（化学工程专业论文）磁稳定床传质、传热特性实验研究与流动状况数值模拟.pdf

中文摘要中又摘要 兼具流化床与固定床特点的磁稳定床反应器，具有重要的工业应用价值，目 前该类反应器的设计与放大缺乏必要的基础数据，因此对磁稳定床的气液传质、 液固传质、液固传热及局部流动特性进行了研究。 实验研究了气液并流逆流三相磁稳定床的气液传质特性，获得了操作条件 和物性参数对气液传质的影响规律：在外加磁场的作用下，气液并流逆流三相 磁稳定床与普通三相流化床相比，磁稳定床的气液体积传质系数较大；气液传质 系数k a 随磁场强度、表观气速、表观液速、颗粒直径的增加而增加，其中随表 观气速的增加近似线性；在较低的液相粘度范围内，液相粘度的增加有利于气液 传质的进行：获得了气液并流、逆流三相磁稳定床中气液传质系数的回归关联式， 回归值与实验值吻合较好。 采用电化学方法测定了气液逆流三相磁稳定床液固传质系数，其变化规律 为：与普通逆流三相流化床相比，气液逆流三相磁稳定床中的液固传质系数k 。 较大；液固传质系数k 。随磁场强度、表观液速、表观气速的增加而增大；液体 粘度及液体表面张力的增加均使液固传质系数减少；局部液固传质系数k 。基本 上保持为常数，在轴向分布均匀，在径向上除了靠近壁面附近较大外，其它位置 分布均匀；回归得到了液固传质系数的关联式，该关联式在实验操作范围内能较 好地预测液固传质系数的大小。 采用电加热金属薄膜式表面测温法试验研究了液固磁稳定床、气液并流逆 流三相磁稳定床的液固传热特性，研究结果显示出：与普通流化床相比，在同样 的操作条件下磁稳定床中的液固传热系数较小，并且磁稳定床中的液固传热系数 均随着表观液速的增加而增加，随磁场强度、液相粘度的增加而减小，液固传热 系数在径向上分布均匀；在气液并流逆流三相磁稳定床中，液固传热系数均随 表观气速的增加和表面张力的减小而增加；建立了三种床中的液固传热系数的关 联式。 利用e u l e r i a n e u l e f i a n 模型结合颗粒动力学理论对液固气固磁稳定床的流 动特性进行了数值模拟，模拟结果与实验吻合较好，膨胀高度比模拟值与实验值 的平均偏差为2 2 1 ，固含率的平均偏差为1 4 4 。利用该模型可以获得流动结 构的演变规律，可有效进行工业反应器的设计。 关键词：磁稳定床气液传质液固传质液固传热数值模拟 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u i d i z e db e dw i t ht h o s eo ft h ef i x e db e d ，t h e m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e dr e a c t o r sh a v ee x p e r i e n c e dw i d e l yi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s u pt on o w , i tl a c k so ff u n d a m e n t a ld a t af o rt h ed e s i g na n ds c a l eu po ft h e s ek i n d so f r e a c t o r s t h e r e f o r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a s l i q u i dm a s st r a n s f e r , l i q u i d s o l i dm a s s t r a n s f e r ，l i q u i d s o l i dh e a tt r a n s f e ra n dt h el o c a lh y d r o d y n a m i c sh a v eb e e ns t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci nt h e g a s l i q u i d c o n c u r r e n ta n d c o u n t e r c u r r e n tt h r e e p h a s em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e dh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , e f f e c t so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dp h y s i c a lp a r a m e t e r s ( s u c ha s m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y ，s u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t y , s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , p a r t i c l e ss i z ea n dl i q u i d v i s c o s i t y ) o nt h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rh a v eb e e no b t a i n e d i ts h o w st h a tu n d e rt h e e f f e c to fe x t e r n a l m a g n e t i c f i e l d t h ev o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e 瓶c i e n t so f g a s - l i q u i dm a s st r a n s f e ri nt h eg a s l i q u i dc o n c u r r e n ta n dc o u n t e r c u r r e n tt h r e e p h a s e m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e da r el a r g e rt h a nt h a to fn o r m a lt h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e d s t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk l ai n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fm a g n e t i c f i e l di n t e n s i t y , s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y ，s u p e r f i c i a l l i q u i dv e l o c i t ya n dp a r t i c l es i z e ， s h o w i n ga na p p r o x i m a t e l yl i n e a ri n c r e a s ew i t hs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y i nt h el o w e r v i s c o s i t yr a n g e ，t h ei n c r e a s eo fl i q u i dv i s c o s i t ym a k e sf o rt h ep r o c e s so fg a s l i q u i d m a s st r a n s f e r t w oc o r r e l a t i o ne q u a t i o n so fg a s l i q u i dm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sh a v e b e e no b t a i n e df o r t h e g a s - l i q u i d c o n c u r r e n ta n dc o u n t e r c u r r e n t t h r e e - p h a s e m a g n e t i c a l l y s t a b i l i z e db e dr e s p e c t i v e l y , w h i c hs h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t s t h ee l e c t r o c h e m i c a lm e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h el i q u i d - s o l i dm a s st r a n s f e r c o e f f i c i e n t si ng a s - l i q u i dc o u n t e r c u r r e n tt h r e e p h a s em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d i t s h o w st h a tb yc o m p a r i s o nw i t hn o r m a lc o u n t e r c u r r e n tt h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e d ，t h e l i q u i d - s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk si nc o u n t e r c u r r e n tt h r e e p h a s em a g n e t i c a l l y s t a b i l i z e db e di sl a r g e r t h el i q u i d s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk si n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t ya n ds u p e r f i c i a ll i q u i d v e l o c i t y , b u td e c r e a s e sw 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 n dl i q u i ds u r f a c et e n s i o n t h el o c a ll i q u i d s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk sa l m o s tr e m a i n sc o n s t a n t ，a n dt h e a x i a ld i s t r i b u t i o ni su n i f o r m i t y , b u tt h er a d i a ld i s t r i b u t i o ni sd i f f e r e n t ，e x c e p tf o ra l i t t l eo fl a r g en e a rt h ew a l l ，t h el i q u i d s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tk si su n i f o r m i t y t o oi no t h e rp l a c e s ac o r r e l a t i o ne q u a t i o no ft h el i q u i d s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t h a sb e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hc a np r e d i c tt h el i q u i d s o l i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e l l i nt h er a n g eo fe x p e r i m e n t so p e r a t i o nc o n d i t i o n s m e a s u r e m e mo fe l e c t r i c a lm e t a lt h e r m o f o i lh e a t e rs u r f a c et e m p e r a t u r ei su s e dt o s t u d yt h el i q u i d s o l i dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci nl i q u i d - s o l i dt w o p h a s e ，g a s l i q u i d c o n c u r r e n t t h r e e - p h a s e a n dg a s - l i q u i dc o u n t e r c u r r e n t t h r e e 巾h a s em a g n e t i c a l l y s t a b i l i z e db e d hc o n c l u d e st h a tt h e l i q u i d s o l i d h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d i ss m a l l e rt h a n 也a to fc o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d a n dt h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si n 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 l l i q u i dv e l o c i t y , b u t d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fm a g n e t i cf 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 a n dt h e l o c a lt a d i a ld i s t r i b u t i o no fh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n ti su n i f o r t u i t y t h ei n c r e a s eo f s u p e r f i c i a l g a sv e l o c i t ya n dd e c r e a s eo fl i q u i ds u r f a c e t e n s i o na l s or e s u l ti ni n c r e a s i n g o fh e a tt r a n s f e rc o e 所c i e n ti ng a s l i q u i dc o n c u r r e n ta n dc o u n t e r c u r r e n tt h r e e p h a s e m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d t 1 1 r e ec o r r e l a t i o ne x p r e s s i o n so fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t h a v eb e e ng a i n e df o rt h el i q u i d - s o l i dt w o p h a s e ，g a s - l i q u i dc o n c u r r e n tt h r e e - p h a s ea n d g a s l i q u i dc o u n t e r c u r r e n tt h r e e - p h a s em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d ，r e s p e c t i v e l y ， t h ee u l e r i a n e u l e r i a nm e t h o dc o m b i n i n gw i t hk i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o wi s u s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eh y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c si nt h el i q u i d s o l i d a n dg a s s o l i dt w o p h a s em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d i ts h o w sag o o da g r e e m e n t b e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t s ，a n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o rf o r t h eb e de x p a n s i o nr a t i oo fs i m u l a t e dv a l u ea n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai s2 2 1 a n d t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o rf o r 血el o c a ls o l i dh o l d u pi s1 4 4 1 1 1 e r e f o r e t h i sm o d e l c a nb eu s e dt oe s t i m a t et h ee v o l v e m e n to ft h ef l o ws t r u c t u r e w h i c hi sf u n d a r n e n t a lt o d e s i g no fi n d u s t r i a lr e a c t o r s k e y w o r d s ：m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d ，g a s l i q u i dm a s st r a n s f e r ，l i q u i d s o l i d m a s st r a n s f e r , l i q u i d s o l i dh e a t 拓a n s f b r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 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和取得的 研究成果，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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他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。 学位论文作者签名：鹰螂签字日期：渺年1 月f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 套既茑 导师签名 签字日期：撕s 年1 月1 日签字日期：忻月秘日 刖面 目u舌 二十世纪六十年代，f i l i p p o v l lj 提出了一种新型的流化床体系一磁流化床 ( m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ) ，与传统的流化床不同之处，它是以磁性颗粒为固 相，在外加磁场作用下形成的。它克服了传统反应器的一些缺点，如流化床反应 器中返混严重，转化率偏低以及粒子容易被带出的缺点；同时它还克服了固定床 反应器不能使用过细的粒子，以及床层容易发生沟流和短路等缺点。二十世纪七 十年代r o s e n s w e i g 2 】又提出了磁稳定床( m a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e db e d ) ，磁稳定床 是磁流化床的特殊形式，它使流化床内填充的磁性粒子在轴向不随时间变化的均 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 类似的稳定结构，又具有定的流动性，真正实现了固体粒子与流体的逆向接触， 兼具了固定床与流化床的优点。目前对于气固磁稳定床的研究较多，而关于液固 气液固磁稳定床的研究较少，而对于该两类磁稳定床的模拟研究目前还没有见 文献报道。由于该两类反应器具有其独特的优点，因而在石油化工、生物化工和 环境工程等领域较普通的流化床反应器和固定床反应器已经显示出很大的优越 性，尤其在生物化工加工技术方面比如生物分离或者是固定酶催化反应 3 。5 】等过 程中的实验研究中已经显示了这种新型流化床装置的广泛应用前景。 随着新型磁性催化剂的发展，磁稳定床反应器在石油加工和化学工业越来 越展现出其广阔的工业应用前景。由石油化工科学研究院经过十几年的研究探索 开发出的镍系非晶态合金催化剂( s r n a 。4 ) 由于具有良好的低温加氢活性及良 好的铁磁性，已在鹰山石油化工厂成功地应用于磁稳定床己内酰胺加氢精制过 程。 目前对于含非晶态合金催化剂( s r n a 4 ) 的该类磁稳定床的传质、传热特 性缺乏深入的了解，而掌握其传质、传热特性对提高反应器的工业效率起着重要 的作用，因此为解决该类反应器工业应用的放大以及优化设计问题，有必要对其 内在的传质、传热规律进行试验研究。 本文主要试验研究了气液并流，逆流三相磁稳定床的气液传质特性，获得了 磁场强度、表观气速、表观液速、颗粒直径及液体粘度对气液传质的影响规律， 与普通三相流化床相比，磁稳定床的气液体积传质系数较大，对测定得到的气液 并流逆流三相磁稳定床的气液传质系数分别回归成关联式；采用电化学方法研 究了气液逆流三相磁稳定床液固传质特性，测定了液固传质系数随磁场强度、表 观液速、表观气速、液体粘度和表面张力的变化规律，与普通逆流三相流化床相 比，气液逆流三相磁稳定床中的液固传质系数k 。较大，并且测定了局部液固传质 前言 系数k 。的轴向、径向分布情况，根据实验获得的液固传质系数数据采用多线性回 归技术回归出反映液固传质随不同的操作参数( 如磁场强度、表观液速和表观气 速) 和不同的物性参数( 如液体粘度和表面张力) 变化规律的数学关联式；采用 电加热金属薄膜式表面测温法试验研究了液固磁稳定床、气液并流逆流三相磁 稳定床的液固传热特性，分别获得了在三耱不同磁稳定床中液固传热系数h 随磁 场强度、表观液速、表面张力、液相粘度的变化规律及在气液并流，逆流三相磁 稳定床中表观气速对液固传热系数的影响结果，同时测定了局部液固传热系数h 的径向分布规律，由测定得到的液固传热系数h 数据回归获得了能分别反映在三 种床中的液固传热规律的三个关联式。 同时，对于该类磁稳定床反应器的局部流体力学特性的了解仅限于试验的手 段是远远不足的，由于受测试手段和测试条件的限制，多数工作还仅限于对宏观 流体力学特性的观察和测定，而要进一步深入了解其更基本的流动规律，如相间 相互作用力、流体运动速度分布和瞬态流动结构等，目前的基本测试手段都很难 解决，因此只有依赖于理论的方法。近十几年来，随着计算机技术的发展，计算 流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 的出现与发展为流体一固体两 相流领域的研究提供了强有力的手段。目前普遍采用的两种模型化方法有欧拉一 拉格朗同法和欧拉一欧拉法，欧拉一欧拉法对具有较高的颗粒相浓度的系统，其 计算量要求低于欧拉一拉格朗日法，因此应用比较广泛。 为了解以含非晶念合金催化齐 j s r n a 4 为固相的液固磁稳定床和气固磁稳定 床局部的流体流动特性。本文利用欧拉一欧拉双流体模型结合颗粒流动力学理 论，建立了流体一固体两相的流体力学模型，同时引入了湍动模型考察了两相的 瞬态特性及流动结构，预测和模拟了液固气固磁稳定床的流动过程；模拟了表 观液体速度、磁场强度和液体粘度对液固磁稳定床中局部固含率分布、固相速度、 液相速度分布的影响结果；同样模拟获得了磁场强度和表观气速对气固磁稳定床 中局部固含率分布、固相速度、气相速度分布及气泡平均尺寸的影响规律；比较 了不同的操作条件下局部固含率的模拟值与实验值，比较结果基本吻合；获得了 液固磁稳定床的流动结构为床中心部分向上运动，壁面附近存在回流，且在中心 部分液体主体的两侧形成漩涡，漩涡结构随时变化，而气固磁稳定床的流动结构 与普通气固流化床相似，为典型的“循环结构”，这些模拟研究为进一步开展陔 类反应器装置的设计与放大提供理论依据。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 磁稳定床传质特性研究进展 1 1 1 磁稳定床气液传质特性研究进展 目前对于磁稳定床的气液信质特性研究的文献报道较少。w e n g 等_ 6 3 研究了 以磁性海藻酸盐颗粒为固相的三相磁流化床的气液传质特性，研究发现磁场强度 的增加提高了气液传质速率，并且建立了在磁流化床生化反应器中气液传质模 型。t h o m p s o n 和w o r d e n 3 研究了三相磁流化床气液传质系数k l a 与表观气速、 表观液速及磁场强度的函数关系。其中固相为含磁粉的直径为4 m m 的海藻酸钙 颗粒，液相和气相分别为水和空气，流化床外加轴向直流磁场，强度范围为0 - 3 0 0 g ，研究结果表明随着磁场强度的增加，气液体积传质系数保持不变或者是增大， 而在链状区，气液传质系数提高了3 0 。za i q o d a h 和m a l - h a s s a u p l 研究了 外加横向磁场，台磁性颗粒f e 3 0 4 的三相气提塔内气液传质特性，指出气液体积 传质系数随气速和磁场强度的增加而增加，同时发现在某一恒定的磁场强度下气 液体积传质系数与气速的变化呈线性关系，指出了不同的操作方式，即先加磁场 或者是后加磁场对气液传质没有影响，最后回归得出气液体积传质系数与气速和 磁场强度的函数关系式。c h e n 等t 9 j 研究了含镍粉平均宜径为1 9 4 p m 的三相磁 流化床的气液传质特性，试验结果表明传质速率比普通流化床高，并且随着磁场 强度的增加而增加，在高磁场强度下，传质系数增加了7 0 ，传质效率基本上 与气液鼓泡塔相同。c h e n 等”u _ 还研究了非牛顿型流体及气体分布器的类型对三 相磁流化床中气液传质的影响，结果表明适当的液相件质及选择合适的气体分布 器，使得传质系数增加了三倍，从而为提高气液体积传质速率提出了一个很好的 改进过程。骆振福j 等人研究认为在均匀轴向磁场的作用下，床中如出现气泡， 必将导致原来均匀的磁力线弯曲变形，此时气泡周围的磁场足不均匀的，弯曲的 磁力线有恢复成原来均匀、平行、稳定状态的趋势，继而出现指向气泡的磁场力， 且磁场力的方向指向气泡中心，有利于防止气泡的形成和长大。在磁稳定床中， 受磁场感应的铁磁性颗粒群将成链排列，即磁链，类似于具有定强度的沿磁力 线方向排列的针状结构物，这种磁链通常由两个以上铁磁性颗粒组成，其长短与 磁场强度有关，场强越大磁链越长，当气泡出现向上运动时，位于气泡上方的针 状磁链将刺穿气泡，导致气泡破碎，有利于气液传质的进行。以上所有的研究基 状磁链将刺穿气泡，导致气泡破碎，有利于气液传质的进行。以上所有的研究基 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 磁稳定床传质特性研究进展 1 1 1 磁稳定床气液传质特性研究进展 目前对于磁稳定床的气液传质特性研究的文献报道较少。w e n g 等1 6 】研究了 以磁性海藻酸赫颗粒为固相的三相磁流化床的气液传质特性，研究发现磁场强度 的增加提高了气液传质速率，并且建立了在磁流化床生化反应器中气液传质模 型。t h o m p s o n 和w o r d e n 口j 研究了三相磁流化床气液传质系数k l a 与表观气速、 表观液速及磁场强度的函数关系。其中固相为含磁粉的直径为4 r a m 的海藻酸钙 颗粒，液相和气相分别为水和空气，流化床外加轴向直流磁场，强度范围为0 - 3 0 0 g ，研究结果表明随着磁场强度的增加，气液体积传质系数保持不变或者是增大， 而在链状区。气液传质系数提高了3 0 。z a 1 q o d a h 和m a i h a s s a n 【8 j 研究了 外加横向磁场，含磁性颗粒f e 3 0 4 的三相气提塔内气液传质特性，指出气液体积 传质系数随气速和磁场强度的增加而增加，同时发现在某一恒定的磁场强度下气 液体积传质系数与气速的变化呈线性关系，指出了不同的操作方式，即先加磁场 或者是后加磁场对气液传质没有影响，最后回归得出气液体积传质系数与气速和 磁场强度的函数关系式。c h e n 等【9 】研究了含镍粉平均直径为1 9 4 p m 的_ - - - 相磁 流化床的气液传质特性，试验结果表明传质速率比普通流化床高，并且随着磁场 滢度的增加丽增加，在离磁场强度下，传质系数增加了7 0 ，传质效率基本上 与气液鼓泡塔相同。c h e n 等【10 j 还研究了非牛顿型流体及气体分布器的类型对三 相磁流化床中气液传质的影响，结果表明适当的液相性质及选择合适的气体分布 器，使得传质系数增加了三倍，从而为提高气液体积传质速率提出了一个很好的 改进过程。骆振福j 等人研究认为在均匀轴向磁场的作用下，床中如出现气泡， 必将导致原来均匀的磁力线弯曲变形，此时气泡周围的磁场是不均匀的，弯曲的 磁力线有恢复成原来均匀、平行、稳定状态的趋势，继而出现指向气泡的磁场力， 且磁场力的方向指向气泡中心，有利于防止气泡的形成和长大。在磁稳定床中， 受磁场感应的铁磁性颗粒群将成链排列j 即磁链，类似于具有一定强度的沿磁力 线方向排列的针状结构物。这种磁链通常由两个以上铁磁性颗粒组成，其长短与 磁场强度有关，场强越大磁链越长，当气泡出现向上运动时，位于气泡上方的针 状磁链将刺穿气泡，导致气泡破碎，有利于气液传质的进行。以上所有的研究基 第一章文献综述 本上都表明在磁流化床中气液体积传质系数均随磁场强度的增加而增加。 1 1 2 磁稳定床液固传质特性研究进展 自从磁稳定床的概念提出以后，大部分的研究都是致力于其流体力学特性以 及床结构划分的研究，而对于液固传质特性的研究较少，直到二十世纪九十年代 人们爿丌始对液固传质特性进行研究。因研究的体系和方法不尽相同，因此得到 的结论也不尽一致。 w e b b 等【1 2 l 实验研究表明在磁稳定床中由于附加磁力的作用，床层紧缩，减 少了床的空隙，从而提高了局部的液体速度，增大了液固传质系数。同时指出在 磁稳定床中可以通过某些方法来减少传质阻力使得它能够实现连续性处理固定 酶催化过程，比如使用小直径的粒子可以减少内在的传质阻力，提高液速可以减 少外在的阻力。j o v a n o v i c j 也得到了相似的结论。指出磁场的应用提高了液体 与磁性粒子之间的传质效率。m o f f a t 等 对胶状颗粒、大分子及有机物的分离 采用磁处理技术在工业中的应用进行了综述，指出采用新型的磁处理技术即磁稳 定床，能够很大程度上提高液固传质，结果表明在磁铁矿与角叉胶颗粒的体系中 当外加电流强度为4 0 a 时传质速率可以增大5 倍多。指出磁处理技术在铁矿分离、 生物处理及污水处理方面有很大的应用潜力。b r a m b l e 等【l5 j 在研究采用新型的生 物反应器一磁稳定流化床用于连续地培养细胞中获得同样的结论，指出磁稳定床 系统具有很好的传质特征。c h e t t y 等1 16 】研究了在磁稳定床中放置一种不含磁性 材料的吸附性树脂进行连续性的蛋白质分离，指出分离的操作方式具有几个优 点：能实现真正的连续性，液固逆向接触，液固传质系数高，基本与填充床的相 等，对悬浮的细胞或者是细胞碎片处理能力强。h a u s m a r m 等i l7 j 采用外加a c 交 变磁场研究了含磁性颗粒的流化床中的液固传质，发现磁力搅拌作用增强，从而 提高了传质速率，指出液固传质与外加磁场的频率和液相的流率有关，还通过与 相同的粒子在普通流化床操作相比较，发现采用磁力搅拌反应器液固传质速率提 高了4 倍。以上的研究中基本上都得到相同的结论，在所研究的体系中都呈现出 磁场强度的增加，液固传质速率也增加的趋势。 然而，有研究者在研究在外加磁场的作用下液固传质特性时得到了与以上结 论相反的结果。h a u s m a r m 等【l 踟研究了含磁性离子交换粒子的磁稳定床中在不 同的条件下液固传质特性的变化情况，结果显示出与普通流化床相比传质速率较 差。在低液体速度( 小于1 6 6 m m s ) 时磁稳定床的传质速率与普通流化床的基 本相同，提高液体速度，传质速率仅为普通流化床的7 0 ，进一步增大流体速 度( 大于2 4 m m s ) 传质速率仍然没有提高。f r a n z r e b 等 1 9 1 采用外加d c 交变磁 场研究了流化床中的液固传质，研究表明，在相同的操作条件下，与普通流化床 第一章文献综述 相比，磁稳定流化床传质速率显著减少，减少的数量主要与液体速度和最小流化 速度之比有关。指出两种不同的操作方式( 先加磁场后加磁场) 及不同雷诺数 下对应有不同的传质特性。另外c h e n g 等 2 0 】在研究中也得到了相同的结论，其 采用积分的方法研究了垂直放置的一块金属板浸没在电解质溶液和饱和的多孔 介质中，在外加横向磁场的作用下，对传热、传质的的影响，研究结果表明外加 磁场减少了垂直金属板壁面与流体之间的传热、传质，同时指出热边界层厚度与 浓度边界层厚度之比与磁场强度无关。 1 1 3 传质理论 i 1 3 1 经典模型 多年来，研究者们对流体流过固体表面、气体流过液体表面的传质问题，先 后提出了许多关于传质系数的理论与模型，人们熟悉的经典理论包括双膜理论、 渗透理论及表面更新理论。 1 9 2 3 年w h i t m a j l 【2 1 1 提出了双膜模型，模型假定传质的全部阻力集中在界面 附近的一层停滞膜中，相际传质通过两个层流膜层的分子扩散来完成。传质系数 表达式为： n k = 一1 _ f 1 1 ) d 该模型简明易懂，同时便于传质过程的数学处理。 1 9 3 5 年h i g b i e 2 2 1 提出了渗透模型，该模型假定液体处于湍流条件下，一个流 体微元由主体的湍流深度运动到界面上停留一段时间，在这段时间内，两相间发 生传质，假定流体微元在界面上接触时间为常数t ，相界面浓度保持恒定，传质 系数表达式为 ：2 、旦( 1 - 2 ) vr 万 实际上接触时间很难以得知，因此该模型无法用于预测传质系数。 d a n c k w e r t s 2 3 1 发展了渗透模型，并提出了表面更新理论，该模型假定流体微 元在气液界面处停留时间不是常数，而是一个年龄分布的函数，传质系数的表达 式为 k = 嬲f 1 3 ) 表面更新模型比双膜模型和渗透模型更接近于实际。 经典模型都没有考虑到气液界面处流体的流动结构与特性，而将影响传质的 诸多因素都归结为一个未知参数，该参数只能通过实验结果回归得到，因此模型 就变为经验式或半经验式。但这类模型简单，使用方便，仍然为不少研究者使用。 第一章文献综述 1 1 3 2 漩涡扩散模型 l e v i c h t 2 4 1 根据质量传递与动量传递的类似性提出了漩涡扩散模型，传质系数 表达式为： k = 0 3 2 ( 1 4 ) 其中驴等 ( 1 - 5 ) k i n g 2 5 j 也提出了一个漩涡扩散模型假定漩涡扩散系数可用下式表示： e = a y ”7 + b ( 1 6 ) 式中a 、b 、m 为常数。 由于界面张力对近界面的湍流扩散具有阻尼作用，所以当y = 0 时，e = 0 ， b = 0 ，流体元的涡流扩散方程为： 百o c = 旦a j l lf 。+ 口p 1 笪m j i ( 1 7 ) k i n g 给出了m 和a 的估算方法，因而得到传质系数表达式。 1 1 3 3 漩涡池模型 漩涡池模型假定漩涡的速度可由精确的数学表达式来描述，因此可将速度 表达式代入对流扩散方程就可解漩涡中的浓度分布，得到界面处局部传质系数的 表达式为： k d ( ；。d - s ) f o r t e s c u e 2 6 认为在湍流场中对质量传递起控制作用的是大尺度的含能涡团， 掘此提出了大涡模型，涡的平均传质系数为： 趾c 丁o h i ( 1 9 ) 式中c o 为常数0 9 。 l a m o n t 2 7 】贝0 认为在界面附近的大尺度涡上，重叠着许多小尺度漩涡，假定 每个漩涡池均是理想的粘性涡池，是整个传质过程的控制因素。据此提出了小涡 模型，传质系数由涡的尺度和动能决定，得到了传质系数的表达式为： k = c o ( 兰) ”3 ( 础) “4 ( 1 1 0 ) u 式中c o 为常数0 4 。 大涡模型和小涡模型用的均是统计平均的方法，涡的长度和特征速度均用近 似平均值来描述，因而难以说明单个漩涡的传质机理，引起了究竟是大涡还是小 孚 第一章文献综述 涡控制传质的争论。在此基础上，l u k l 2 8 1 提出了一个二维拟稳态单涡模型，假定 气液自由界面液体一侧由一连串大小不同的涡构成，尽管整个界面的传质为非稳 态，但每个单涡内的传质是稳态的，得到了漩涡的传质系数为： k = 圭n 斑= o ，、而d ( 1 - 1 1 ) 决定k 值的量只有长度尺寸l 和水平速度振幅v 。 1 1 3 4 统计理论 p e t t y 2 9 1 的近界面传质统计理论认为，涡流扩散不仅是流体力学现象，而且 与界面上物理化学因素有关，因而提出速度波动和浓度波动的时间关联。引入了 一个时空关联的概念，用时均值代替系统的平均，将空间分解为一个零均值的 随机平稳函数和一个平滑函数，最后得到下列关联式： 鼢：竺掣型f 等 i i ( n + m ) ( s c 。芦 m 哟 万 i 聊! j 7 、7 式中m 、n 为常数，p e t t y 给出了不同情况下的1 1 - 、m 和y 定义。 1 1 3 5 界面非平衡理论 上述模型均建立在一个共同假设的基础上，即界面处无阻力。苗容生 3 0 和马 友光川利用显微全息干涉技术对界面附近的浓度场测定结果表明，在距界面 o 0 i m m 处测定的浓度仍远离平衡，所以界面附近存在一个极薄的传质阻力膜， 膜层厚度与分子尺寸、界面结构等因素有关，涉及到分子间力、分子分布函数等 知识，有关这方面迄今为止尚无成熟的理论，因此对其进行研究时，仍将阻力膜 层视为一个在层面两侧浓度不连续的几何面。也就是说，在两相传质过程中，界 面液相侧浓度不是与气相成平衡的浓度，马友光给出了界面浓度的表达式，对于 气相到液相的传质过程； c ，= c j e “”1( 1 一1 3 ) 而对于液相到气相的传质过程： c 。= c e “7( 1 - 1 4 ) 其中e 为每摩尔分子越过界面所需克服的表面能，由表面张力和分子尺寸求 1 2 磁稳定床传热特性研究进展 目前对于磁稳定床的传热特性的研究大多数都是对气固磁稳定床体系的传 第一章文献综述 热进行研究，而对于液固体系在外加磁场的作用下其传热特性的研究较少，尤其 是对于气液固磁稳定床的传热特性的研究还没有文献的报道。 q i a n t 3 2 】在研究铁磁性颗粒的气固磁流化床中浸没加热元件表面一床层传热 系数时发现在固定床区、磁稳定区及鼓泡区增加磁场强度都没有引起传热速率减 少。s a x e n a 和d e w a n p 珥研究了以平均直径为1 5 1 1 肛m 铁颗粒为固褶的气固磁流 化床的传热，采用特制的尼龙探针水平放置在床中的不同位置测定了探针表面与 床层的局部传热系数，试验结果表明在恒定的气速下，传热速率随着磁场强度的 增加而增加。g a n z l l a 【3 4 】得到了相同的结论，采用圆柱形加热条状传热探针测定 了以平均粒径为1 0 8 6 9 m 铁颗粒为固相的气固磁稳定床中局部传热系数，测定结 果表明传热系数与探针放置的角度有关，指出磁场影响了探针附近向上流的气相 流动，进而影响了传热系数，在相同的气速下增加磁场强度，传热系数增加。 以上的研究中1 3 2 3 4 基本都表明磁场强度的影响增加了床层的传热系数，然而 也有研究报道得到了相反的结果。n e 行和r u b i n s k y l 3 5 研究了磁场作用对壁面一 床层传热系数影响，试验结果发现在平均粒径为7 2 7 ；_ t m 铁粒子的气固磁流化床 中不同流动区传热系数随磁场强度的增加