（化学工程专业论文）超细粉在声场流化床中的流化特性.pdf

蹦j l l 大学颈 擘位论文 超细粉在声场流化床中的流化特性 化学工程专业 研究生梁华琼指导教师周勇副教授 超细粉通常是指粒径在1 1 0 0 0 n m 范田内的固体颗粒，这类颗粒由于粒径 小，粘附性很强，按传统方法流化对易形成横向裂纹和纵向沟流而难以实现平 稳流化，所以，在过去流化时通常都不采用这类颗粒，对其流化特性知之甚少。 但近年来，随着超细粉体技术的发展以及对超细粉加工的需要，超细粉流态化 技术的研究和应用f 1 益受到人们的关注，特别是如何改善超细粉的流化质量j e 逐渐成为研究的重点和热点。 本文以原生纳米级s i o ：并f i t i 毡超细粉为物料，研究了超细粉在声场流化床中 的流化特性，结果发现：适当频率的低频强声波的引入，可以消除沟流、节涌 等现象，大大降低临界流化速度，显著改善纳米s i 0 ：和t i 0 ：颗粒的流化特性，使 其达到均匀的流化状态。论文还系统的考察了声压和频率对纳米s i o 。和l i 0 ：颗粒 流化特性的影响，结果表明：在频率一定的情况下，声压越高，流化床中形成 的聚函尺寸越小，最小流化速度越低，流化质量越好：当声压低于1 2 0 d b 时，声 场对超细颗粒流化特性的影响减小，当声压大于1 3 0 d b 时，则能显著改善流化效 果，使流化床内的颗粒聚团明显减小，最小流化速度明显降低，粉体带出减小： 声压一定，频率为1 2 0 h z 左右时，最小流化速度最低，此时流化床中形成的聚 团尺寸最小，流化效果最好；超细颗粒达到较好的流化状态存在一个最佳频率 范围，随着声压增高，这个频率范围将增大。当频率高于1 2 0 h z ，流化床中形成 四川太学颧。j 二学位论文 聚团尺寸随着频率的增加而增大，最小流化速度也随着频率的增加而增大，当 频率低于1 2 0 h z ，流化床中形成聚团尺寸随着频率的减小而增大，最小流化速度 也随着频率的减小而增大；料层越高，声波的衰减越大，超细颗粒的流化效果 越差，最小流化速度越大。 在理论分析和实验观察的基础上，建立了声场流化床中超细粉聚团尺寸的 预测模型，该模型预测值与卖验结果吻合较好，说明了模型的合理性，为进一 步开展有关研究和开发超细粉声场流化床打下了良好的基础。 关键词：超细粉声场流化床聚团尺寸理论模型 列川大学 莓一学位论文 s t u d y o nf 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 ff i n ep a r t i c l e s i nas o u n d a s s i s t e df l u i d i z e db e d m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：l i a n gh u a q i o n gs u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep m f z h o u y o n g t h ef l u i d i z e dt e c h n i q u e so ff i n e p a r t i c l e sa l eg a i n i n gi n c r e a s i n gi m p o r t a n c e a l o n gw i t ht h eg r e a ta p p l i c a t i o no f f i n ep a r t i c l e st ot h em a n u f a c t u r ei n d u s t r y b u tt h e f l u i d i z a t i o no ff i n ep a r t i c l e se a s i l yr e s u l t si nc h a n n e l i n ga n d p o o rf l u i d i z e db e h a v i o r a sac o n s e q u e n c eo f s t r o n gp a r t i c l e - t o p a r t i c l ec o h e s i v e n e s s s ov a r i o u st e c h n i q u e s h a v eb e e n p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o ff l u i d i z a t i o no ff i n e p a r t i c l e s e s p e c i a l l y , t h es o u n d a s s i s t e df l u i d i z a t i o no f f i n ep a r t i c l e si sr e s e a r c h e di nt h i sw o r k a ne x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s i s d e s i g n e dt os t u d y t h ee f f e c t so fs o u n dw a v e f r e q u e n c ya n ds o u n dp r e s s u r el e v e lo nt h ef l u i d i z a t i o no ft h ef i n ep a r t i c l e s i ti s e s s e n t i a l l yc o m p o s e d o faf l u i d i z a t i o nc o l u m n ，a s o u n d - g e n e r a t i o ns y s t e ma n d ad a t a a c q u i s i t i o ns e t t h ef i n es i o za n dt i 0 2p a r t i c l e sh a v eb e e nf l u i d i z e di nac o l u m n 1 3 0 m mi ni da n d10 0 0 m m h e i g h t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h eq u a l i t yo f f l u i d i z a t i o no ff i n ep a r t i c l e si sd r a m a t i c a l l yi m p r o v e db yt h e a p p l i c a t i o no f a c o u s t i c f i e l do fa p p r o p r i a t es p l s 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 yh a sam i n i m u mv a l u e w h e nt h ef r e q u e n c yo fs o u n dw a v e si s12 0 h za n di tw i l ld e c r e a s ea st h es o u n d p r e s s u r el e v e li n c r e a s e s t h ed e g r e eo fs o u n da t t e n u a t i o nw i l li n c r e a s ew h i l eb e d m a t e r i a li sh i g h e ra n dt h ef l u i d i z a t i o nq u a l i t yo ff i n ep a r t i c l e sw i l lb e c o m e p o o ra n d 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 yw i l li n c r e a s e c o m p a r e dw i t ht i 0 2 ，t h es i 0 2f i n e p a r t i c l e sh a v e ab e t t e rq u a l i t yo f f l u i d i z a t i o na tt h es a n l ef l u i d i z e dc o n d i t i o n s i i i 四川大学硕 学位论文 t h ec l u s t e r s u b c l u s t e rm o d e la n do s c i l l a t o r sm o d e ia r eu s e dt od e s c r i b et h e f 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 ff i n ep a r t i c l e si i 1 as o u n d a s s i s t e df i u i d i z e db e d t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ss h o wt h a t 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 yu 可i s d e c r e a s e dw i t ht h es p li n c r e a s e da tt h es a l t l ef r e q u e n c yo fs o u n da n dt h eq u a l i t yo f f l u i d i z a t i o ni sb e t t e r t h ea g g l o m e r a t i o n ss i z e so ff i n ep a r t i c l e si nt h ef l u i d i z e db e d a l es m a l l e ru n d e r h i g h e r s p l t h es o u n dw a v e sh a v el i t t l ee f f e c to nt h e a g g l o m e r a t i o n sw h e ni t i su n d e r1 2 0 d b b u tt h e a g g l o m e r a t i o n s s i z e sw i l lb e d r a m a t i c a l l yr e d u c e d t o1 8 0b i l lf r o m7 2 0l a mw h e nt h es p li sa b o v e1 3 0 d b t h eu 矿 h a sam i n i m u mv a l u ea ta l la p p r o p r i a t ef r e q u e n c yo fs o u n da n dag o o dq u a l i t yo f f l u i d i z a t i o nc a l le x i s ti nag r e a t e rr a n g e so ff r e q u e n c yo fs o u n dw h e nt h es p li s h i g h e r t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r ea c c o r d a n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n di t s h o w st h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lc a l ls u c c e s s f u l l yd e s c r i b et h ei n f u e n c eo ft h e a c o u s t i cf i e l do nf l u i d i z a t i o no f t h ef i n ep a r t i c l e s k e y w o r d s ：f i n e p a r t i c l e s ，s o u n df i e l d ，f l u i d i z e db e d ，a g g l o m e r a t i o n ss i z e s , t h e o r e t i c a lm o d e l 叫川大学硕。l 学位论文 1 前言 超细颗粒通常是指尺寸介于原子团簇与微粉之间、粒径在l 1 0 0 0 r i m 范围内 的固体颗粒i ”，这类颗粒由于具有许多特殊的新性质与新效应，在众多领域有 着广阔的应用前景，因此，近年来超细颗粒的研究受到世界上广泛的关注并获 得了迅速发展f j j 2 j ，流态化技术作为一种强化气固接触的手段，在超细颗粒制 备、处理和应用方面都具有独特的优越性，因此，超细颗粒的流态化技术越来 越受到人们重视，并对其展开了研究。 按g d d a r t 3 1 分类法超细粉属典型的c 类颗粒。这类颗粒由于粘附性强，流化 时易形成横向裂纹和纵向沟流，而难l 三i 实现平稳流态化，因此，超细颗粒盼流 态化一直很少受到关注。近年来c h a o u k i 等人首先发现 4 1 ：当气速远远高于超细 颗粒临界流化速度时，c u a 1 2 0 3 气溶胶会因自团聚作用而形成许多小团聚体， 并以聚团形式实现平稳流态化。随后其他的研究者也都发现阻n 1 超细颗粒在较 高气速下的自团聚现象，但除少数情况外，多数情况下，由于形成的聚团粒度 分布很宽，流化质量很差，甚至不能流化，所以如何改善超细颗粒的流化性能 成为人们研究的热点。 改善超细颓粒流化性能的方法有很多，这些方法归纳起来可分为两大类： 一类是采用添加较大的颗粒来改善粉体结构特性以改善其流化质量：另一类则 是向流化床引入各种力场，如振动场、磁场、声场等，利用附加能量来削弱粒 子间的牯附。以达到改善超细颗粒流化质量的尽的。 早在二十世纪五十年代，m o r s e 1 2 1 就发现声波可以改善粘附性颗粒的流化 质量；但在随后的很长一段时间内并未受到人们的重视。直到九十年代初，由 于超细颗粒流态化技术的发展，声场流化床又受到人们关注。c h i r o n e l l 3 】【1 4 】 等人通过研究发现：声波的引入可以有效的削弱粒子间的粘附、抑制沟流和颗 粒团聚，从而改善超细粉的流化质量，同时，声波还具有强化气固接触的效率， 不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床而不需要内部构件等优点， 因此，引入声波来改善超细颗粒的流化质量是一种很有效的方法。但是，现在 的有关超细颗粒声场流化床的研究还很少，特别是对纳米级超细粉在声场中的 流态化的研究尚未见有关报道。 本文以原生纳米级s i o 。及t i 0 。超细粉为物料，在内径1 3 0 r a m 的声场流化床中， 凹川大学硕士学位论文 系统地考察了超细颗粒在不同声压及频率下的流化特性及实验现象。并在详细 分析了颗粒间粘性力及声场流化床中聚团受力基础上，探讨了声场流化床中聚 团形成及破碎的机理，建立了聚团尺寸预测模型，最后结合实验结果对理论模 型进行了验证。 州川人学硕l ：学位论义 2 文献综述 g e l d a r t i m 根据颗粒流化行为的不同将颗粒分为a 、b 、c 、d 四大类，a 类颗 粒一般具有较小的粒径( 3 0 1 0 0 um ) 和表观密度( 小于1 4 9 c m 3 ) 。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；b 类颗粒其有较大的粒度( 1 0 0 6 0 0 l i n ) 和密度( 4 9 c m 3 a 1 4 9 c m 3 ) ， 其初始鼓泡速度与初始流化速度相等，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办较低， 且气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒度无关：d 类物料一般为太或非 常重的颗粒，般平均粒度在0 6 m m 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；c 类颗粒一般平均粒度在2 0 “m 以下，此类颗粒由于粒 径很小，颗粒问的作用力相对较大，而极易导致颗粒的团聚。并且因其具有较 强的粘附性，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 c 类颗粒，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，并展刃：了广泛的研究。 2 1 超细颗粒的流化特性 1 9 8 5 年，c h a o k i 4 1 等人首先对超细粉的流态化进行了较系统的研究。结果 表明：密度很低，粒径只有几um 的c u a ! z o ，气溶胶，在气速远远高于颗粒l 临 界流化速度( 约为2 0 0 0 0 倍u 。f ) 的条件下，可以通过颗粒的自团聚作用形成粒 径约为7 0 0 um 的聚团而实现平稳流态化，这一研究成果引起了广大学者的极大 关注，并激起了人们对超缨粉在离气速下流化彳亍为豹研究， c h a o k i 等人【4 】在实验中观测到，超细粉的流态化过程与普通粉体有很大的 差异。在较低的表观气速下，气体曳力不足以分散单个颗粒，气体虽能透过颗 粒堆积的固定床，但床层的透气性很差，开始时床层像活塞一样上升。在某一 较高气速下，床层突然崩塌，活塞流破裂形成聚团，之后，床层中的颗粒将以 聚团形式实现平稳流化。因此，超细粉的流态化过程可以分为三个阶段：( 1 ) 弹性粉体阶段( 节涌) ；( 2 ) 转换阶段( 沟流) ；( 3 ) 聚团流化阶段( 平稳流化) 。 m o r o o k a l q 等研究了多种超细粉的流态化，发现a 1 2 0 3 、t i o 、s i c 、n i 和s i 3 n 4 3 凹门l 大学i ：i i ii 学位论文 等在高气速下( u 。r = 1 2 7 6 c m s ) 能形成直径较小( 7 0 7 0 0um ) 且稳定的团 聚物，实现稳定流态化。c a c 0 3 和z r 0 2 则因粒间粘附性很强，形成很大块的聚 团，而难于流化。 p a c e k h 等发现硬度和密度都较大的碳化钨粉( 原生粒径0 5 2pm ，一次团 聚物粒径5 7 扯m ) 在高气速下( u m f = 2 2 c m s ) ，也能形成直径5 0 0 1 0 0 0 um 的团聚物而实现稳定流化，但由于超作气速高，带出严重。 王兆霖( s l 等人在用超细粉及细颗粒进行流态化实验时，发现此类颗粒以三 种状态存在。在分散剂或外力作用下，可能以单颗粒存在；但在一般存放条件 下，以自然聚团存在；在流化床气流作用下，则以流态化聚团状态存在。 w a l l g 等人【9 】考察了平均粒径为1 6 r i m 的s i 0 2 颗粒的流态化行为，他们发现， 当操作气速( 0 1 4 0 0 3 5 m s ) 远远超过纳米颗粒的最小流化速度时，这种超细 颗粒可以通过聚团实现稳定均匀的散式流态化。 g e l d a r t 掣。6 1 、赵君等【1 7 】、华彬等t 1 引、王兆霖【1 9 1 等考察了超细颗粒床层的膨 胀特性，结果表明：低气速时，床层膨胀率很，j 、，增大气速床层膨胀率迅速增 大，当气速达到物料的初始流化速度后，床层膨胀率随气速增加减缓。超细颗 粒床膨胀可表征如下：( 1 ) 沟流严重；( 2 ) 增大气速床层突然分裂，料面顺速 升高，随着气速再增加，床层均匀膨胀；( 3 ) 当床层达到稳定流化时，床膨胀 很小。 王兆霖等1 2 0 】通过对铁黄、沸石等的塌落实验研究表明，各种粉体具有相似 的塌落规律，即开始的迅速塌落及随后的速率不断减小的塌落过程。超细粉的 床层塌落可分为两类：一类是沟流严重的颗粒和床层膨胀比很小的颗粒，其塌 落过程料面变化不明显：另一类是有一定膨胀床高的颗粒，这类颗粒床层塌落 时会表现出a 类物料的塌落特征，即表现出气泡逸出阶段、浓相压缩阶段和受 阻沉降阶段，并具有一定的滞气能力，并根据超细颗粒流态化的特性，把超细 颗粒分为：( 1 ) 沟流型。此类颗粒的特性为：随气速增加料面波动很大气流经 由较大的沟流缝隙通过床层。流化床的夹带严重，即使形成了聚团。由于聚团 间的粘附作用也不能消除沟流现象。( 2 ) 似a 类聚团散式流化型。流化时在床 层内部形成了类似a 类颗粒性能的聚团，在气流作用下，整个床层表现为a 类颗 粒的散式流态化性能。( 3 ) 似b 类和d 类聚团流态化型。流化时整个床层从上到 下全部为类似b 类或d 类颗粒的团聚体，流化特性完全如b 类或d 类颗粒的流化 4 凹川人学硕j ：学位论义 特性，其流化特性需要改善，此外，对超细粉聚团流态化还存在一个过渡态， 即底部为聚团固定床，上部为小聚团流化床。 周勇【引l 等在研究s i 0 2 和t i 0 2 超细颗粒流化时发现粉体初始填充状态对超细 颗粒流态化质量有重要影响：对于s i 0 2 超细颗粒，当超细粉床层装填较紧时， 形成的聚团粒径大流化行为类似b 类颗粒，反之当床层装填较松时。形成的聚 团粒径就小流化行为类似a 类颗粒。 赵等【1 7 】在研究了滑石粉、f e 2 0 3 和a t ( o h ) 3 等7 种粘附性颗粒的流化特性后， 提出了粘附性颗粒的表观最小流化速度的概念，认为对每一种细粉体都有一个 能使其达到“正常”流化的最小气速，即表观最小流化速度。 以上研究表明：一些超细颗粒在高气速下可以通过自团聚作用形成粒径较 大的聚团，而以聚团形式实现平稳流态化，其流化行为因聚团的大小、分布及 密度等性质不同而分别表现出a 、b 及d 类颗粒的流化特性。因此，超细颗粒的 流化特性不能简单地由原生粒子( 超细颗粒) 的性质来判定，而与床层中聚团 的性质密切相关。所以只有了解了床层中聚团的性质，才可能正确的预测超细 颗粒的流化特性。 部分超细颗粒虽然能在高气速下实现稳定流态化，但由于形成的聚团粒度 分靠很宽，夹带严重，流化质量差，粘附性强的颗粒即使在较高气速下也难以 实现稳定流态化。因此，如何改善细颗粒的流化质量成了人们关注的重点。 2 2 改善超细颗粒流化质量的各种方法 对于在高气速下仍难以流化或流化质量差的超细颗粒，人们采用了许多方 法来改善其流化性能，这些方法归纳起来可分为两大类：一类是采用添加较大 的颗粒来改善粉体结构特性以改善其流化质量：另一类刚是向流化床引入各种 力场，如振动场、磁场、声场等，利用附加能量来削弱粒子间的粘附，以达到 改善超细颗粒流化质量的目的。 2 2 1 超细颗粒添加组分流态化的研究 k o n o 笔j ；【2 2 】【2 3 l 把细的c 0 3 或a l ( o h ) 3 颗粒加入到a 类的f c c 催化剂颗粒 中，考察该过程流化状态后发现，c a c 0 3 或a i ( o h ) 3 颗粒的存在增加了乳化相的 塑性变形系数和抗拉强度。使得在很宽的气速范围内，都可出现均匀的流化状 5 四川：= 学硕士学位论文 态；k a t o 等【2 4 】将微细粒子连续加入粗粒子流化床中，用粗粒子分散细粒子，使 之扬析到床外，仅向流化床内供给微粒子反应所需的气体，形成一种特殊的微 粒子反应器。l i 等删发现，在凝胶细颗粒聚团中加入惰性颗粒，如氧化铝颗粒 或渥太华沙子等，均可以控制聚团的大小，改善流化质量。d u t t a 等 2 6 1 发现，在 超细颗粒中添加少量极细的铝粉和硅粉，可以大大减小超细颗粒的h a u s n e r ：l h r ( h 。是物料粘附性的度量，h r 越大，物料粘附性越强) ，粘附性降低后流化 质量变好。 从以上所述可以看出：添加颗粒可以调节微粉颗粒间的粘附力，控制聚团 大小，使粘附性颗粒平稳流化。于是，人们希望知道对任意给定的粘附性颗粒， 添加什么性质的颗粒、添加多少能使粘附性颗粒平稳流化，且能预知聚团大小。 这就需要深入地研究添加颗粒与粘附性颗粒之间的相互作用，研究添加颗粒的 种类、性质及添加比例对粘附性颗粒流态化的影响，摸索添加颗粒时聚团长大 与破碎的机理，从而得到定量关系。这些都是目前急待研究的课题。 通过添加较大颗粒来改善超细颗粒的漉化特性，勿需增加设备，装置简单， 但若流化后颗粒需要分离时，则比较麻烦。另外，在工艺条件不允许添加颗粒 的场合，其应用受到限制。 2 2 ，2 外力场作用下超细颗粒流态化的研究 关于利用振动力场来改善粘性颗粒的流态化质量已有一些研究 2 6 删l 。m o d 等人j 首先应用一种新型的振动流化床对单组分和多组分微细颗粒进行了振 动流态化的实验研究。实验结果显示，振动可以减小聚团尺寸，降低超作气速， 但对粘附性较强的超细粉如c a c 0 3 仍需在强烈振动及高气速下才可实现正常流 态化。d u t t a 2 6 对在外部振动情况超细颗粒的流态化行为进行了考察，发现振动 的引入可以抑制沟流，降低颗粒的起始流化速度，使超细颗粒达到均匀的稳定 流态化。陈建平、汪晨文 3 5 1 研究了超细颗粒在二维振动流化床中的行为。发现 存在完全沟流沟流流化和完全流化三种状态。这三种状态的存在取决于振动 强度和气体速度。以硅胶细颗粒的振动流态化为例，如不加振动，细颗粒在 0 0 4 m s 气速下，才能完全流化：如气速较低，则是沟流漉化；随着振动频率的 提高，使其完全流化所需的气速也随之减小；当振动频率高于5 0 h z 时，就不出 现沟流流化而赢接从固定床状态进入完全流态化状态；唐洪波等 3 3 】研究了微细 6 皑川大学颈j 。掌位论文 粉体在振动流化床中的团聚行为和振动参数对团聚物尺寸的影响，结果发现， 振幅和频率增加，即振动强度的增加，均可以使聚团的尺寸减小。 振动流态化技术的研究主要局限性是：虽然振动可班减小聚团尺寸，降低 超作气速，但对粘附性较强的超细粉( 如c a c 0 3 ) 仍需在强烈振动及高气速下 才可实现正常流态化；另外，由于引入了振动，设各的复杂性增加了，机械也 成为影响振动流化床发展及大型化的障碍之一。 磁场流态化是流态化技术与电磁技术相结合的产物，是一种高效、新型的 流态化技术。当固体颗粒为铁磁性物质，或固体颗粒中混有相当数量的铁磁性 物质时，外力场会明显影响颗粒物料的流化行为，防止气泡与颗粒聚团的形成 与长大，从而改善流化质量6 “1 。郭慕孙最先提出利用交流电机产生旋转磁场 的原理进行旋转磁场流态化研究的设想。此步l l u c c h e s i 等【帅】人对磁场作用下c 类物料流态化行为进行了反复观测和深入分析，发现磁场可以改善铁磁性物质 的流化质量，并认为这主要是由于铁磁性物质在磁场力的作用下沿着磁力线方 向形成很多针状结构的结果。朱庆山、李洪钟等d 4 j 对超细颗粒的磁场流态化机 理进行了实验研究，发现磁场能有效的消除流化床内的沟流，使稳定的流态化 操作得以实现，但是磁场流念化技术只对铁磁性颗粒或参入铁磁性颗粒的混合 颗粒有效，对非铁磁性颗粒则无效。 所谓声场流态化是将声波从流化床项部或底部引入流化床中，达到某种效 果。采用声波来改善粘附性颗粒的流化质量，则开始于m o r s e 的工作。m o r s e f l 2 1 首先发现低频高强度的声波可以抑制沟流，改善粘附佳颗粒的流化性能： m o u s s a 等【4 1 1 考察了声场在加速流化床中微细颗粒燃烧中的潜在效果，结果发现 声场的引入可以大大改善流化床中的传质与传热效率：n o w n k 和h a s a t a n i l 4 2 1 也 指出，低频声场可改善难流化颗粒的热传递特性：c h i o r o n e 掣13 】f 1 4 】在研究声 能对超细粉体流态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，使超缅粉表现出a 类颗粒的流化行为，颗粒夹带也大大减少， 从而显著的改善了超细粉地流化质量。实验中发现，当无声场加入时，超细颗 粒在床中形成大聚团，其直径甚至与床径相当，无法正常流化超作，更无法得 到其压降曲线与膨胀曲线。但当适当声压与频率的声场加入后( 声压与频率应 与床中的物料重量相匹配) ，流化质量奇迹般的得到了改善；且当频率一定( 为 1 2 ) h z ) 。声医建高，超绥颞粒的流化质量越好；当声压一定，频率在1 2 0 h z 左 凹川人学硕1 ：学位论文 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。 与其它方法相比，声波更能有效地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态化，显著地改善超细粉体的流化质量；并 且声能还具有不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床而不需要内部 构件等优点。因此，引入声场来改善超细颗粒的流化质量是一种很有效的方法。 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。因此，外加力场与超 细颗粒流化特性之间的规律以及外力场作用下聚团的大小自然是人们希望知道 的，但目前远未建立起有关的定量的关系，这需要深入研究超细颗粒在各种外 力场作用下的流化机理、以及聚团在外力场作用下生长与破碎的机制，找出符 合实际的规律和理论模型。从而正确地预测超细颗粒地流化行为，为开发超细 颗粒流态化技术奠定良好基础。 2 3 聚团形成机理与预测模型 表面物理化学揭示了超细粉固体表面的一个重要特征。即细粉表面具有正 的表面自由能，固体增加表面就必须克服分子间的吸引力而对体系作功。单位质 量颗粒表面积越大( 颗粒越细) 所需的表面功越多则颗粒正的表面自由能越大， 按照热力学第二定律，恒温恒压下的白发过程总是向降低自由能的方向进行，由 于固体表面原子的不流动性和固体本身的抗剪能力，它不能向液体那样可以改 变自己的形状来降低正的表面自由能，唯一的途径就是与周围的颗粒相互粘附 来达到目的，因此，有细颗粒存在的体系中就有粘附现象发生。 某些超细粉之所以能够在高气速下实现平稳流化，是由于他们能在高气速 下形成尺寸较大且稳定的聚团。而颗粒问强烈的粘附力是超细粉形成聚团的根 本原因。超细粉颗粒间的粘附力作用主要包括：范德华力、静电力、液体桥力 以及机械咬合力。在干燥状态下，超细粉颗粒间的粘性力作用，主要是范德华 力，范德华力与粒径一次方呈正比，随着粒径的减小，范德华力与颗粒重力的 比值成二次方上升。因此，粒径越小。粉体的流化性能受粘性力的影响越大。 王兆霖等l l q 通过对a l 舡、c a c o 。等粉体的计算表明，粒径为1um 时，粘性力与重 力的比值为1 0 3 ，当原生粒子为1 0 i im 时，比值降到几百。正是由于超细粉颗粒间 8 i ，i 】i i 大学颂f j 学位论文 强烈的粘性作用力，使其在自然状态下很难以单分散形式存在，而会自发形成 团聚体，这种团聚体称为自然聚团( 或一次聚团) ，粒径一般在数十微米，该过 程中，颗粒表面的主要活性区为相互的初次粘附所占据。由于这种一次团聚物 阃仍有较强的粘附力，流化对，在气动力作用下，一次团聚物之间或较大颗粒 之间会进一步重组，形成较大的团聚物，称为二次团聚物。期间，颗粒间粘附 及定向取位使得颗粒和聚团表面的粘附活性区迸一步饱和，另一方面，聚团问 的碰撞及气流的剪切作用会使较大的聚团破碎形成较小的聚团。这种团聚与解 聚间的动态平衡决定了床中聚团尺寸。研究还发现，生成的二次聚团由于聚团 结构的紧密程度不同使聚团的流态化性能发生差异。具有不同密度、化合物类 型的原生颗粒形成聚团后具有不同的聚团强度，有的聚团如c a c o ，形成的聚团密 度较大，流化时易破碎和重组；而有的颗粒如自碳黑( 改性) 形成的聚团密度 较小，其最终的平衡聚团很稳定。 超细粉在流化时，由于极强的粒闯秸附力，在气流作用下，不是以单颗粒 分散状态流化，而只能以聚团形式流化，其流化性能与聚团尺寸及密度密切相 关l z ”。因此，为了预测超细粉的流化行为，许多研究者对超细粉的团聚机理、 颗粒物性和操作条件对聚团性质的影响进行了研究，并提出了不同的预测聚团 大小的模型。 9 6 9 9 日h 晒f w 。日暑 日渗。日祟 圄2 1 聚团碰撞模型示意图 f i 9 2 is c h e m a t i cm o d e io fa g g i o m e r a t ec o ilis i o n 王兆霖等4 3 1 采用动态显微摄影技术研究了粘附性颗粒在流化床中的颗粒 聚团过程，提出了链模型：首先，在流体曳力和颗粒碰撞的作用下，单颗粒或自 然聚团秸附形成不同长度的单链。其次在漉纯气体作用下，颗粒链褶互联结。 9 图 o ： v t l 川大学硕“l 一学位论文 缠绕成为枝状的颗粒聚团，随着其它颗粒和自然聚团的碰撞，枝状聚团的颗粒 链折叠，变成更大的聚团。最后，粘附性颗粒在聚团表面粘附，形成新的颗粒 链，同时聚团表面的一些颗粒链断开，被气流带走，这样颗粒链的粘附和分离 就达到了动态平衡，聚团大小趋于定值。王兆霖1 4 3 1 认为，影晌聚团形成的作用 力主要有：范德华力、碰撞力和聚团破碎时的内部的剪切力等，其碰撞模型示 意图如图2 1 所示。 碰撞力可表示为： 。- 0 3 8 l 高】0 2 而丽( d m d 两2 ) 2 阡( 2 - 1 ) 取d 。= d ：= d 。，k 。= k ，= k ，则有： ，。- o 1 6 6 【譬】0 2 ( 2 _ 2 ) d r 一聚团直径 k 一聚团的弹性变形常数 v 一两聚团的相对碰撞速度，女：l 善 y 一泊松比 e 一杨式模量 范德华力可表魏k = 等 实际聚团间范德华力可表示为：k = 毒( 1 一乞) 2 毛一聚团空隙率 h - - h a m a k e r 常数 z 一两聚团问的距离 破碎剪切力可表示为： 只一些娶生 ( 2 3 ) 。”9 6 2 2 d 口毛 f ，。，一聚团2 对脱离部分( 设直径为d 的聚团) 的剪切力的合力 当颗粒链的粘附和分离达到动态平衡时，聚团的受力平衡为： 州川人学硕i 。学位论文 只，+ e 。= f d 。 ( 2 4 ) 由此可建立计算平衡聚团尺寸模型。为计算聚团直径d 。，必须先确定脱离 聚团的直径d ，设d = n d 。，则有： 叫s s c 譬 0 2 昏簧导+ 高商”啪2 以( 2 - - 5 ) 由上述模型可以看出。此模型仅考虑三个影响聚团形成的作用力，而实际 上影响聚团形成的作用力还有气固曳力、聚团自身的重力和气体对聚团的浮力， 而且模型中脱离聚团的直径d 的确定也是该模型准确与否的关键，因此，此模 型的应用受到了限制。 唐洪波等3 4 1 1 4 4 1 研究了振动流化床中粘附性颗粒的流化特性，认为整个床层 是由很多层结构组成的，每层都具网状结构，网上颗粒间存在颗粒链，颗粒链 有一定强度。随着床层充气，网上的颗粒就要受到气流的剪切作用，当气流对 颗粒的剪切作用能够使某一颗粒移动时，颗粒就从一个位置移动到另一个新位 置，但此时由于这个颗粒受到周围其他颗粒的作用，该颖粒还不能择脱其他颓 粒的束缚，只是在以颗粒链长度为半径的空间移动。与此同时，网上的其他颗 粒也同样会受到这种作用，其结果是网上颗粒之间的作用角度发生变化。随着 气速的增大，当气体对颗粒的剪切力足够大时，网上的些颗粒作用能够链断 开，形成具有三维结构的新链。又由于这些链具有较高的表面能，在气流作用 下，链上的颗粒进一步靠拢以达到能量最低，于是颗粒聚集成团。唐洪波认为 颗粒间的粘性力对团聚物的尺寸起主要作用。他分析了一个团聚物的受力情况， 假定团聚物颗粒受力均匀，形状为球形，整个床层的团聚物是在最小流化速度 下形成的，则有： “，= “。r ( 2 - 6 ) t=sw(2-7) h ，一床内一次颗粒全部形成团聚物时流化气的表观速率 一床内一次颗粒全部形成团聚物且寸的床层空隙率 当床中所有一次颗粒恰好全部形成二次颗粒时，根据力平衡原理，颗粒的 净重力应等于气体对颗粒所产生的曳力，即 只= c ( 2 8 ) 颗粒的净重力：c = ( 以一户，) 暑柏p 6 四川大学硕士学位论文 气体对团聚物所产生的曳力f 。可根据整个床层压力降与床内团聚物的数 量( n 。) 之比来计算。即 f ：兰坐 n ：生! 堡坚二盟 。 n。p( 曲： q 叭 等= 1 5 0 t t f u c 鼍半 c z 吲 整理得d ：= 1 5 0 ! ；盥( 2 一l o ) 。 g e s 。( p c 一乃) a ，一床层截面积h 。一床层商度 p ，一聚团密度 矾一团聚物平均直径 上述模型中假设整个床层的团聚物是在最小流化状态下形成的，并根据重 力和气体对颗粒的曳力相等算出聚团大小，但从模型可以看出，欲求得聚团大 小必须己知最小流化速度u m f , u m f 需由实验测定，所以该模型并不能用于聚团 尺寸的预测。另外，模型中假设床中所有一次颗粒恰好全部形成二次颗粒，这 些与实际情况不符，实际上，超细粉在床层中可以以单颗粒、一次团聚和流态 化聚团中的任一状态存在，所以此模型需进一步完善。 c h a o u k i 等人1 1 6 1 通过假设聚团受到的气体曳力与原生颗粒问单点接触的范 德华引力相平衡，提出了预测聚团尺寸的动力学模型，即 华琊蚂警= 去c 靠】- o “蜀( 2 - - 1 1 ) h o 占5 昭：8 庀k 。 d c 一聚团直径 h 。一l i f s h i t z v a nd e rw a l l s 常数 z 。一最大粘附力距离 h 一物料硬度 r 一固体粗糙度 上述模型中认为单点接触时的粒间力与聚团大小无关，也未考虑聚团大小 分布的影响，而实际上流化时会形成大小不一的聚团，聚团间不是单点而是多 点相接触，所以模型的预测结果与实际情况有较大的差异。 m o r o o k a 等人“1 报道，当气速增加到足以打破颗粒结构，避免形成大聚团时， n i 、s i 搿、s i c 等超细颗粒能很好流化，并提出了聚团形成模型，认为流化时 叫j 1 1 人学硕 ：学位论文 聚团的平衡态大小通过下式给出： 层流剪切产生的能量+ 聚团动能= 破碎聚团所需的能量 3 础“印+ 竺掣生：罢j ：础( 2 - 1 2 ) 。 1 22 缸一流化床中聚团的特性速度 d 。一聚团体积表面平均直径 脚一粘性力作用的距离 巧一聚团破碎区直径 这个模型从能量的角度出发，预测聚团的大小。但该模型中筒单地认为重 力等于粘性力，这与实际情况有偏差。 h o r i e 等人【4 5 】采用几种不同力学模型对聚团尺寸进行了预测，并指出只有 假设两聚团弹性碰撞且分离时的范德华力与碰撞力相平衡，才可以预测出聚团 直径；而当两聚团相撞，其中一聚团分裂成均匀两半。由此受力平衡则不能计 算出有意义的结果。 在声场流化床中，c h i r o n e 1 3 l 【1 4 1 等假定气速u 产生的曳力等于颗粒的表观 重力，声场产生的脉动气速的曳力是用来分离聚团的主要作用力，提出了预测 聚团尺寸的三球模型。 设两小球紧贴一相对大的球两端，作用在三球上的气体总速度u 是向上的 速度与声场产生的气速u s i n t 之合，曳力用s t o k e s 定律计算。三球聚集 体的动量方程如下： 詈( 。3 + 2 d 3 ) ( p ? - p g 肌詈( d s + 2 d 坳，警( 2 - 1 4 ) = 3 x v p g ( u s i n c o t 一蹄7 ) ( d + 2 七d ) + 3 x v p g u o ( d + 2 k d ) 式中：d 、d 分别为大、小球直径；w 为三球速度；y 为气体动力学粘度： p ，为球体的表观密度；以为气体密度；g 为重力加速度：u 为振动气速的振幅； k 为o n e l l 曳力的修正因子；6 0 为角频率。声场频率为厂= 兰。在流化条件下， 表观重力与u 0 产生的曳力在方程( 2 1 4 ) 中可以约去。则( 2 1 4 ) 式变为： 罢( d d3 ) p ，詈= 3 x u p s ( u s i n 耐一x d + 2 卿 ( 2 - 1 5 ) 叫川人学颂t + 学位论义 将上式积分得： 矽= f = 告s i n g 田+ 妒) ( 2 1 6 ) l + 如珂) 2 、 式中为气相速度与三球速度问的相位差，其值为： = a r c t a n ( - 口脚) ( 2 - 1 7 ) a 为三球聚集的特征响应时间： a=描180p 2 k d a = o 7 f _l z 一d ， 。【d +j 当d = d 且k = i 时，口的表达式就与m o u s s a 【4 ”( 1 9 8 2 ) 在进行声场中单颗粒的 错位研究中所提出的口一致，球体速度的削减因子为、i i 石可。 方程( 2 1 4 ) 可写为： 如+ 2 匕= + 2 如 ( 2 - 1 9 ) 其中= 乃詈：瓦= 乃警：= 3 n v p 。d ( u s i n c o t 吲； = 3 m , p 2 k d ( u s i n o * 一) 。 方程( 2 1 4 ) 表明：按笛阿伦贝特( d a l e m b e r t ) 准则。任何时刻三球 的聚集都是在外力下达到的动力学平衡。在大小球接触点问的剪切力为： f ：f o a - f t 。：兄一屹 ( 2 2 0 ) 只有当： f 川0 ( 2 2 1 ) 时三球聚集体的分离才能发生。式中：u 为摩擦系数，f 。为范德华引力。 c h i r o n e 假定大小球直径分别为2 4 i lm 、3um ，在声压s p l = 1 4 0 d b ，f = 1 2 0 h z 的情况下计算表明，l i k 比f 都大了一个数量级，即3 u m 的小颗粒与2 4 p i l l 的大颗粒都将紧贴在一起，不能分离，于是c h i r o n e 在三球模型的基础上，提 出了簇一子簇模型。 簇一子簇模型假