绝大部分分形是统计意义上的 无规分形。 攀一 _ i 一_i 一 _ 一ll ill l l i ii l l li | i li l i l 雕洲明| | | i| | l i | | | | 眺 图1 - 6 科赫雪花、谢尔宾斯基垫片、康托尘埃f 4 7 4 8 】 f i g 1 - 6k o c hs n o w f l a k e ，s i e r p i n s k ig a s k e t ，c a n t o rd u s t 分形的几个特点： ( 1 ) 具有无限精细的结构：( 2 ) 比例自相似性；( 3 ) 一般它的分数维大于它的拓 扑维数；( 4 ) 它是由迭代过程产生，随着迭代步骤的增加，它越来越接近极限；( 5 ) 它的整体于局部的几何性质均难以用传统的术语来描述，不能用简单方程的轨迹 来表示。 以图1 - 6 中的三分康托集合为例，其形成过程为：首先把一线段【o ，1 】分为三 等分，然后移去中间的1 3 线段，保留两侧的线段。下一步再将剩下的两条线段 分别三等分，然后取走各自中间的一段。如此下去直至无穷，则线段将被划分成 无穷多个点，形成了由无穷个点组成的点集。对于c a n t o r 集，其相似比为1 3 ，每 次获取的单元数为2 ，那么分维数d 。= 1 9 2 1 9 3 = 0 6 3 0 9 。 1 2 2 分形维数 4 9 - 5 1 】 一个系统的自相似是指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺 度来看都是相似的，或者某系统或结构的局域性质与整体类似。自相似系统在发 生变化时，表征自相似系统或结构的定量性质并不会因为放大或缩小而发生变 化，这就是分形维数。因此，分形维数可以作为描述非线性系统中自相似性的一 个特征参数。 分形维数根据不同的定义方式分为：h a 哪d 0 麟数、关联维数、盒维数、信 息维数、广义维数、相似维数等。 其中盒维数是应用最广泛的维数之一，其基本思想是用一系列尺度相同的盒 子( 尺度艿) 去覆盖对象，用这些盒子把对象全部覆盖完，当尺寸万- - ) 0 时，盒子 的个数的对数l n n 与尺寸倒数对数l n ( 1 圆之比，就称为盒维数。 设f 是r n 上的任意非空的有界子集，占是直径为万，可以覆盖f 的集的最小 9 儆胎维炯以舣为见= 籼l i r a 器 1 3c c d 技术及数字图像处理 1 3 1c c d 概念和特点 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷藕合器件，它使用一种高感光度的半 导体材料制成，能把光线转交成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，然 后把数据传输绘计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要来处理图像。其 主要有以下优点 5 2 1 1 体积小、重量轻、具有理想的“扫描线性和很高的空间分 辨率；有数字扫描能力，可以获得很高的定位精度和测量精度，可任选模拟、数 字等不同输墩形式。可与圊步信号、i o 接嚣及微枫兼容、组成高性能系统，适 应于不同条件下使用。 1 3 2 数字图像处理 5 3 1 图像翡数字化处理主要可分以下嚣个部分： 1 ) 图像的数字化： 将模拟图像转换为离散数字图像的过程称之为图像的数字化； 2 ) 数字图像处理： 将采集到的数字图像转化为灰度图像； 3 ) 图像阈值分割： 当使用阚值规煲| j 进行图像分割时，所用灰度值大于或等于某阈僮的被判属于 物体。所用灰度僮小于该阈值的像素被摊除在物体之外。 4 ) q b 值滤波 将区域中所有值按大小进行排序，并将排序后位于中闻的象素值赋给中心象 素，这样可以去掉区域中发生随机突变的噪声点象素。 1 3 3c c d 可视化的可行性 要对流化床内部流体和颗粒的运动行为进行研究，测试方法主要有：c c d 1 0 摄像法 s 4 - 5 7 、宅导探头法f l o 捌、露容屡轿成像法【5 蚓、光绥探头法辩弼】、放射 鬏粒跟踪技术f 槔6 5 1 ，颗粒图像溅速技术( p i v ) 1 6 - q ，激光多普勒测速技术( l d a ) 6 8 - 6 9 等。 通过对以上几种测试方法的比较将蕊分兔外置法( 摄像法、电容豢析成像法、 辩、l d a ) 轻连嚣法磁导探头法、竞纤探头法) 。 l 电导探头法、光缍探头法都是内置法，建于探针直接置于被测设备的测定 点上，所以对床内的流体流动和气泡或颗粒运动等会有一定影响。 2 ) 摄像法、电容层析成像法、颗粒成像测速法都是外置法。它们是非接触式 的灏薰方法，可以直观的显示出气沲或颗粒的大小及其分布和运动过程，对床斑 靛气泡或颥粒运动没有干扰。 3 ) 毒釜侵入式测试技术骥显瓣优点是对漉场无于扰。但是对于电容层耩残像 法、p i v 法、l d a 法，实施比较复杂，且价格昂贵。在实际操作状况下，往往难 以实现或者效果不佳。 在努置溅量方法枣，c c d 摄像法与其它方法樱眈，具有方便安装，价格楣 对低廉，易于操l 乍等特点，故本课题在实验中采用c c d 摄像法。 重4 本论文研究方案 自费文霹舞，对予传统的滚圆循环不均匀滚态他，蘸蠢外学者的疆究凑容主 要集中子对颗粒整体性质的研究，丽在颗粒或颗粒团的局部结构和形成、破碎机 理模型方面的研究方面主要是f a n 【8 】，f o r t e s 3 1 l 等人的工作；可见，在液固循环 流态讫颗粒霞聚翡研究方面较少，因此本文将对循繇流纯床孛的颗粒謇组织结构 行为进行考察。 本文拟采用c c d 技术进行图像采集，利用盒计数法软件将对采集的图片进 行处理，获介观尺度出发，研究流仡床不同操作条件下的分形维数，并蠢此考察 液霉循环流纯寨牛墨现赞鸯组织结构随操作条件演化规律。在考察不网物性参 数、不同操作条件下、颗粒团变化情况和演化规律后，利用分形理论重构液固循 环流化床串的颗粒自组织现象并与实验进行对比。 悉洼鑫整亟圭堂焦淦塞 。墓三耋塞整鳖翌瑟烫这丕统 第二章实验装置及测试系统 本实验通过改变上行床液体流速、颗粒尺寸、颗粒密度、液体粘度来考察不 丽条件对颗粒团聚的影响。 2 1 实验装置及流程 本文采用c c d 测量系统配合普通光n ( f l 炽灯) ，对液固流化床中出现的囱 组织流动结构进行可褫化研究。液隧循环流化床实验装置如图2 1 所示。 2 图2 - 1 液固循环流化床示意图 f i g 2 一is c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et h r e e - d i m e n s i o n a ll i q u i d s o l i d c i r c u l a t i n gf l u i d i _ z e db e d l 一上行床2 一分离器3 ，9 一闼门4 ，l l 洗水5 颗粒返科管6 一蝶阀7 一下行床8 一分布器 1 0 一颗粒进料管l 卜辅助水流1 3 一主水流l 纠算机数据采集系统1 5 c d 系统 1 2 液匿循繇流纯床主要壶上行床、下行床、分离器、蝶阀组成。上行床提供渡 疆嚣期流化熊空阀；分离器主要是实现颗粒和料液的分离；下行床主要作用是为 颗粒沉降提供空间，还为上行床提供循环颗粒。颗粒从下行床上端加入，依次经 蝶阀、颖粒进料篱，然后由主辅水流控麓完成整个循环。 梵了更好夔磷究液。露流纯康瓣固体颗粒流动结构特性，要求实验设螯是透 明的，本实验采用的液固循环流化床装置为玻璃制成。 在图片采集过程中，为了保证图片清晰，光源、流化床、c c d 溅量系统的 糕对熊置很重要，三者黪攘对位置： c c d 镜头与管壁垂直，距离1 0 e m ； 普 通光源与上行床轴向呈4 5 0 角； 采用黑色绝缘胶布粘贴在管壁上作为背景，防 止背景脱落和反射光线太强。 整个装置豹动力设备是协达b t 0 1 y z l 5 1 5 型蠕动泵( 流量范萋l 。6 0 班嘞，生 要部件骞：泵头、驱动器、以及数字显示仪。 实验中所使用的c c d 测量系统由c c d 摄像机、o k - m 2 0 h 黑臼图像卡、计 算枧和软件系统等组成。 2 2 实验材料 2 2 1 颗粒和流体物性 本实验过程中液相采用的是室温下的自来水( 甘油水溶液) ，围裙采用的蔻 a b 8 大孔树瑟、聚季醛颗粒、羯瓷臻颗粒。 对于a b 8 大孑l 树脂的筛分： 1 ) 用自来水将a b 8 大孔吸附树脂中的有机溶剂洗净； 2 ) 依次餍2 0 霜、鞠善、翡基、5 0 露筛网对大孔瓣嚣筹颗粒进行瓣分，反复多 次后，耀塑料带保湿封存。 对于聚甲醛和陶瓷珠的筛分： 1 ) 将滤纸叠好，中闻留4m i l l 大小煎魏径，放入玻璃漏斗巾，下面放置烧杯。 2 ) 将颗粒缓慢倒入漏斗中，收集麸漏斗串落到烧杯中豹颗粒。 经过处理后得到的颗粒物性参数见袭2 1 ( 注：树脂颗粒的密度为湿视密度) 表条l 颗粒骢蠼 t 如k2 一lp h y s i c a lp r o p e r t i e so fp a r t i c l e s _ _ _ _ 删i i i i i ii , m mi mi l li i i i i i i i ii i _ _ 唧pp u m fu t l 扩避 娃。弧3l 酽m 。s 。lm s - ! u n a b 一8 大孔树脂0 9 0 0 1 0 7 0 0 3 4 30 0 1 4 81 1 9 2 2 5 8 勰一8 大魏樾鬻 0 。豹01 0 7 00 ，1 5 30 。0 0 9 3 l 搀。8 4 5 a b 一8 大孔树脂0 4 5 0 1 0 7 0 0 0 8 60 0 0 6 71 1 8 7 5 1 7 鹤一8 大魏瓣器0 。3 5 51 0 7 00 0 5 40 。0 0 5 11 1 8 7 1 7 1 聚甲醛4 ，0 0 01 4 2 01 8 ，8 90 ，2 8 7 21 4 7 6 5 1 7 陶瓷珠 莲0 0 02 6 7 0 4 4 ，0 0 10 。4 4 69 9 5 7 9 6 1 冀串 d n 4 2 辩由下式计算： d p u l p f re 拳。- 一 圾一( 畚 ( 引 ( 2 一王) 0 圆 ( 2 3 ) 毒击= 1 6 5 0 + 瓣5 融缈可得淞。鞭粒的漉降速度可国摩擦鼗群法遴行计葵， 这里就不赘述。 2 2 。2 漉嚣粘度调苇 营油水溶液翡配锖：苜油水溶液的粘度焉鸟氏粘度计( 觅鬻2 3 ) 瓣量。 缝本实验孛，赛使震熬鸟氏旗度诗毛缨警壹经终受0 。9 5 躺巷。在测璧之蓠， 先用去离予水将糙度计冲洗千净，然聪放置在阴凉处晾干。 糟秒表测定a 中盼科液流下所需的时间，即测定料液通过a l 糯a 2 之蓠所需 瓣对趣。籍各次测定戆平均值t 代入式绉鹄求液箨嚣运动藕度。 蛩= e l t( 2 - 4 ) 1 4 f i