（化学工艺专业论文）纳米颗粒在振动流化床中的聚团流态化研究.pdf

一rl ： 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：鲤 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 纳米颗粒( 属于g e l d a r tc 类颗粒，亦称黏性颗粒) 在流化过程 中易形成流化聚团、并最终以聚团形式流化，多数粘性颗粒的流化聚 团具有较宽的粒径分布。目前，气固流态化领域中颗粒团聚机理及团 聚物性质己成为研究热点。 本文在传统流化床和振动流化床中，对纳米级s i 0 2 、z n o 、t i 0 2 三种颗粒进行了流态化实验，研究了其聚团流化性能和聚团尺寸变化 规律。经研究发现，由于颗粒所特有的物理性质，三种纳米颗粒在传 统流化床中低表观气速下易形成活塞和沟流。随表观气速的增加，床 内鼓泡加剧，活塞与沟流消失，床中均出现分层现象，聚团偏析大， 扬析严重，流化效果较差。振动能的引入可以有效的消除节涌、抑制 沟流、降低最小流化速度、减小聚团平均尺寸和整个床层的偏析率， 显著的改善了纳米颗粒的流化质量。同时，本实验系统的考察了操作 条件对聚团尺寸的影响。实验结果表明：纳米颗粒在流化床中流化一 段时间后聚团才形成比较稳定的硬聚团。初始床层越高，振动波传播 受到的阻碍越大，浅床层( h o d = o 8 或1 ) 有利于振动能的吸收，聚 团流化性能好，但总体效果是高径比对聚团尺寸影响较小。振动参数 对聚团尺寸的影响具有两面性，在恒定振幅下，试验初期随振动频率 的增加聚团尺寸从3 0 0g m 降低到1 0 0g m 左右。当振动频率超过一临 界值时，聚团尺寸随振动频率的增加反而增加。在a = 3m m 时，s i 0 2 、 t i 0 2 和z n o 的临界频率分别为1 0h z 、1 5h z 、1 5h z 。可能原因是额 外的振动能不仅可以促进聚团的破碎，还可以增加颗粒间或聚团间的 接触机会，在黏性力较大的情况下易形成大聚团。振动频率对聚团尺 寸的影响要强于振幅。另外，较高气速可以使聚团大小减小。 根据纳米颗粒聚团在振动流化床中碰撞能、有效振动能、流体剪 切能和黏性能的平衡分析，建立了估算聚团大小的能量平衡模型。结 果表明：随着振动强度的加大聚团尺寸的实验值和计算值均减小，在 振动条件下该模型预测值与试验结果吻合较好，说明了模型的合理性。 基于振动机理，探讨了振动床中聚团团聚和解聚的机理。本文研究为 进一步开展有关研究和开发超细粉振动场流化床打下了良好的基础。 关键词纳米颗粒，振动流化床，聚团大小，振动参数，能量模型 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t n a n o - p a r t i c l e s ，b e l o n g i n gt og e l d a r t sg r o u pcp a t r i c l e so rc o h e s i v e p o w d e r s ，a r ee a s y t o a g g r e g a t e i n t of l u i d i z e da g g l o m e r a t e sd u r i n g f l u i d i z a t i o n ，w h i c hr e s u l t si nf a c t u a l l ya g g l o m e r a t e so f c o h e s i v ep o w d e r s u s u a l l y , t h e f l u i d i z e d a g g l o m e r a t e s a lei nw i d es i z ed i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n t so fa g g l o m e r a t ep r o p e r t i e sa n ds t u d yo nt h em e c h a n i s mf o r p a r t i c l ea g g l o m e r a t i n gb e h a v i o rh a v eb e e no n eo ft h eh o ts p o t si nt h e f i e l do ff l u i d i z a t i o n t h eb e h a v i o ra n da g g l o m e r a t es i z e so fd if f e r e n tc o h e s i v es i 0 2 ，t i 0 2 a n dz n o n a n o p a r t i c l e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h ec o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d ( c f b ) a n dv i b r o f l u i d i z e db e d ( v f b ) i tw a sf o u n dt h a ts l u g sa n d c h a n n e l sw e r ef o r m e df i r s t l yu n d e rl o ws u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yd u et ot h e s p e c i f i cp h y s i c a la n ds u r f i c i a lp r o p e r t i e so fp a r t i c l e s w i t hi n c r e a s i n gt h e s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , s l u g sa n dc h a n n e l sv a n i s h e d ，w h i l s tt h eb u b b l i n g i nb e dw a si n t e n s i f i e do b v i o u s l y , a n dt h e r ee x i s t e das e v e r ed e g r e eo ft h e s i z e - s e g r e g a t i o no ft h ea g g l o m e r a t e st h r o u g h o u tt h ew h o l eb e d ，n a m e l y , t h ea g g l o m e r a t e ss i z e sw e r es m a l li nt h eu p p e rz o n ea n dl a r g ei nt h e l o w e rz o n e b e c a u s eo ft h es e v e r ee n t r a i n m e n t ，t h ef l u i d i z a t i o nq u a l i t y w a sp o o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ts l u g g i n ga n dc h a n n e l i n g o fb e dd i s a p p e a r e 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 ya n dt h em e a s u r e d a g g l o m e r a t es i z e s w e r ed e c r e a s e d ，a n dt h ef l u i d i z a t i o n q u a l i t yw a s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dd u e t oi n t r o d u c t i o no fv i b r a t i o ne n e r g y t h ee f f e c t s o fv i b r a t i o np a r a m e t e r so nt h r e en a n o p a r t i c l e sa g g l o m e r a t es i z e sa r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d i nv f b t h en a n o p a r t i c l e sa g g l o m e r a t e s w e r ef o r m e dd u r i n gf l u i d i z a t i o na f t e rap e r i o do ff l u i d i z a t i o nt i m e v i b r a t i o nw a v ep r o p a g a t i o nw a sh a m p e r e db yp o w e r su n d e rh i g h e r o r i g i n a lb e dh e i g h to fn a n o - p a r t i c l e s ，a n ds h a l l o wb e dc o n t r i b u t e dt ot h e a b s o r p t i o n o fv i b r a t i o n e n e r g ya n db e t t e ra g g l o m e r a t e s f l u i d i z a t i o n q u a l i t yw h i c hc o u l db eo b t a i n e da th o d = 0 8o r1f o rn a n o p a r t i c l e s ，w h i l e r a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e rh a dl i t t l ee f f e c to na g g l o m e r a t e ss i z e s m e a n w h i l e ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o nh a dc o m p l e xe f f e c to na g g l o m e r a t es i z e t h ea v e r a g ea g g l o m e r a t es i z ei sc h a n g e df r o m30 0l x mt oa r o u n d10 0l a m h 中南大学硕士学位论文 w h e nt h ev i b r a t i o ni s a p p l i e d t h e e f f e c to fv i b r a t i o no nt h e a g g l o m e r a t i o ni nv i b r o - f l u i d i z e db e d so fn a n o - p a r t i c l e sd e p e n d so nt h e c r i t i c a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gt oam i n i m u ma g g l o m e r a t e s i z e ，a n dt h ec r i t i c a lp o i n tt h r e s h o l d sl i n k i n gt oa = 3m mo fs i 0 2 ，t i 0 2 ， z n ow e r e10h z ，15h z ，15h z ，r e s p e c t i v e l y i tc a nh e l pt os u p p r e s s f o r m a t i o no fa g g l o m e r a t e sd u et ot h ea d d i t i o n a lv i b r a t i o ne n e r g y , a n di t c a na l s op r e f e rt ot h ec o a l e s c e n c eo ft h ea g g l o m e r a t e sd u et ot h e e n h a n c e dc o n t a c t i n gp r o b a b i l i t yb e t w e e np a r t i c l e sa n d o ra g g l o m e r a t e s h o w e v e r , t h eo v e r a l lt r e n do fa g g l o m e r a t es i z e sd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gv i b r a t i o ni n t e n s i t y i nt h i sc o n t e x t ，t h ee f f e c to ft h ev i b r a t i o n f r e q u e n c yo na g g l o m e r a t es i z e si sm o r eo b v i o u st h a nt h a to ft h ev i b r a t i o n a m p l i t u d e b o t ht h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o wt h a ta h i g h e rg a sv e l o c i t yl e a d st oas m a l l e ra g g l o m e r a t es i z e a n e n e r g yb a l a n c em o d e lf o rt h ep r e d i c t i o no fa g g l o m e r a t es i z e sh a s a l s ob e e ne s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fe n e r g yb a la n c eo ft h ea g g l o m e r a t e c o l l i s i o ne n e r g y , t h ee f f e c t i v ee n e r g ya r i s i n gf r o mv i b r a t i o nw a v e ，e n e r g y g e n e r a t e db yh y d r o d y n a m i c ss h e a ra n dc o h e s i v ee n e r g yi nv f b t h e a g g l o m e r a t es i z e sp r e d i c t e di 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 l d a t af o rt h r e e n a n o p a r t i c l e sb yt h ev i b r a t i o ne x c i t a t i o n b a s e do n v i b r a t i o nm e c h a n i s m ，a g g l o m e r a t i o na n dd e a g g l o m e r a t e si nv f bw e r e a l s os t u d i e d k e yw o r d sn a n o - p a r t i c l e s ；v i b r o f l u i d i z e db e d ；a g g l o m e r a t es i z e ； v i b r a t i o np a r a m e t e r s ；e n e r g yb a l a n c em o d e l i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章实验背景和文献综述1 1 1 弓l 言1 1 2 黏性颗粒的流态化2 1 2 1 黏性颗粒的聚式流态化3 1 2 2 黏性颗粒的散式流态化一4 1 3 气固流态化质量的评价6 1 3 1 准数判据7 1 3 2 颗粒特性判据8 1 4 改善黏性颗粒流化质量的方法8 1 5 黏性颗粒的振动流态化9 1 6 黏性颗粒的团聚及预测模型1 2 1 6 1 聚团的取样和测量方法1 2 1 6 2 颗粒团聚物性质的表征1 5 1 6 3 聚团大小的预测模型一1 7 1 7 本选题的意义及研究内容2 1 第二章实验2 2 2 1 振动流化床的作用机理一2 2 2 2 实验装置及原料2 3 2 3 操作条件及实验方法2 5 第三章振动对纳米颗粒聚团大小的影响2 6 3 1 传统床中纳米颗粒的流化特征和聚团大小变化2 6 3 2 操作条件对纳米颗粒聚团大小的影响2 8 3 2 1 流化时间对纳米颗粒聚团大小的影响3 0 3 2 2 表观气速对纳米颗粒聚团大小的影响3 2 3 2 3 高径比对纳米颗粒聚团大小的影响3 3 3 2 4 振动参数对纳米颗粒聚团大小的影响3 5 3 3 最优操作条件的确定及验证3 9 3 4 小结4 0 第四章黏性颗粒聚团的能量模型及破碎机理4 1 4 1 模型的导出4 1 中南大学硕十学位论文目录 4 1 1 碰撞能4 1 4 1 2 有效振动能4 2 4 1 3 黏性能4 3 4 1 4 流体剪切能4 5 4 2 振动场流化床中实验聚团大小的估算4 6 4 3 模型的验证4 7 4 4 纳米颗粒在振动床中的团聚机理4 7 4 5 振动的作用4 9 4 6 纳米颗粒在振动床中的解聚机理4 9 4 7 j 、结。5 0 结论5l 展望5 2 符号说明5 3 参考文献5 5 至l 【谢6 6 攻读学位期间主要研究成果和获奖情况6 7 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 1 1 引言 第一章实验背景和文献综述 超细颗粒通常是指介于原子团簇与微粉之间，粒径在l 1 0 0 0n i n 范围内的固 体颗粒【l 】。随着材料科学的发展，超细颗粒特别是纳米颗粒由于具有优异的特性， 其应用范围同益广泛。如氢氧焰燃烧制备的纳米二氧化硅材料【2 】具有特异表面特 性和链状网状结构，显示出卓越的补强性、增稠性、触变性、消光性、分散性、 绝缘性、防粘性等特异性能，广泛应用予橡胶、涂料、医药、油墨、化妆品、航 空航天、建筑、食品和农业等领域。气凝胶【3 】由于其巨大的表面积，可作为催化 剂或吸附剂；颗粒更细的磁粉，其打印效果清晰亮丽；纳米级碳黑，经过流态化 改性，可作为高级墨水或染料的原料。纳米级碳黑，经过流态化改性，可作为高 级墨水或染料的原料。特别是纳米级催化剂，将充分利用催化剂的表面活性，减 少催化剂废弃量和极大地提高反应收率。但由于纳米颗粒间有较强的粒子间作用 力，在气固体系中，一般以聚团的形式出现。比如，将纳米催化剂应用到现有 的流化催化裂化装置上，产率将大大提高，但急需解决的问题是纳米催化剂的团 聚问题。如何减少甚至消除流化床内纳米颗粒团聚现象，是纳米颗粒应用的关键， 也是目前世界上关心和研究的热点，迫切需要新理论、新技术的研发。 流态化( f l u i d i z a t i o n ) 一般是指当流体向上流过堆积在容器中的固体颗粒层 而使固体具有一般流体性质的现象。按流化状态分类，流态化可分为散式流态化 和聚式流态化【4 】。根据流化介质的不同，流态化可分为气固流态化、液固流态化 和气液固三相流态化。随着操作流体速度的不同，流化现象大体可分为五个阶段： 起始流化床、散式流化床、鼓泡流化床、腾涌流化床、气力输送。流态化典型操 作过程及应用见表1 1 。这些物理过程没有发生化学反应，需要将固体颗粒在悬 浮状态下与气体接触，因而流态化是最适宜的首选技术。它具备的混合剧烈，快 速移热且温度均匀，生产能力大灯优点，使各物理操作得到强化。其中，气固流 态化虽然具有相对复杂的流型，但它以其特有的优越性能已经逐步在各个工业领 域得到了广泛的应用【5 。1 引。也正因为如此对气固两相流动的研究虽然己经进行了 多年并取得了不少的成果，但由于气固流态化技术的复杂性以及新工艺、新过程 的不断出现，以及多相流的复杂性以及对颗粒间微观作用机理认识的不足，现有 的有关气固流态化的流体动力学知识仍不足以解决工业设计、放大和优化过程中 出现的各种问题。 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 表1 1 流态化典型操作过程及应用 操作过程优点典型应用举例 干燥、移热、处理量大，温度容易控制， 吸附能耗小，传热、传质速率高 物料混合、 包涂、造粒 合成反应 烃类加工 矿石焙烧 煤的燃烧 微生物培养 操作较安全、混合均匀，可包 涂外表复杂的物件 催化剂容易实现再生，良好 的流动性能和大热容量 转化率高，催化剂活性高、 选择性好、容易再生 处理量大，移热、输送方便， 燃料燃烧较完全 热容量大，宜控温，传热系 数高，低污染 温度容易控制，可连续生产 酵母与m b s 树脂干燥【5 】、聚氯乙 稀树脂干燥【6 】、丁烯氧化脱氢移 执【7 】 、 粉状油漆包涂金属制州引，粒状 尿素表面硫磺的包覆【9 1 邻苯二甲酸酐合成【l o 】，醋酸乙烯 合成【1 1 1 ，丁烯氧化制丁二烯【1 2 】 催化裂化【13 1 ，重油裂化【1 4 1 ，费 托合成1 1 5 】 铁矿的预还原【1 6 1 ，氧化铝煅烧【1 7 】 循环流化床锅炉【1 8 】 线状真菌的培养 多相流行为是一个典型的非线性过程，因此许多气固流化床实际上是一种 典型的多相非平衡复杂体系，往往在不同的尺度上呈现其独有的结构特征。颗粒 的团聚这一介观行为就是气固流化床反应器的主要结构特征。颗粒的这种聚集行 为在宏观上表现为各种局部流动参数的轴、径向非均匀分布，在微观上表现为反 应器局部形成所谓的颗粒团聚物( c l u s t e r ) ，并对气固流态化反应器的宏观流动 行为和反应性能产生至关重要的影响。因此，研究颗粒的团聚与颗粒团聚物的解 聚对深入认识气固两相流流动机理具有重要的意义。许多学者对颗粒团聚物的尺 寸及其分布、颗粒团聚物的速度分布等方面的问题进行了较深入地研刭1 9 1 。 1 2 黏性颗粒的流态化 g e l d a r t 根据颗粒流化行为的不同将颗粒分为a ，b ，c ，d 四大类【lj ，g e l d a r t 颗粒物料流态化分类见图1 1 。a 类颗粒一般具有较小的粒径( 3 0 - - 1 0 0i t m ) 和 表观密度( 小于1 4 0 0k g 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 类颗粒具有较大的粒度( 1 0 0 ，- - - - 6 0 0 p m ) 和密度( 大致在1 4 0 0k g m 3 , - - 4 0 0 0k g m 3 之间) ，其初始鼓泡速度与初始流 2 中南大学硕士学位论文 第一章实验背景和文献综述 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亦较低，且气泡尺寸几乎与颗粒粒度分 布宽窄和平均粒度无关；d 类物料一般为大或非常重的颗粒，一般平均粒度在0 6 l n l n 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 肛m 以下，此类颗粒由于粒径很小，颗粒间的作用力相对较大， 而极易导致颗粒的团聚。并且因其具有较强的黏附性，又称为黏性颗粒，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，其中，纳米 颗粒也属于此颗粒范畴。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，并展开了广泛的研究。 图1 - 1g e l d a r t 颗粒物料流态化分类图( 常温、常压、空气) 尽管c 类颗粒由于粒子间存在较大的黏性力而流化困难，但是随着近几年 来，材料和催化科学对于超细颗粒应用需求的增加，对于超细黏性颗粒的流态化 过程的研究明显增加。黏性颗粒的流态化可以分为鼓泡流态化( 或称为聚式流态 化，a g g l o m e r a t eb u b b l i n gf l u i d i z a t i o n ，a b f ) 和聚团散式流态化( a g g l o m e r a t e p a r t i c u l a t ef l u i d i z a t i o n ，a p f ) 。 1 2 1 黏性颗粒的聚式流态化 c 类颗粒的膨胀特性明显不同于a 类颗粒。对于a 类颗粒，无气泡区域的膨胀 是由于集结作用和缝隙的成长引起的，而气泡区则是由气相相含率决定的。床层 膨胀开始后，当气速大于6 以后，床层有一个收缩阶段。这个现象是由于鼓泡 3 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 床中密相区体积的减小比气相相含率增加要快得多。气泡通过床层，打破了密相 区内颗粒的连续接触，从而导致密相区空隙率下降。对于c 类颗粒的膨胀，明显 没有a 类颗粒的这种收缩阶段。床层内气泡较少，有水平、倾斜甚至垂直的裂纹 出现。1 9 8 5 年，c h a o u k i 等【1 9 】人用c u a 1 2 0 3 为流化介质在直径为o 0 5 - 0 1m 的流 化床中进行了流态化实验。温度在室温至2 0 0 内可控制。实验结果显示，在较 低的气速下，床层出现严重的沟流。当气速增；0 n n o 0 4m s 的时候，床层出现一 个不稳定状态，气凝胶颗粒在床内形成一定大小的聚团，达到某种类似a 类颗粒 的均匀流化状态，形成一个新的聚团组成的稳定系统。他们的实验进一步显示， 聚团的形成，不受到温度、床层初始高度、反应器直径等因素的影响，而是粉体 的一种性质。这是首次证明了超细黏性颗粒在一定条件下，可以通过形成颗粒聚 团而被稳定流化。周涛【2 0 】用s i c ，t i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，c a c 0 3 以及氧化硅磨料( s i 0 2 ) ， 白碳黑和铁黄等c 类颗粒为实验物料在内径7 0r n n l ，高1 2m 的有机玻璃流化床和 内径3 3r n l n ，高lm 的玻璃流化床中进行了流化实验。实验结果表明，不同的黏性 颗粒，由于颗粒的物理性质和表面性质的差异，达到充分流化的气速不同。粒径 大于1 0p m 的s i c 颗粒可以通过增大气速的方法实现平稳流化，而粒径小于5p m 的s i c 颗粒则不行。因为气速加大，颗粒或者聚团虽能够流态化，但物料的扬析 损失严重。在低表观气速下，黏性颗粒在流化床中易形成活塞或沟流。随表观气 速的增加，床内鼓泡加剧，沟流或活塞消失，但床内可能形成不流化的死区。表 观气速进一步加大，最终死区消失，黏性颗粒以聚团形式流化。聚团大小沿床体 从上到下有一个分布，但整体床内的平均聚团尺寸随表观气速的增加而变小。因 此他认为，增大表观气速有利于黏性颗粒流态化，但表观气速增加到一定程度之 后，物料扬析损失严重，流化床层将不能够稳定存在。实验还发现，小粒径的黏 性颗粒，如粒径小于5p m 的s i c 颗粒，在大直径流化床和小直径流化床中表现不 同的流化特性。在小直径床中，小粒径颗粒容易形成活塞，而在大直径流化床中， 则更多地出现沟流现象。在大床中，小粒径黏性颗粒的滞气能力也要高于小床。 在小床中易于形成大聚团，而在大床中，聚团直径较小。粒径较大的颗粒，则没 有表现出上述区别。 另外，许多学者 2 1 - 2 5 的研究表明，在传统床中，c 类颗粒特征比较复杂，易 形成活塞、沟流、腾涌、裂缝等不良特性，且伴有严重的扬析和附壁现象，底部 形成毫米级聚团，以固定床形式存在，操作弹性很小。因此，许多改善流化质量 的方法应运而生，这方面的内容将在后面介绍。 1 2 2 黏性颗粒的散式流态化 前面论述的都是超细颗粒的聚式流态化，但是在实验中，研究者们发现，自 4 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 然界中还存在一类纳米颗粒，在流化过程中体现出散式流态化的特性。c h a o u k i 1 9 】 最早发现气凝胶能以聚团的形式平稳流化，称之为“聚团散式流态化 ，随后纳 米颗粒聚团散式流态化的研究如火如荼【2 铊9 1 。 王兆霖【3 0 】在实验中发现，对某些超细颗粒，如气凝胶、气相法s i 0 2 等片状或 者堆密度很小的超细颗粒进行流化时，首先产生沟流，气速增大到一定值时，床 层突然出现分裂，形成不规则的聚团颗粒，且从上到下依次增大，径向均匀分布。 此后形成稳定的流化料面。这种物料在较小气速下，床层膨胀特别高。m a t s u d a ”】 用7n l t l 、2 0n n l 以及2 0 0n l r n 的t i 0 2 颗粒流化床进行光催化氧化脱除n o 。的实验。 在实验中m a t s u d a 发现7n i n 、2 0n m z 颗粒形成的聚团十分坚硬，难以在流化过程 中被破坏。并且在7n i n 、2 0n l r n 颗粒的流化床中，床层可以随着表观气速的增加 而升高到非常高的高度，而2 0 0n n l 颗粒的床层则没有这种现象。并且7n n l ，2 0n n - l 颗粒流化床的气流夹带损失，也要l l 2 0 0n n l 颗粒床层的气流夹带损失少。j u n g 3 2 】 对一种1 0n m 的硅胶进行流化实验时，发现流化床中没有出现气泡，而床层的膨 胀率却相当高。 同样的现象后来t 瞰w a n g 2 4 】所发现，并且做了进一步的研究。w a n g 在一个 内径3 5m m 。高1 0 0 锄的流化床中，对6 种不同性质、颗粒直径介于7 1 6n l n 之 间，堆密度介于2 5 - - 一，4 5k g m 3 之l n ，具有高空隙率的s i 0 2 纳米颗粒进行了流化实 验。结果显示，这些纳米颗粒在流化气速非常低的情况下，首先是形成沟流，然 而这个沟流是非常脆弱的，随着气速的增加，沟流四周或者项部的颗粒开始流化， 并导致沟流破裂。流化区域扩展到整个床层，最终整个床层形成均一的流化状态， 实现聚团流态化。还指出这种类型颗粒的流化状态，相对于聚团的气固鼓泡流 态化( a b e ) ，更像液一固流化体系中的散式流态化，可以被称为聚团的散式流态化 ( a p f ) 。这种流化状态表现为，聚团稳定，沿床层轴向、径向都没有床层密度及 聚团尺寸的明显分布，床层料面平稳，压降平稳，无气泡产生。超细颗粒的聚团 散式流化，散式操作区域宽，床层膨胀比高，床层轴向没有明显的结构差异。 w a n g 进一步用实验证实，在聚团的散式流态化中，流化气体速度，作为床层空 隙率的函数是符合r i c h a r d s o n z a k i 方程的，即表观气速以、终端速度珥、以及床 层空隙率8 ，符合下面的关系式 u s = u , e ” ( 1 - 1 ) 其中，以是床层膨胀指数，不同的物料，t 值不同。 对比聚团的散式流态化与聚团的鼓泡流态化，w a n g 给出了表l 一2 。w a n g 对 散式流化状态的聚团直径进行了估算，结果显示聚团直径在2 0 0 - - - 4 0 0p m 之间。 并且通过从流化床中取样，放在扫描电镜下观察、拍摄照片，证实了其估算的合 理性。w a n g 还研究了纳米颗粒散式流化聚团结构。w a n g 观察到相似堆密度、 5 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 颗粒密度、原生颗粒直径，但颗粒表面性质不同的纳米颗粒，表现出不同的流化 性质。因此w a n g 认为，颗粒的表面性质是影响颗粒散式流态化行为的根本因素。 表1 - 2a p f 与a b f 流化特征的比较 z h u 等【3 3 】对不同粒径和堆积密度的纳米s i 0 2 流化性能做了详细的考察，同 样认为a p f 的流态化类型具有流化稳定、无气泡、床层膨胀比高、形成均相系 统的特点，a b f 则有鼓泡、床层膨胀比小、没有形成均相系统。对这两种流型 的预测推荐如下判别式： 2 r 警等圳。 n 2 警等 a p f a b f 总之，不同颗粒的流化聚团，展现出相当不同的性质，有的非常易碎，而有 的却十分结实，有的结构松散，而有的结构致密。不同的聚团在流化过程中，也 相应地显示出不同的流化性质。 1 3 气固流态化质量的评价 如前所述，气固流态化一般分为聚式流态化和散式流态化，研究气固流态化 的散式化方法，首先必须预测气固流态化质量。所谓预测是指在已知气体与颗粒 的物性参数以及流化床操作条件的情况下，不需通过实验考察，而经计算或者查 阅图表所得的某些数据，即可预知该体系的流态质量【3 4 1 。判断气固流态化质量 的判据可以分为准数判据和颗粒特性判据。 6 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 1 3 1 准数判据 准数判据是用来预测流体颗粒体系流化质量好坏的数学关系式，为了预测流 体一颗粒体系的流化质量，w i l h e l m 和k w a u k ( 郭慕孙) 3 5 】在1 9 4 8 年提出用最小 流态化速度z 蚵为特征速度的f r o u d e 准数厅谚来区分聚式和散式流态化： = 堕g a , ( 1 2 ) 当0 1 3 时，为散式流化；，厂矿1 3 时，为聚式流化。许多科研工作者p 训 根据不同思路对流化质量的准数判据做了研究，但由于实验范围所限，这些判据 的准确度及适用范围各不相同。“u 掣3 9 1 在比较了前人提出的判别式的基础上提 出了较为接近实验结果的流态化质量判别准数o n ： 锄= ( 南 ( 半) m 3 ， 该式中么，炯基米德准数，( 巧a r 卜表颗粒和流体性质的影响，可由 w e n y u 方程式( 1 4 ) t 4 0 1 计算： 彳r = 1 6 5 0 r + 2 4 5 ( r e 彤) 2 ( 1 - 4 对小颗粒( r e n 2 0 ) 当：1 6 5 0 ( 1 - 5 ) r e 彬 对大颗粒( r e t 2 0 ) 南卅6 5 0 + 2 4 5 耻阿 ( 1 - 6 ) 式中右端的( 竺 丝) 项代表颗粒与流体密度的影响，给出的判据值如下： p f 散式流态化0 d n 1 0 4 过渡流态化 1 0 4 1 0 6 刘得金【4 1 1 提出了床层整体非理想指数五判据： 散式流态化 石s o 2 聚式流态化 五0 6 7 ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 - 1 1 ) 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 过渡状态0 2 0 6( 1 1 2 ) 任聪静等【4 2 】利用声波来判断流型，能量代表颗粒碰撞强度，方差代表了颗粒 碰撞的活跃程度，发现在流型转变处存在能量比和方差比的极值。 1 3 2 颗粒特性判据 应用较广的是由g e l d a r t 在1 9 7 3 年提出的颗粒特性判据中是判据【l 】，即将颗 粒按其流化质量分为a 、b 、c 、d 四类，对不同的颗粒根据其所属的类别即可 判断出其流化性质的好坏。这四类颗粒的流化特性和分类前已叙及。后来，g e l d a r t 等4 3 1 曾建议用h a u s n e r 比即压实密度户6 ，与松装密度p 妇之比来区分a 类和c 类 物料，其判据为： a 类物料 c 类物料 盟 1 4 0 几 ( 1 - 1 3 ) ( 1 1 4 ) a c 过渡区物料1 2 5 p b t 1 4 0 ( 1 1 5 ) 纵 最近对四类颗粒的分类进行了很多修正。f 2 5 1 用密度比( 无因次密度) 和a r 代替g e l d a r t 相图中的参数对g e l d a r t 的颗粒分类进行改进。利用这两个参 数，不同的流化介质及温度压力条件下不同颗粒的流化性能可以在同一个相图中 表示。 1 4 改善黏性颗粒流化质量的方法 目前改善超细颗粒流态化性能的方法主要可分为四类： ( 1 ) 用颗粒设计改变本征流态化方法。即利用不同性质、不同粒径或不同形 状的添加颗粒以及表面改性来改善颗粒的流化质量，其本质是减弱或调节颗粒问 的黏附力。颗粒设计主要包括原始颗粒设计与添加颗粒组分设计两大类，其中添 加颗粒组分设计是如今研究的重点【4 4 4 8 1 。周涛【2 0 】在一内径3 3m l t l ，高为1m 的 玻璃流化床中考察了向黏性颗粒物料中添加组分的作用，用床层膨胀曲线和床层 塌落曲线来表征其流化质量的好坏。在s i c ( 一5 “m ) 中添加f c c 催化剂( 1 8 0 - 2 0 0 目) ，在s i c ( 2p m ) 中添加5 0 的漂珠，其流化性能得到明显改善。王兆霖等【3 0 】 考察了黏性颗粒和黏性颗粒之间组合( c c 型组合) 的流态化特征，实验发现对 铁黄细白碳黑为最佳添料，对磁粉最佳添加组分为细白碳黑，对镍粉其最佳添加 8 中南大学硕士学位论文第一章实验背景和文献综述 组分为粗白碳黑，并得到了各自最佳添加质量分数，经过这些组合后流化床中非 气泡气含率大幅度提高，流化质量大为改善，散式化程度明显提高； ( 2 ) 内部构件和床型设计。为了破碎气固流化床中的气泡和颗粒聚团，改善 流化质量，在流化床中增设内部构件不失为一种好的方法【4 9 , 5 0 1 。内部构件一般可 分为水平构件、垂直构件和固定填料三类。通过内部构件的合理增设可以起到破 碎气固流化床中的气泡和颗粒聚团； ( 3 ) 流体设计。气固流态化的质量取决于固体颗粒的性质以及气体的密度与 黏度，如果气体的密度与黏度逼近于液体，则会使对颗粒的曳力及浮力有大幅度 的增加，气固聚式流态化将转化为散式流态化。气体的黏度随温度与压力的升高 而增加，但增加的幅度有限，而且温度的升高将使气体密度呈线形下降，为了使 气体的黏度与密度同时提高，采用增加压力的方法更为有利【5 u ； ( 4 ) 外力场方法。实践证明，外力场可以有效地消弱和克服超细颗粒之间的 黏性力，减小聚团尺寸，改善颗粒流化质量。如在流化床中引入外部振动器、内 构件、声场、磁场等，关于用振动力场来改善黏性颗粒流化质量的报道较多【5 2 。5 8 1 。 “u 等f 5 9 】用s i 0 2 ( 5 1 0 n m ) + f e 3 0 4 ( 4 4 8 岬) 为流化介质，考察了在声场、磁 场和声场磁场联合场的流化特征。声场和磁场联用时，s i 0 2 表现出a 类颗粒的流 化特征，最小流化速度比任何单独场中的都小。 1 5 黏性颗粒的振动流态化 振动流化床( b ) 是把振动能量引入普