（工程热物理专业论文）磁流化床气固两相流动特性及其应用的研究.pdf

摘要 摘要 融流化床利h j 外加磁场调+ 廿、控制床内的气固两相流动，可以实现鼓泡流化到稳定流化的转变， 在磁稳流化状态下，流化床具有无气体短路、气固接触好、床层压降小、流通截面大等优点，弥补 了常规流化床的不足，有望在环境保护、分离吸附、生物与化学反应等 二业领域得到广泛地应用。 深入、系统地研究磁流化床的气固两相流动的特征对指导磁流化床的= r 程设计、运行，促进磁流化 床的应用推广有着十分重要的意义。 本文首先从理论上建立了磁流化床气固两相流动的动力学模型。磁流化床中的气同两相流属于 有磁场力作州的稠密气固两相流，故本文着重从解决磁流化床中气陶两相之间的耦合作用山发，基 r 舣流体模型，结合颗粒运动的动力学理论，构建出描述磁流化床气固两相流动特性的控制方程。 它不但有效地解决了固相颗粒的湍动以及颗粒间的碰撞、摩擦等因素对气固两相流动的影响，而且 考虑了气固两相之问湍动能的相互作用，更好地反映出气固两相的湍动对各自流场分布的影响。 应用计算流体软件f l u e n t 对磁流化床气固两相流动进行数值模拟。数值计算主要考察磁场强 度对气固两相流动的影响，本文通过对无磁场、弱磁场、适度磁场的两种粒径的颗粒分别在三种气 体表观流速比的工况下的气固两相流动进行数值计算，得到反映其流动特征的固相体积浓度分布、 床层压降分布。同时，将数值计算结果与实验研究获得的数据进行比对。证明了本文所建立的模型 的适用性以及数值模拟预测结果的可靠性与准确性。 为充分地掌握磁流化床气固两相流动的机理，在数值模拟的同时，本文还对磁流化床的流化特 性进行了实验研究。实验中采用数字式差压传感器对床层压降及波动进行了测定，并以此确定出磁 流化床颗粒流化的最小鼓泡流化速度，进而得到各工况条件下磁稳操作区域的范围。在实验研究的 基础上，结合实验数据，对无量纲数r e 、a r 、e r 进行回归分析，得出确定磁稳区域的实验关联式。 根据关联式可方便地给出磁稳流化床具体的运行参数，这对磁稳流化床的应用研究有着积极意义。 研究磁流化床气周两相流动特征的目的就是为磁流化床的应用研究提供理论依据。本文在已有 研究的基础上，面向工程应用，设计出具有一定实用价值的磁稳流化床除尘装置。设计中就装置的 关键部件，如床体结构、布风板、磁场发生器、滤料再生系统等给出了优化设计方案，并对所设计 的除尘装置的除尘性能进行了实验验证，分析得出了磁稳流化床除尘装置连续、高教运行的基本条 件。 关键词：磁流化床，气固两相流动，双流体模型，数值模拟，磁稳区，除尘 东南大学博士论文 a b s t r a c t i t i sc o n v e n i e n tt oa c h i e v es t a b l ef l u i d i z a t i o ni n s t e a do f b u b b l i n gf l u i d i z a t i o nb yu t i l i z i n gm a g n e t i c a l l y f l u i d i z e db e db e c a u s eo f i t sa d v a n t a g eo f c o n t r o l l i n ga n da d j u s t i n g f u r t h e r m o r e ，i nm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e d f l u i d i z e db e d ，n o to n l yi tc a ng r e a t l yi m p r o v et h ec o n t a c tb e t w e e ng a sa n ds o l i da sr e s u l to fn og a s b y p a s s i n ga n dp a r t i c l e s b a e k m i x i n g ，b u ta l s oc a ni tb ew i t hl e s sp r e s s u r ed r o pa n dh i g h e rg a sv e l o c i t yi n t h eb e d a n di tw i l lb ew i d e l yc o m ei n t ou s ai nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , b i o l o g i c a lo rc h e m i c a lr e a c t i o n ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o s t u d yf u r t h e ra n ds y s t e m a t i c a l l yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l y f l u i d i z e db e d ，a n da l lr e s u l t sc a na l s ob eu s e di nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n do p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , ad y n a m i cm o d e lo ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e di s e s t a b l i s h e df i r s t b e c a u s et h e g a s - s o l i dt w op h a s e f l o wi n m a g n e t i c a l l y f i u i d i z e db e db e l o n g st o d e n s e - p h a s ef l o ww i t ht h ei n f l u e n c eo f t h em a g n e t i cf o r c e ，t h ei n t e r c o u p l i n gb e t w e e nt h et w op h a s es h o u l d b ec o n s i d e r e dm o r ec a r e f u l l ya n dc o m p l e t e l y o nt h eb a s i so ft w o - f l u i dm o d e l ，c o m b i n i n gt h ek i n e t i c t h e o r yo fg r a n u l a rf l o w , t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fd e s c r i b i n g t h e g a s s o l i d t w op h a s ef l o wi n m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e da r eo b t a i n e d o no n eh a n d ，i tc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ei n t e r a c t i o nb e c a u s eo f t h e p a r t i c l e s t u r b u l e n tf l o w , s u c ha sc o l l i s i o n ，f r i c t i o na n ds oo n ，o nt h eo t h e rh a n d ，c o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o n o f t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya m o n gt h ep a r t i c l e s ，t h ed i s s i p a t i o ne n e r g yi si n t r o d u c e di n t ot h et r a n s p o r t a t i o n e q u a t i o no fp a r t i c l e s ，a n di tc a nr e f l e c tt h ee f f e c to f t h et u r b u l e n c eb e t w e e nt h et w op h a s ew e l l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l yf i u i d i z e db e di sc a r r i e do u t ， u s i n gf l u e n t , ak i n d o fs o f t w a r eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s i tf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo nt h et w op h a s ef l o wd u et ov a r y i n gm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y i nt h ep a p e r , n om a g n e t i cf i e l d ， w e a ki n t e n s i t ya n dm o d e r a t ei n t e n s i t ya r ac o m p u t e df o rt w ok i n d so fp a r t i c l ew i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sa n d t h r e ed i f f e r e n tr a t i o sb e t w e e ng a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y ( ) a n di n i t i a lb u b b l i n gv e l o c i t y ( ) ，a n ds o m e r e s u l t ss h o w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e da r e o b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h ed i s t r i b u t i o n o ft h es o l i dp h a s e ，p r e s s u r ed r o po ft h eb e d c o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，i td e m o n s t r a t e st h a tt h er e s u l t so f t h en u m e r i c a ls i m u l m i o nb a s e do n t h ed y n a m i cm o d e l c o i n c i d ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l u a b s t a c t i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ft h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d f u r t h e r , a l le x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht or e v e a lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e di sa l s oc a r r i e d o u t i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h eb e dp r e s s u r ed r o pa n di t sf l u c t u a t i o na r em e a s u r e db yu s i n gd i g i t a ls e n s o ro f p r e s s u r ea n dt h em i n i m u mb u b b l i n gv e l o c i t yi sd e t e r m i n e do nt h eb a s i so ft h eb e dp r e s s u r ed r o pa n di t s f l u c t u a t i o n t ob ef u r t h e lt h es t a b l ez o n e so nd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n si nm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e d f l u i d i z e db e da r eo b t a i n e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so fa l le x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，ar e l a t i o n s h i pc a l c u l a t i n gt h e s t a b l ez o n eu s i n gt h r e ed i m e n s i o n l e s sf a c t o r s ，月p ，4 ra n de ri sp u tf o r w a r d ，a n di ti sm o r ec o n v e n i e n tt o p r o v i d et h eo p e r a t i o a a lp a r a m e t e r si np r a c t i c e c o n s e q u e n t l yi ti sv e r yh e l p f u lt op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e df l u i d i z e db e d a l ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s s o l i dt w op h a s ef l o wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e di st o d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e db e t t e r o nt h eb a s i so ft h es t u d yd i s c u s s e da b o v e ，a f a c i l i t yr e m o v i n gt h ed u s ti ng a ss t r e a mi sd e s i g n e df o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h ek e yc o m p o n e n t s ，f o r i n s t a n c e ，b e ds t r u c t u r e ，a i rd i s t r i b u t o r , m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t o r , a n dp a r t i c l e s - r e g e n e r a t i n gs y s t e ma r e d e s i g n e di n d e t a i li nt h ep a p e r t h e nt h e f a c i l i t y sp e r f o r m a n c eo fc o l l e c t i n gd u s ti s v e r i f i e d b yt h e e x p e r i m e n t ，a n di nt h em e a n t i m e ，t h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sf o r h i 曲e f f i c i e n c yo ft h ef a c i l i t ya r ea l s o c o n c l u d e d k e y w o r d ：m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，g a s - s o l i dt w op h a s ef l o w , t w o f l u i dm o d e l ，n u m e r i c a s i m u l a t i o n ，s t a b l ez o n e ，d u s tr e m o v i n g i l l 东南大学学位论文独创陛声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：垂垒数日期：趔：! 苎哕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：垂量基导师签名：越日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 气固流化床( f l u i d i z e db e d ) 具有气固两相返混剧烈，传热、传质效率高，床内温度分布均匀， 床层压降小等优点，已被广泛应用于石油化工、能源环保和生物制药等工业领域 i 一3 1 。然而流化 床自身流化技术的不足使得其应用场合受到一定的限制。例如流化床内大量气泡、沟流、腾涌的 存在，造成了局部气流短路削弱了气、固两相之间的接触；另一方面。常规的流态化技术对微细 颗粒( 如c 类颗粒) 的流化有一定难度。原因就是c 类颗粒的粒径较小。起始流化速度相对较低， 流化时，容易形成颗粒夹带和扬析导致床层物料的损失【4 巧】。那么，如何既能保持流化床的优点 又能克服其存在的不足呢? 这是一个值得探究的问题。一般而言，固相颗粒在床中流化时主要受到 重力、浮力以及气流曳力的作用，床内颗粒不仅数量众多，而且每个颗粒运动都是随机的，同时， 床内气泡的生成、运动也存在不确定性，若运用常规方法实现对床内气固两相的运动进行有效的调 节、控制的确非常困难。为此，考虑通过施加外加力场( 如电场、磁场等) 来控制流化床内固相颗 粒的运动，进而达到控制床内气固两相的流动，改善床层的流化特性。于是，磁场流态化技术应运 而生，磁流化床( m a g n e t i c a l l y f l u i d i z e d b e d ) 的研究也成为国内外学者关注的热点 7 1 7 】。 磁流化床多数是在流化床的外侧施加一平行于床体轴线的均匀磁场，流化颗粒一般选用磁敏材 料( 如f e 、f e 2 0 3 等) 。磁性颗粒流化时，除受到上面提到的各种力的作用之外，还要受磁场力的作 用，同时，外加磁场还会使颗粒间的相互作用力有所不同随磁场强度的不同，床层会相应地呈现 不同的流化特征。通常，由于床内气固两相的密度相差很大，在无磁场的情况下，颗粒流化一般为 鼓泡( 聚式) 流化，流化质量差；而外加磁场的作用则可影响颗粒的流动特性，进而影响各相流场 的分布，获得预期的流化效果，可见，磁流化床具有良好的调节和控制特性。实验研究发现，磁流 化床可以成功地实现颗粒的散式流化即获得磁稳流化状态 7 - 9 1 。在这种状态下，固相颗粒均匀地 分布丁- 床层中，床层压降稳定，床内气泡得到有效的抑制，各相之间的接触明显改善。处于散式流 化状态的磁流化床通常被称为磁稳流化床( m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e df l u i d i z e db e d ) ，它兼有固定床与 流化床的优点，具有耐高温、耐高压、无气体短路、气固接触好、床层压降小、流通截面大等特点。 此外，由于磁场自身特殊的物理性质，磁流化床还可用于分离溶液中某些磁敏杂质，达到进一步提 纯的目的：利用磁流化床作反应器，磁场可以大大改善磁流化床床内反应物的活性，对生物、化学 反应具有一定的催化作用，提高了反应物间的反应速率和反应效率。因而，磁流化床可以满足工业 东南大学博士论文 应用特定要求，在化工、环境保护、分离技术和生物催化等领域具有广阔的应用前景。 二十年来，国内外的研究人员对磁场流态化技术进行了一系列的理论与应用研究，目前随着 对磁流化床系统研究的不断深入，越来越多的研究结果表明磁场流态化技术作为一种新型的流化 技术，已成为流态化技术不可或缺的组成部分。下面就国内外磁流化床的研究作简要的总结和评述 1 2 磁流化床的相关研究及现状 磁流化床的研究内容主要包括：( 1 ) 磁流化床的流化特性，( 2 ) 磁流化床的稳定流化，即磁稳 流化床，( 3 ) 磁流化床的传热、传质特性，( 4 ) 磁流化床各相流动的数学物理模型等。目前，有关 磁流化床的研究多数处在稳定流化机理与实验研究阶段，而有关磁流化床气固两相流动的数值模拟 以及实际应用的研究则非常欠缺。 1 2 1 磁流化床的流化特性 1 磁流化床的操作区域及流化特点 最早发表关于磁流化床研究结果的是前苏联著名学者f i l i p p o v 等【1 8 】，他们利用水、铁颗粒作为 流化介质，在液固流化床外侧施加由频率为5 0 h z 交流电产生的交变磁场，观察不同的实验条件下， 颗粒的流化特点。后来的研究者根据r o s e n s w e i g 关于磁流化床的论述( 7 ，1 9 】，对f i t i p p o v 等实验得 到的数据进行处理，初步得到描述磁流化床各种流化状态“相”图【1 l 】，如图1 1 。这种“相”图是 借鉴热力学中关于气、液、固系统的描述方法，将磁场强度对应于热力学相图中的压力，流化介质 的表观流速对应于温度，相应地，鼓泡床则对应于气相，稳定床对应于液相，固定床就对应于固相。 用这种方法能直观地表示出磁流化床的操作区域。从图1 1 中可以看出，改变磁场强度与水流速 度u ，磁流化床出现五中不同的操作区域：( 1 ) 固定床( f i x e db e d ) ，( 2 ) 伪聚合态( p s e u d o p o l y m e r i z e d s t a t e ) ，( 3 ) 发展流化态( d e v e l o p i n gf l u i d i z e ds t a t e ) ，( 4 ) 充分流化态( f l l i if l u i d i z e ds t a t e ) ，( 5 ) 颗 粒扬析( p a r t i c l ee n t r a i n m e n t ) 。虽然f i l i p p o v 等早期的研究者并未注意到磁场的方向和均匀性对磁流 化床的流化特性存在着重大影响，对伪聚合态缺乏足够的认识和重视，但是由f i l i p p o v 等的实验数 据得到的“相”图，定性地反映出磁流化床的流化特性引起了后续研究者的重视。 2 第一章绪论 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 点1 0 耋 5 0 尊 重 董 誊 羔 兰 6 5 4 3 2 1 o 繇，? 哆 _ 未多r 一 ! 辫b 讲呻 j：!：!：!：seud。p。iymenjed s t a t e f i x e db e d 0 2 04 06 0b o m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ，f l ( o e ) 幽1 1 f i l i p p o v 液崮磁流化床的近似“相”幽 z o n eo fm a r g i n a ls t a b i l i t y f i x e db e dr e g i m e jj 02 04 06 0 8 01 0 01 2 0 m o l p p l “_ 图1 2 r o s e n s w e i g 的磁流化床“相”图 二十世纪七十年代，r o s e n s w e i g 等学者们相继对磁流化床进行了较为深入的研究，尤其是关于 磁稳流化床的认识取得了突破性进展，并因此获得了两项专利。在他的专利中 1 9 ，r o s e n s w e i g 就磁 一s，山。一bji。o一， 东南大学博士论文 稳流化作了特划的叙述：( 1 ) 外加磁场必须恒定( 不随时间变化) 、均匀，磁场方向应与气流方向一 致，( 2 ) 在适度磁场的作用下，气体表观流速可以获得较宽的稳定操作范围，( 3 ) 对于磁性与非磁 性颗粒的混合介质，磁流化床仍然可以获得良好的稳定流化状态。图1 2 为r o s e n s w e i g 得出的描述 磁流化床操作区域的“相”l 茎| 。图中表明，增加磁场强度，磁流化床可以获得较宽的稳定流化范 围，稳定流化与不稳定流化之间不存在过渡区域。而后来c o h e n 与t i e n 的研究则进一步指出【2 0 】： “相”图中的临界流态化存在一个较窄的过渡区域而不是一条线( 图中所注虚、实线之间的区域) ， 而且这个过渡区域随磁场强度的增强略有增加，这不仅证实f i l i p p o v 的实验结果，而且对r o s e n s w e 堙 的“相”图作了补充，较好地反映了磁流化床的流化特性，为深入研究磁稳流化床打r 基础。 r o s e n s w e i g 、s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 、s i e g e h 、以及c o h e n 与t i e n 等还就有关参数对磁流化床流 化特性的影响作了专门的研究，研究发现：磁流化床的流化特性主要取决于气体表观流速与磁场强 度，并通过相应的的床层结构表现出来。s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 2 1 2 2 就此研究了磁场强度分别为弱 ( 1 8 7 0 3 9 7 5 a m ) 、适中( 5 3 0 0 8 7 5 0 a m ) 、强( 1 0 3 5 0 2 0 7 1 0 a m ) 三种情况下，磁流化床的流 化特性及相应的床层结构。s i e g e l l 2 3 】则补充研究了高强磁场强度( 2 7 8 5 0 3 1 8 3 0 a m ) 磁流化床的 流化特性，发现：当磁场强度足够高时，床内颗粒全部聚集成团，床层呈“冰封”状态，进一步增 表1 1 各磁场强度下磁流化床的流化特性 流化特性磷场强度 参数弱 适中强 流化质量流化效果好，直接进先进入磁稳流化状态，再进入鼓泡流部分颗粒聚团，出现沟流 入鼓泡流化状态 化状态 床层轻轻浮起 床层压降 g 埘，瞬时脉动先略高于g a ，恒定；后略小于g a ，先线性增加至最大值，然后 瞬时脉动线性下降 床层表面平坦气泡冲出阳面，颗粒由中央喷出，沿壁面沉降凹面，轻浮 颗粒间相弱有所增强强 互作用力 表1 1 中，g 为床内固体颗粒的重量，a 为床层截面积。 加气体表观流速，床层整体沿床体流动( 活塞流) ，颗粒本身则没有流动性。表i i 列出了磁场强度 4 第一章绪论 分别为弱、适中、强时磁流化床的流化特性。 2 磁流化床的稳定流化及磁稳流化床 除实验研究外国外不少学者对磁稳流化的机理进行了深入的研究 1 3 ，2 4 2 7 ，其中， r o s e n s w e i g 基于线性稳定理论，提出判定磁流化床稳定流化的准则【2 4 】，如式1 1 所示。这也从理 论上证实了描述磁流化床流化特性“相”图合理性与正确性。根据其稳定流化理论得出： f n 。n ， l “f 1 【。n ， 1 式1 1 中， 不稳定 临界稳定 稳定 ，= 簪无量纲数表示颗粒的动能与静磁能之比，砟为颗粒密度，为气体表观流速， a 厶为磁化强度： ，= 籍 1 + ( 1 一占) 诈一( 1 一占) 晓，一之) c o s 2 明丽c o s 2 7 ，无量纲数，表示床层空隙率模数， f 为床层空隙率，z 。为颗粒的磁化系数，名，磁化系数的变化率，0 为磁场方向与扰动波方向的夹 角，r 为气流流动方向与扰动波方向的夹角。 从式1 1 不难发现，外加磁场的方向直接影响磁流化床的稳定流化。当r = o o 时，即扰动波沿 磁流化床轴线方向波动时，肌取最大值，若要实现稳定流化， 0 必须取悬小值，因此，在同样的条 件下，气流的表观流速只能在小范围内取值，也就是说，磁流化床获得的磁稳操作区域很小：而 日- - - 0 0 时，m 取最小值，若要实现稳定流化， ，m 可取最大，从而在其余参数相同的情况下，气体的 表观流速将在一个最大的范围内变化，这说明：当气流方向与磁场方向一致时，磁流化床获得的磁 稳区域最人。式l l 也表明当口= 9 0 0 时，m 趋于* ， r 卅的取值无法满足稳定流化的条件。基于 上述分析，外加磁场方向平行于流化床的轴线方向时，磁流化床最易获得稳定流化且磁稳流化区域 最宽。h a m 砂和m 、h r i s t o v 、l e e 等i l l ，2 8 3 0 】的研究也证明；r o s c n s w e i g 的稳定准则不仅适用 于气固磁流化床，而且适用于交变磁场、梯度磁场，液固、气液固磁流化床等场合，具有较好的通用 性。但应该注意到，虽然磁场方向垂直于气流方向布置也可以实现稳定流化，但所需的磁场强度较 大且磁稳区域较小；而采用交流电源产生磁场，磁流化床的磁稳区域随交流电源的频率增加而扩大， 这说明采j 书直流电源产生恒定磁场的方法更具优势。 东南大学博士论文 3 磁稳流化床中固相混合介质的流化 利用磁稳流化床的特点，在磁敏颗粒( 如铁、镍等) 中混入某些非磁敏材料的颗粒，而这些颗 粒具有针对性的吸收、催化作用，这样可以使得磁稳流化床中的反应物之间反应更充分、持久，冈 而研究磁流化床中混合颗粒的稳定流化具有一定的实际意义。r o s e n s w e i g 通过研究镍与沸石的混合 颗粒流化特点，得出；实现混合介质稳定流化的条件为床内磁性颗粒的容积份额至少不低于2 5 7 】。 l u c a s 等和a r n a l d o s 等对镍与硅、钢与铜、以及钢与硅等多种混合介质进行了实验研究 3 1 】，研究 发现：混台颗粒在床内可以很好地混台并不发生分层现象，可以实现稳定流化；在给定的磁场强度 f ，混合颗粒的起始流化速度k 并不受非磁性颗粒所占百分比的影响而临界鼓泡流化速度6 则很大程度上取决于磁性颗粒所占的百分比；当混合介质的成份一定时，【则主要受磁场强度的 影响。a r n a l d o s 等还基于颗粒稳定流化时沿磁力线排列的相关理论，推出了一种确定临界鼓泡流化 速度6 的经验公式，如式1 2 所示。 u m = u ，e x p ( a + b h ) 溅】 ( 1 2 ) 式12 中，起始流化速度【，m ，由e r g u n 公式或实验给出，a 、6 为反映颗粒磁化特性的相关系数，h 为磁性颗粒的质量份额，日为磁场强度，1 jd 为真空中的磁导率。阮l 等在a r n a l d o s 等所得结论的基 础上，结合实验数据的处理，分别得山铁颗粒( 砟= 1 4 1 6 u m ) 占9 0 ，铜颗粒( 纬= 9 3 5u m ) i 与 1 0 与铁颗粒占1 0 。铜颗粒占9 0 情况下，临界鼓泡流化速度c 的具体表达式 3 2 3 3 。但是 一方面，由于式1 2 中的系数a 、b 依赖于所采用的颗粒，完全由实验得出，对不同的磁性颗粒，a 、 b 的取值不同，缺乏通用性：另一方面，该式只表明颗粒的临界鼓泡流化速度更多地取决丁磁 场强度无法反映山颗粒粒径靠、密度p 。等物性参数对l 的影响，因而该式有一定的局限性。 1 2 2 磁稳流化床的传热、传质特性 磁稳流化床的传热、传质特性是与床内同相颗粒的流动行为以及气相的流场分布密不可分的， 冈此，火多数研究也都是基于这一点米进行的【3 4 3 8 。如l e e 专j 、j 对磁流化床中颗粒的流动行为作 了实验研究 3 0 】。研究发现，磁稳流化状态下，颗粒具有良好的流动性，只是在磁场的作用下，颗粒 流动的粘性较大，表现出较强的剪切应力。同时，他指出：影响颗粒流动特性的主要因素为磁场强 度、床层空隙率和床层高度，而颗粒的密度、直径及气体流速等参数的影响则不太明显。s i e g e h 用六氟化硫( s f 6 ) 作为示踪气体，研究气体在磁稳流化床中径向扩散、流动，并测定气体的径向扩 散系数 3 5 1 。通过对鼓泡床、磁稳流化床与固定床等测定的结果进行比较，发现，磁稳状态下，气体 6 第一章绪论 在床中沿径向的扩散、流动不如鼓泡流化床：与固定床相比，相同的忍数下，磁稳流化床中气体径 向扩散系数大约为崮定床的2 倍。g e u z e n s 与t h e o r i e s 也对磁稳流化床中气体沿径向扩散行为作了测 定，取得与s i e g e l l 的研究结论基本致的结果，同时，他们又对气体沿轴向的扩散作了补充研究 得山：磁稳流化床中气体轴向传播能力，界于固定床与鼓泡床之间 3 6 。 l u c c h e s j 等通过实验研究固定床与磁稳流化床的传热特性的差别【3 9 】，得出：( 1 ) 相同的廊数 下，反映传热系数的n u 数明显高于固定床，且磁稳流化床的n u 数基本与忍。成正比，即随着月p 数的增加，磁稳流化床气固两相间的传热系数增长幅度越来越大，这意味着磁稳流化床中气圃两相 的接触比同定床更佳，换热更充分，这与气体在磁稳流化床中有较高的扩散系数相吻合；( 2 ) 无论 磁稳流化床还是固定床，床内各相与床壁的传热系数基本无差别。a r n a l d o s 等对混合介质( 分别为 钢与镍、硅石与矾土) 流化过程中的传热特性作了比对性研究【4 0 】，其主要结论为：( 1 ) 混台颗粒未 流化( 闱定床) 时，传热系数与流经床层气体的表观流速无关；( 2 ) 稳定流化( 磁稳流化床) 后， 传热系数随气体表观流速的增加而增加；( 3 ) 进入鼓泡流化( 鼓泡床) 后，传热系数则因气体表观 流速的增加有急剧提高：( 4 ) 非同类材料的混合介质流化后，其传热系数与磁性颗粒所占的份额有 关。( 5 ) 磁稳流化床中温度分布的均匀性随磁场强度的增强而削弱。以上研究侧重于床内气同两相 间的换热特性，而g a n z h a 和s a x e n a 从另一角度研究了浸没于颗粒中的发热元件表面与床层之间的 换热特点 4 1 】。实验将条形发热元件粘附在桂体探针上，分别测定发热元件分别位l 探针上、f 、侧 面的换热系数与气体表观流速、磁场强度之间的变化关系。实验得出：发热元件位于探针侧面时换 热系数最高，而位丁二探针上表面( 气流下游区) 换热系数最低：不论发热元件位于哪个位置，其表 面与磁稳流化床的换热效果均高于固定床低于鼓泡床。a l - q o d a h 集中研究了床层结构，特别是床 层空隙率对磁稳流化床换热特性的影响【4 2 。发现，对普通流化床米说，增加气体表观流速，其换热 系数也增加，但对于磁稳流化床，其换热系数不是增大而是降低，其原因是随着气体表观流速的增 加，床层空隙率也增加，颗粒间的气体流速减小，削弱了对流换热所致。现有的研究表明：磁稳流 化床的换热效率优于固定床，但低于鼓泡床，为提高磁稳流化床的传质、传热系数，可以控制外加 磁场的开与关，使床层间歇地实现鼓泡流化与磁稳流化，使之具有良好的调节、控制特点，这也正 是磁稳流化床的优势所在。 1 2 3 磁流化床气固两相流动理论模型的研究 磁流化床气固两相流动的特征，比较多的是通过实验研究获得的，关于气固两相流动的理论研 7 东南大学博士论文 究则显得明显小足，迄今为t r ，有关这方面的报道并不多见，主要有r o s e n s w e i g 等、s e r g e e v 等 1 2 1 3 ，4 3 建立的一维动力学模型和二维动力学模型。如式1 3 1 4 所示。 一维动力学模型 连续方程： 丝+ 旦盟：o a l。z o _ f f a + 旦盟：o aa z 动量守恒方程? ( 1 3 ) & ( 罢+ “罢) = 一罢一靠g + f + 厶 & 百云) 一言一靠g r + (罢+v尝)=一考一巳agppa g f + 厶 面+ v 瓦j 2 一言一巳一，+ ，” + 口= 1 式1 3 中，t 2 为固相体积份额，& 、岛分别为气相、固相的密度，“为气体表观流速，v 为固 相颗粒的流速， 为相间的相互作用力，葫、j 知分别为气相与固相所受的磁场力。 二维动力学模型 质量连续性方程： 害+ 一1i 0 ( ，础，) + i 0 ( a ：) ：o 8 tr 却j “ a z 、“ 拿( 1 一f ) + 一1 = 0 一【，( 1 5 ) h + 昙 ( 1 一s ) 匕】= o o t，0 r 出 动量守恒方程： 峨t 百o u r 等+ 也警】= 一s 考w 0 甜2 u _ _ ：! r + 7 1 百0 u , + i o u r 一抄”s ) 等鼬，_ v r ) 堕丝生1 =(1+u 4 ) 峨 i ”r iz i 】= 制 o ，p + t g ( 可。2b l z 弓等+ i o u z 一- ( 1 t e ) 等纷砌：吧h 。g 8 第一章绪论 c ，叫叫鲁等等，= 一( 1 一) 害+ ( i 等弛， ( 1 - e 弛c 等等警卜 _ ( 1 叫考+ ( 1 叫等似勋：_ v ：) + 卯 d ： 三丝! ! 二! ! 丝丝 3 ( 1 + _ 3 - 2 6 z ，) 出 j 。 ( 1 一s ) ( 砟一p g ) g 式1 4 中，“、v 分别为气相、固相的流动速度，下标r 、z 表示沿r 向、z 向的分量，以、砟分 别为气相、固相的密度，以为气相的粘度，f 0 ) 为空隙率对流体的修正系数，露为颗粒直径，以为 同相的磁化系数， 为固相磁化强度，胁为真空中的磁导率。 上述两种模型是通过对问题的适当简化。基于欧拉方法的双流体模型理论建立起来的磁流化床 气崮两相流动的动力学模型，显然，二维模型是对一维模型的发展，更贴近实际问题的描述，在一 定程度上反映了磁流化床气固两相流动的特征。但是，该模型存在一定的不足之处，具体表现在： ( 1 ) 曳力项表述过于简单。在气固两相流中，曳力表达式不仅与流型有关，还与固相浓度密切相关， 而以上模型并未考虑床中气固两相流型的转变以及固相浓度的影响。如在非磁稳状态下，的确存在 湍流现象：( 2 ) 磁流化床中的两相流为稠密的气固两相流，而以上模型把固相视为“拟流体”处理 时并没有考虑颗粒与颗粒间的碰撞、摩擦等相互作用，在给出“拟流体”流动特性参数方面也缺 乏相应的理论依据；( 3 ) 气固两相之间的耦合仅体现在曳力这一项上，而实际上两相是相互渗透的， 必须考虑i | 占l 相压力对流动体系的作州。这些也正是本文需着力解决的问题。 1 2 4 磁流化床的应用研究 磁流化技术有效地克服了常规流化技术的不足，因而，磁流化床在一些特殊的工业领域的应用 有着特有的优势。这些年来，越米越多的研究人员正致力于这方面的应用研究，并取得了较好的收 效。目前，有关磁流化床的应用研究主要为：烟气除尘、分离技术和生物、化学催化等等。 1 烟气除尘 9 拈一加 篝 丝h 东南大学博士论文 磁稳流化床兼有固定床与流化床的优点，流通截面大无气体短路，气囿接触充分，床层压降 小，因而可适用于清除排放气体( 如燃煤、煤气化等所产生的烟气) 的细微颗粒。尤其适用于高 温( 仅受磁性颗粒的居里点的限制) 、高压的场合【8 】。最初，r o s e n s w e i g 就用粒径为2 5 0 4 0 0 um 的磁性颗粒净化飞灰发现，磁稳流化床对飞灰中4 t j m 以上的尘粒的捕捉效率高达9 9 9 ，而2 1 um 以下的尘粒的捕捉效率也达到9 5 蛳7 】，可见磁稳流化床在烟气除尘方面的独特之处。为此， a l b e r t 和t i e n 具体研究了磁场强度、气体表观流速、床层高度、床料粒径等因素对磁