（化学工程专业论文）超细颗粒磁流化床干法包裹及声场流态化研究.pdf

u l t r a f i n ep a r t i c l ed r yc o a t i n gi nam a g n e t i cf l u i d i z e db e d a n df l u i d i z a t i o ni na na c o u s t i ca s s i s t a n tf l u i d i z e db e d l iy a n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg u oq i n g - j i e a b s t r a e t i nr e c e n ty e a r s , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e nf o c l l s e do nu l t r a f i n e p a r t i c l eb e c a u s eo fi t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s p l u g sa n dc h a n n e l so c c u rw h e n u l t r a f i n ep a r t i c l ew e r ef l u i d i z e di nab u b b l i n gf l m d i z e x ib e dd u et os t r o n g c o h e s i v ef o r c eb e t w e e np a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , d r yc o a t i n gi nam a g n e t i c f l u i d i z e db e da n df l u i d i z a t i o ni na na c o u s t i cf l u i d i z e db e dw e r ee m p l o y e dt o i m p r o v ep a r t i c l ef l m d i z a t m nq u a l i t y , r e s p e c t i v e l y d r yc o a t i n gi nam a g n e t i cf l u i d i z e db e dw a si n t r o d u c e dt o a c h i e v et h e s u r f a c em o d i f i c a t i o no fu l t r a f i n ep a r t i c l e s m a g n e t i cr i n gw a se n c i r c l e da r o u n d t h eg l a s sf l m d i z c db e dt og e n e r a t eu n i f o r ma x i a lm a g n e t i cf i e l d , w i t hm a g n e t i c p a r t i c l e s ( f e 3 0 4 ) b e i n gu s e d 够h o s t ( c o r n s t a r c h ) a n ds i 0 2a sg u e s tp a r t i c l e s t w om e c h a n i s m se n c o u n t e ri nc o a t i n gp r o c e s s o n ew a st h es h e a r i n gf o r c e w h i c hg e n e r a t e df r o mf e 3 0 4m o v i n ga n dc o l l i d i n gw i t hh o s ta n dg u e s tp a r t i c l e s u n d e rm a g n e t i cf i e l d ，t h eo t h e rw a sg a sd r a gf o r c ei nt h ef l u i d i z e db e d t h e o p e r a t e dp a r a m e t e r s s u c ha sh o s t g n e s t a d d i t i o n a lr a t i o ，g r a n u l a r i t y ，c o a t i n g t i m e ，m a g n e t i cp a r t i c l e sa d d i t i o n a lr a t i oa n dm a g n e t i c f e l di n t e n s i t yw e r e e x a m i n e di nt h i se x p e r i m e n t - i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o a t e dc o r n s t a r c h f l u i d i z a t i o nq u a l i t yw a ss i m i l a rt og e l d a r tag r o u pp a r t i c l e s ，w h e nc o a t i n gt i m e e x c e e d s1 0m i n u t e s ，g u e s tp a r t i c l e s a v e r a g ed i a m e t e rw a s2 5 a mo r5 0 0a m ， v h o s f f g u e mw e i g h tr a t i or a n g e sf r o m3 t o1 0 a n dm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yw a s 1 2 2 7m t t h ec o l l a p s ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec o a t e dc o r n s t a r c hh a sl o w e r g a sr e t a r d a r c ec a p a b i l i t yt h a nc o r n s t a r c h t h ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o r o fv a r i o u sn a n o m e t e ra n dm i c r o n p a r t i c l e s ， i n c l u d i n gs i 0 2 ，t i 0 2a n dc o r n s t a r c hp a r t i c l e sw i t hp r i m a r yp a r t i c l ed i a m e t e r f r o m5n mt o10 7m n ，w a si n v e s t i g a t e di na na c o u s t i ca s s i s t a n tf l u i d i z e db e d i t h a sb e e nf o u n dt h a tt h er e l a t i v e l yu n i f o r ms m a l lp a r t i c l ea g g l o m e r a t e sh a v eb e e n f o r m e da n df i u i d i z e dh o m o g e n o u s l yu n d e rl o wa c o u s t i cf r e q u e n c i e sa n dh i g l l a c o u s t i cp r e s s u r e e f f e c t so fa c o u s t i cf r e q u e n c i e s ，a c o u s t i cp r e s s u r e ，a n dw a v e s h a p eo nf i u i d i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n tt e s t t h e m i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga c o u s t i cp r e s s u r ea ta g i v e na c o u s t i cf r e q u e n c i e 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 yi n c r e a s e di nt h e b e g i n n i n ga n dt h e nd e c r e a s e da st h ea c o u s t i cf r e q u e n c yi n c r e a s e d e x p e r i m e n t a l f i n d i n g si n d i c a t e dt h a tt h eu l t r a f i n ep a r t i c l e s f l u i d i z a t i o nq u a l i t yw a ss i m i l a rt o g e l d a r tag r o u pp a r t i c l e sw h e nt h ea c o u s t i cf r e q u e n c yb e t w e e n4 0 - - 6 0h z ，t h e a c o u s t i cp r e s s u r eb e y o n d1 0 0d b i np a r t i c u l a r , a c o u s t i cw a v ew h i c hc o m p o s e d o fan u m b e ro fs i n ew a v e sw i t hd i f f e r e n tw a v e 订o u g ha n dw a v ec r e s tc a nn o t i m p r o v et h ef i u i d i z a t i o nq u a n t i t yo f u l t r a f m ep a r t i c l e sa ss i n ew a v e k e yw o r d s ：u l t r a f i n ep a r t i c l e s ，m a g n e t i cc o a t i n g ，a c o u s t i ca s s i s t a n tf i e l d ， f h i d i z a t i o n v l 独创性声明 本人声明所呈交的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泣和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：厄牟砌年，月乒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公白论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：盔塑砌6 年， 导师签名 社 月口r 圳年，月z 开 中国 袖人学( 华东) 硕十论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 概述 1 1 1 流态化技术 流念化技术是研究和处理工业过程中固体颗粒与气相、液相、气液相 之日j 的混合、传质、传热的多相流技术。流态化技术起源于2 0 世纪早期的 德国，但该技术的应用真正得到重视应从2 0 世纪7 0 年代算起。1 9 7 9 年， 芬兰) f 发了世界上第一台蒸发量为2 0t h 1 1 的流化床锅炉，接着，西德、美 国也相继歼发这一技术，并取得显著成果。 流态化技术依靠流化床反应器来实现流化床反应器与传统的固定床 反应器有很大的不同，流化床反应器内颗粒始终悬浮于流体中并激烈运动， 整个床层像沸腾的水一样，具有类似液体的自由流动性，从而大大强化了 物质的扩散过程，提高了反应速度。高效率的传热作用易于加入或移出热 量，特别适合于石油天然气等化工中常见的强吸( 放) 热反应，对于催化 剂寿命较短或需频繁再生的场合，更具优越性。自本世纪4 0 年代初，石油 流化催化裂化工艺开发成功以来，其应用研究取得了许多重大进展，迄今 已渗透到石油、化工、冶会、原子能、环保等工农业生产的各个领域，并 已成为颗粒和粉体的制备、加工、改性、输送以及改善催化反应的有效手 段【。 1 1 2 颗粒分类方法 1 9 7 3 年，英国化学教授g e l d a a 在大量实验的基础上，提出了只适用于 气固系统的颗粒分类方法乜e l d a n 颗粒分类法，根据不同的颗粒粒度及 气、固密度差，将颗粒分为a ，b ，c d 四类，如图1 - l 所示： 第1 章前言中国石油大学( 华东) 硕十论文 童 耍 各 = 槭 型 髓 甲均粒径m m 图1 - 1g e l d a r t 颗粒分类法 a 类颗粒称为细颗粒或可气颗粒，一般具有较小的粒度( 3 0 1 0 0t a n ) 及表观密度( p g 0 0 1 6 n l s 1 ) 出现贯穿 沟流，床层内颗粒呈固定床状态，无法正常流化 添加声场后颗粒流化曲线如图3 - 3 ( b ) 一所示当声压级固定在1 0 0d b ， 声波频率在3 0 - - 3 0 0h z 范围内变化时，颗粒的最小流化速度先减小后增大， 在5 0h z 处出现极小值。在4 0 - - 6 0h z 的声波频率下，颗粒流化过程没有出 现沟流和节涌，出现类似a 类颗粒的流化行为，声波对颗粒流化行为的改 善十分明显。当频率大于或等于7 0h z 后，该类颗粒再次出现沟流和节涌， 无法正常流化 中国f 釉大学( 华东) 硕+ 论文第3 章超细颗粒卢场流态化 一营 两 ： l 娜l _ - - 1 c o c e 型 o _ o _ o q ，p _ 执乍吾 ； ： j 仁吨s 只瑚9 田 ；l 髓b e ： lu 如酬 隹i 笸 ；l 咿嘲耐 ： l u 如。鼢o 曲惦n 1 0n 1 5也 隹 u t m 曲 i l u 锄翻酐一 u ，( m 曲 图3 - 25 - 1 0n m s i 0 2 颗粒不同频率下的压降曲线 3 9 亩山一_皿q 宵也一d 司 一再也一、mq 一彤乱一，dq 第3 章超细颗粒声场流态化中国石油大学( 华东) 硕+ 论文 到习 k 一 4 j f 。| i u , ，：= 0 0 f l 刚b l l s 1 眦 3 3 磊 p 辱 l 咿嗡耐 型 巨 一 p o _ 仉中。呻 l 号 2j 藩旺 0 0 0 q 循0 1 0 0 1 5咖0 0 60 1 0 0 1 5 n 川m i l u ( m s 。) 图3 - 35 0 0n m s i 0 2 颗粒不同频率下的压降曲线 3 4 35 0 0n r a t i 0 ：流化行为 7 0g5 0 0n m t i 0 2 在无声场及声场存在时的床层压降曲线如图3 - 4 ( a ) - ( i 1 所示该类颗粒自然状态下出现一次聚团，装入流化床中发生粘壁，在无 声场气速较低时出现不平稳的流化现象，仅床层上部可以流化，底部为固 定床，随气速升高底部固定床颗粒逐渐减少直至消失，此时最小流化速度 “= 0 1 3 6 m s 。 当声压级固定在1 0 0d b ，声波频率在3 0 - - 3 0 0h z 范围内变化时，颗粒 一日乱一、正司 (e也一d司 一再正一，dq 一再乱一d司 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超细颗粒声场流态化 的最小流化速度呈现增大趋势。添加声场后，该类颗粒在流化过程中出现 分层现象，颗粒的流化区域增大，肉眼观察为三层：颗粒表层聚团较少， 分散性好，在气流及声场的作用下可以流化；颗粒底层形成球状二次聚团， 气体从聚团缝隙穿过，聚团直径在4 0 5m m 之间，呈固定床状态；中层 聚团直径明显减小，呈半固定床状态。推测出现该现象的原因是啊0 2 流化 过程中床层膨胀小，空隙率小，声波无法穿越床层到达底部达到破碎大聚 团的作用。 言 正 f a 言 正 芷 司 母 乱 ￥ 也 司 型 f懦 乍 ： i , 曰d i - k ：i 嗣- 鼬9 国 i i u ：o l o l m s； l u r ：g 0 5 m f 穗俚 n 白 !l f j 习卜 ：i u ：0 0 9 r n s ； l u v ：( x i g n s n 循b 乍a 莒 i 乍m v zl 砌心 i t ：自1 3 0 l - zl 咖0 0 5 呻0 1 50 b ) 洒g 1 0 峭锄惦q 1 0q 1 5 衄 u ，价曲 u ，价曲u ，岍曲 图3 45 0 0n m t i 0 2 颗粒不同频率f 的压降曲线 4 1 第3 章怒缓颗粒声场流淼讫孛嚣石油天学( 华东) 硕士论文 3 4 43 0n m t i 0 2 流化行为 7 鬈3 0 n m t i 0 2 豹压簿麴线热瓣3 - 5 ( a ) ( t 3 掰承。在无声璐存在霹，薅 气速增火，床中出现活塞流继而出现贯穿沟流，气速增大至o 1 2 5m s - 1 后 方实现流化。 浚稼径羹0 2 褒声场下熬滚纯避援与5 0 0n mt i 0 2 囊酝，耄予颓蕴麓毽 性较大，流化过程中出现球形及不) i 5 8 则聚团，聚阂尺寸较大，不规则聚团 可达5 m m 以上，实现平稳流化的声波频率区间与5 0 0 1 1 1 1 1 t i 0 2 棚近。当声 渡菝率程3 0 - 3 0 0h z 藏圈癌变铑跨，鬏粒滚纯熬焱，l 、滚继速发先减，j 、爱璜 加。 言 正 ： 3 - 5 a 型 b a 坤 争 僵( = - 3 0 h z 一 口” 一露 f g a sf l u i d i z a l| 辚翟， u 。印1 2 4 m r 3 ，5 d i 网 1 。4 _ 一 j 憎3 0 n m t i 0 2 p d ( 3 0 n m t i 0 2 i 广 搿闲 器秽i w 目l 搿l 糖8 龌l # 3 。o 报l u 7 0 0 5 7 m s 裂毪艚9 8 龉l 0 o o0 0 50 1 0 0 1 50 0 o s0 1 00 1 50 口o0 0 5o - 1 00 5 0 2 0 u l ( m s l l，i m 唔ju ( m - s ) 鹜3 - 53 0n m n 0 2 鬏鞭不嚣菝率节豹压簿魏凌 3 4 5 声压级对超细颗粒声场流态化的影响 图3 。6 是5 0 0l i r as i 0 2 在不同声压级下的压降曲线。在声波频察为5 0h z 一乱j d q 中国f l 油人学( 华东) 硕十论文第3 章超细颗粒卢场流态化 的条件下，对s p l = 1 0 0 ，1 0 2 5 和1 0 3 4d b 三个不同声压级下的颗粒流化进行 了考察。发现在声压级增加幅度较小的范围内，颗粒的压降曲线发生明显 的变化，呈现趋向于a 类颗粒的压降曲线，未出现活塞流，最小流化速度随 声压级的升高而迅速降低。声压级增加时，气流振动速度增大，剪切作用 增强，一方面使沟流难以稳定存在，抑制了沟流的形成；另一方面，对聚 团的破碎作用增强，使聚团变小，最小流化速度下降。 声波在介质中传播时，介质总要吸收一部分波的能量，一次波的能流 密度将随振幅的减弱而适当减小，这种现象叫做波的吸收或波的衰减。在 纯媒质中产生声吸收的原因是媒质的粘滞、热传导以及媒质的微观过程引 起的驰豫效应。由于媒质中的悬浮颗粒对媒质作相对运动的摩擦损耗，以 及声波对粒子的散射引起附加的能量耗散，是非纯媒质中声吸收的主要原 因1 3 “。气固两相流中声波的吸收和衰减则更为明显。显然，达到同样的流 化情况时声场强度要大于理论声场强度。随着床层深度的加深，作用在流 化床内部的声强也随之衰减，声场对聚团的作用也减弱，聚团的直径则变 大1 3 3 1 。 富 f 司广r厂 5 0 0n m s l 0 25 0 0n m s i 0 2 5 0 0n m s i 0 2 s i r ew a v es i r ew a v e f = - 5 0h z s p l = 1 0 34d bf = 5 0h z s p l = 9 98d bf 5 0h z s p l = 0 2 5d b s i r ew a v e u ( m s 4 u l ( m s l u l ( m s 1 ) 图3 - 65 0 01 1 1 1 1s i 0 2 不同声压级下压降曲线的对比 第3 章超细颗粒卢场流态化中国石油大学( 华东) 硕士论文 3 4 6 声波频率对超细颗粒声场流态化的影响 图3 7 为5 1 0n l ns i 0 2 在s p l = 1 0 0d b ，f = 3 0 、5 0 、9 0h z 声场条件下 床层底部颗粒聚团情况的电镜照片。床层底部受气体射流影响最大，纳米 颗粒极易形成孥实的大尺寸聚团，在涉及化学反应时影响颗粒间的传质传 热。当声波频率为3 0h z 时，小聚团较多且聚团尺寸相近，大体积聚团较 少且结构疏松。当声波频率为5 0h z 时，除松散、边界模糊的无规则聚团 岁 ，出现大尺寸趋近圆形的颗粒聚团，聚团紧实程度增加。当声波频率为 9 0h z 时，颗粒聚团尺寸进一步增大，形状为圆形或椭圆形。由此可见，穿 越床层到达底部的声波对颗粒聚团有破碎作用，使紧实的大聚团转变成疏 松结构甚至小聚团。 中国舳人学( 华东) 硕+ 论文第3 章超细颗粒声场流态化 图3 75 - 1 0b ms i 0 2 在不同声波频率下的电镜照片 ( a ) f = 3 0 ，( b k = 5 0 ，( c ) f = 9 0h z 根据经典s t o k e s k 打c h h o 铲s 公式 3 4 1 ，考虑媒质的粘滞和热传导效应后， 总的声吸收系数可表示为 口= 尘2 p o c 3 h 3 挣劫 p - ， 声波的吸收系数与声波频率的平方成正比关系，声波频率越高，在穿 越床层的过程中被介质吸收的越多，声波的传播距离越小，对颗粒流化的 辅助作用越小，这对声场流化不利，但高频声波可增大介质质点和聚团的 振动加速度，促使聚团破碎。反之，声波频率越低，在穿越床层的过程中 被介质吸收的越少，声波的传播距离越大，对颗粒流化的辅助作用越大。 在声波穿过床层的过程中，大部分声波被表层颗粒所吸收，因此表层颗粒 聚团尺寸小，数量少，易于流化。在颗粒膨胀比大，床层空隙率高的情况 下，能够穿越床层到达床层底部的声波才能对颗粒流化产生作用。另一方 4 5 第3 章超细颗粒卢场流态化中国石油大学( 华东) 硕+ 论文 面，声波频率太低时，振动周期太长，致使颗粒在初始扰动之后又迅速恢 复了粘结；而频率太高时，振动周期太短，致使颗粒跟随不上，两者都使 声波的作用效果削弱。因此，适宜的声场操作条件应兼顾考虑声波的衰减 和声波频率 3 5 - 3 9 。 中国i i 油人学( 华东) 硕1 ：论文第3 章超细颗粒卢场流态化 3 5 小结 声场的频率、声压级是外加声场流态化的关键参数，为了实现超细颗 粒的平稳流化，必须兼顾考虑以上两个因素。 ( 1 ) 声波频率。高频率声波在介质中衰减迅速，难以到达床层底部，但高频 声波可增大介质质点和聚团的振动加速度，促使聚团破碎。声波频率太 低时，振动周期太长，致使颗粒在初始扰动之后又迅速恢复了粘结；而 频率太高时，振动周期太短，致使颗粒跟随不上，两者都使声波的作用 效果削弱。适宜的声场操作条件应兼顾考虑声波的衰减和声波频率。随 声波频率的升高，颗粒的最小流化速度先降低后升高。 ( 2 ) 声压级。声压级增加，气流振动速度增大，剪切作用增强，沟流难以稳 定存在，同时对聚团的破碎作用增强，使聚团变小，最小流化速度下降。 声波频率4 0 一6 0h z ，声压级大于1 0 0d b 的外加声场能较好的穿越纳 米级和微米级颗粒床层，破碎聚团，超细颗粒稳定流化。 4 7 第4 章卢波波j 骺对超细颗粒声场流态化的影响中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章声波波形对超细颗粒声场流态化的影晌 4 。l 凝述 目的对外加声场流态化的研究主黉集中在对声波频率和声压级这两个 影确潮子静考察，焉声波波形辩超细颗粒外藤声场流悉亿的影晌尚无撤簪。 因不同波形的声波其传搔形式和作用形式不同，故推测其对越细颗粒强加 声场流态化会有不同的影响 本章在藤述基础上，以微米级淀粉颓粒霸纳米级s i 0 2 颗粒为实验物瓣， 对外加声场流态化中声波波形的影晌进行系统的研究，应用示波仪对不同 滚髟瓣声波遂季亍示浚，并痤建篱毳跨交换黠苓溺渡形下乡 麴声场改善怒细 颗粒流化质量的区别作出定性分析。 4 2 淀粉颗粒在不同波形声场下的流态化 戥淀耱鬏粒在歹麓始h z ，s p l = 1 0 6 9d b 静声场滚i 器纯为爨，说骥梦波 波形对微米级颗粒流淼化的影响。实验分别考查了淀粉颗粒在正弦波、方 波、升斜波帮s i n ( x ) x 强种波形下豹流亿情况，匿降蠡线如图4 ，l 所示。 出图4 1 可以看出，声波的波形对超细颗粒流化影响十分显落。在实验 物料、声波频率和声滕级相同的条件下，不同声波波形下的压降曲线醒别 显著。其中当声波波形秀正弦波时，淀羧颗粒滤健过纛孛未出瑗活塞浚秘 沟流阶段，床层膨胀比约为在散泡流化床中的2 3 倍，流化曲线与a 类颗 粒手努接近。誊声波波形兔方渡跨，流往过程裙始青溪塞滚产生，餐瓣瑟 消失，随后平稳流化。升斜波作用于流化床时，淀粉颗粒流化时出现活塞 流，隧鄂出现沟流，气速继续增大后流亿。当声波波形为s i n ( x ) x ，其流化 行为与淀粉颗粒在鼓泡流化床申流化纷为相似，出现活塞流和爨穿沟流， 当气遴增大至o ，1 1m f 后，淀粉颗粒才全部流化。 中国l i 油大学( 华东) 硕十论文第4 章声波波形对超细颗粒_ 南场流态化的影响 言 正 硭 司 言 山 芷 司 u l ( m s )u l ( m s - 1 ) 图4 - l 淀粉颗粒在不同声波波形条件下的压降曲线 4 35 - 1 0r i m s i 0 2 颗粒在不同波形声场下的流态化 以5 1 0 姗s i 0 2 颗粒在f = 5 0h z ，s p l = 1 0 0d b 的声场流态化为例，说 明声波波形对纳米颗粒流态化的影响。实验分别考查了s i 0 2 颗粒在正弦波、 方波、三角波和升斜波四种波形下的流化情况，压降曲线如图4 2 所示。 由图4 - 2 可以得出相似的结论。当声波波形为正弦波时，s i 0 2 颗粒的 流化过程未出现活塞流和沟流，流化曲线与a 类颗粒接近。当声波波形为 方波时，流化过程初始有活塞流产生，但瞬即消失，随后平稳流化。当声 波波形为三角波时，流化过程未出现活塞流。当声波波形为升斜波时，s i 0 2 颗粒的流化过程出现活塞流。 第4 章卢波波形对超细颗粒卢场流态化的影响中国石油人学( 华东) 硕十论文 型。一 k l 5 - 1 0 n m s i o z l l g n e w a v e i i f = i l s p l = i 昭l 传i ir a m p u p w a v e 州卅s 1 j 图4 - 25 1 0n ms i 0 2 颗粒在不同声波波形条件下的压降曲线 4 4 声波波形分析 采用t e k t r o n i xt d s2 2 0 型示波仪对信号发生器产生的声波波形进行示 波，分别得到i f 弦波( s i n e w a v e ) 、方波( s q u a r e w a v e ) 、升斜波( r a m p u p w a v e ) 、 三角波( t r i a n g l e w a v e ) 和s i n ( x ) x 五种波形曲线如图4 3 所示。 5 0 ， 1 1 t 1 1 一日d)，d司 一日d)、刍 中国f i 油人学( 华尔) 硕七论文第4 章声波波形对超细颗粒卢场流态化的影响 9 量 口 9 昌 o & 正弦波( s i n ew a v e ) b 方波( s q u a r ew a v e ) 5 1 第4 帮声波波形对超细颗粒声场流态化的影响中国石油大学( 华东) 硕十论文 s 耋 口 t 趱秘 “升斜波( r a m p u pw a v e ) t ( m s ) 中国f i 油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波波形对超细颗粒声场流态化的影响 e s i n ( x ) x 图4 - 3 正弦波、方波、升斜波，三角波及s i n ( x ) & 波波形示意图 将周期函数展开成由简单的周期函数例如三角函数组成的级数，即可 以把一个比较复杂的周期运动看成是许多不同频率的简谐振动的叠加m 。 将方波、三角波和升斜波进行傅里叶展开，可得以下各式： ( 1 ) 周期2 0m s 的方波其函数形式为： m ，= t 5 0 。嚣 降， 其傅罩叶级数展开式为： ，( f ) ：一型f s i n 互+ ! s i n 一3 m + 一1s i n 塑+ + 上s i n ( 2 n - 1 ) m 1 石i 1 031 051 02 n 一11 0 ， 0 t - b o o ，t 0 , + 1 0 ，+ 2 0 ，疗= 1 , 2 ，3 ，( 4 2 ) 由式( 4 - 2 ) 知，方波可看成是频率为去，面3 ，而5 百2 n - 1 、振幅为 一丝，一罂，一罂一黑的一系列正弦波的叠加。 l 3 石 5 石( 2 n n 石 。一 5 3 第4 章卢波波形对超细颗粒声场流态化的影响寥里砸塑态堂! 竺垒! 堡熊塞 f l & t 筑5 ) ，( r ) = 一1 0 t + 1 0 0 f 【5 , 1 5 ) ( 4 _ 3 ) 1 1 0 t 一2 0 0f p 5 , 2 0 ) 其傅聚叶级数展开式为： 朋= 一笋卜墨1 0 一；s m 斋+ 孬1s 砸嚣一丽ts t n 等+ 卜旷击s ；n 垦堡j o f 佃，w ：1 , 2 ，3 ， ( 4 - 4 ) 滋式( 奎4 ) 鲡，三麓波胃罄戏是鬏搴为去，蠢，蠢，2 n 2 0 - - m 蔓1 、羲旗菇 一鸳。+ 竺，一塑。一( - - d t _ = 乓4 0 r 0 戆一系列正弦波既叠加。 一7 ；一2 5 # z 一t 一西二虿7 鄹承朋点强驭列鼍删4 ( 3 ) 周期2 0m s 的升斜波其函数形式为： | 厂( f ) = 一5 t + 5 0t【0，20)(4_5) 其篱墼辞缀蘩艇嚣式为； 艄一l 。万。( s i n _ - 癌- j 1 蜘等十亏1s i n 3 磊n t 一；is i n 4 t 瘫。删”_ 雄is i n l m 。 o t 啼；f + l 谯 2 毽，撵= 1 , 2 3 。 ( 4 - 6 ) 由式( 4 _ 4 ) 知，升斜波可者成是频率为去，去，嚣3 ，蠢、振幅为 1 i o o 。十瓦i o o ，一i l o o 一( - 1 ) ”罢的系列芷弦波的藏加。 正弦波的函数形式可袭示为： 用= 5 0 s 嗉归5 0 s i n 0 0 ， l 螂 s i n ( x ) x 的函数夥式可袭示为： 中国j i 油大学( 华东) 硕士论文第4 章声波波形对超细颗粒声场流态化的影响 邝，50s i n ( 等t ) 竺斟， 佃睁。， 声波的能量通过空气的振t 动传递至床层内物料，不同波形的声波对超 细颗粒流化质量改善程度不同，实验表明正弦波对超细颗粒流化质量改善 作用最为显著，其它波形均次之。将方波、三角波和升斜波作傅罩叶变换 为用正弦函数表示的级数，即可以把一个比较复杂的周期运动看成是许多 不同频率的简谐振动的叠加，通过变换可知这三种声波均可以表示成一系 列不同频率、不同振幅的正弦声波的叠加，声波波形s i l l ( x ) x 则可看作是相 同频率、不同振幅的正弦声波的叠加。此种叠加使得其波峰和波谷偏离单 一频率、振幅如正弦波的波峰和波谷，流化床内的声压级分布发生变化， 从而削弱声波的辅助流化作用。 5 5 第4 章声波波形对超细颗粒声场流态化的影响中国石油大学( 华求) 硕士论文 4 5 小结 不霜波形静声波辩超缨鬏粒滚纯壤耋改善程度不阏，其串歪弦渡辫超 细颗粒流化质量改善作用最为显著。方波、三角波、升斜波等波形的声波 均可驻表示戒一系捌不同频率、振幅酌正弦声波静叠勰，多个频率、振幅 的正弦声波的叠加使得其波峰和波谷偏离单一频率的波峰和波舔，流化床 内的声压级分布发生燮化，削弱声波的辅助流化作用。 中国f i 油人学( 华东) 硕+ 论文第5 章结论 第5 章结论 1 超细颗粒磁流化床干法包裹改性和外加声场是改善超细颗粒流化质量的 有效方法。通过这两种方法，超细颗粒可实现类似g e l d a r t a 类颗粒的流 化行为。 2 超细颗粒磁流化床干法包裹后，颗粒表面趋于圆润，颗粒问粘性力有数 量级大小的降低，沟流和节涌得到有效抑制，在鼓泡流化床中可实现稳 定流化，床层压降接近或达到理论值。 3 超细颗粒磁流化床干法包裹实验中s i 0 2 粒径2 5t u n 或5 0 0b i n ，主客体 颗粒质量比3 - - 1 0 ，磁感应强度1 2 2 7m t ，包裹时间大于l o 分钟的包 裹效果最为理想，包裹后的淀粉颗粒可实现平稳流化。 4 超细颗粒外加声场后，有效地消除了流化床中的节涌，抑制了沟流，降 低流化床中超细颗粒聚团的尺寸，颗粒的最小流化速度减小。 5 相同频率下，声场强度越大，最小流化速度越低，聚团尺寸越小，流化 质量越好。相同声压级下，低频声波衰减较少，能较好的将能量传递到 床层底部。多个不同频率、振幅的正弦声波的叠加使得其波峰和波谷偏 离单一频率的波峰和波谷，削弱声波的辅助流化作用。本实验中声波频 率在4 0 - - - 6 0h z ，声压级高于1 0 0d b 的正弦波对超细颗粒流化质量改善最 为显著。 塑兰生l 主里! ! 些叁堂! 堡垒! 堕堡奎 符号表 k 磁力系数 日磁场强度，a m 1 h d 空穴的退磁强度，a m 4 以气泡直径，m 成铁磁性物质的密度，k g n l - 3 占。针状物中的空隙率 针状物底面圆的半径，m ，针状物的长度，m 岛流体密度，k g 一 p 。床层的平均密度，k n l - 3 唬。流化床中最大气泡直径，m 从介质的磁导率，h m - 1 “f 表观气速，m s 1 工铁磁性物质的体积分率 厂、m 声波频率，h z s p l 声压级，d b m 最小鼓泡速度，1 1 1 s 一 s 卅，初始流化时的床层空隙率 颗粒形状因子 三里坚型垡苎生! ! ! 垄立堡主堡奎 笪兰耋 卢流体粘度，p a s ”町最小流化速度，m s - 岛颗粒密度，昭m 。3 a 振动强度指数 岛气相密度，k g i d t _ ，颗粒粒径，m h h a m a k e r 常数 k 。n 包裹时间，m i n 口声吸收系数 z 热传导系数 c 恒容摩尔热熔，j 0 c t 0 0 1 ) 4 c ，恒压摩尔热熔，j ( k m 0 1 ) 。1 r 理想气体粘滞系数 c 粘滞媒体中声波的传播速度，m s i 乃气相密度，k g n l - 3 占床层空隙率 d ，单一颗粒等体积当量直径，m d 。等比表面积平均当量直径，m b 磁感应强度，t 参考文献中国石油大学( 华东) 硕士论文 参考文献 【l 】骆扳福，陈渍如，羯秀李摹等。气翱流态纯技零在矿椽分选的应用愈属 矿山，1 9 9 9 ；7 - 2 8 3 l 团g e l d a r td + t y p e so f g a sf l u i d i z a t i o n p o w d e rt e c h n o l o g y ，1 9 7 3 ；7 ：2 8 5 - 2 9 2 【3 】w a n gz ，k w a u km ，l i h f l u i d i z a t i o no ff i n e p a r t i c l e s c h e m i c a l e n g i n e e r i n gs d e n c e , 1 9 9 8 ；5 3 0 ) ：3 7 7 - 3 9 5 【4 】朱庆山，李洪钟c 类物料磁场流态化( i i ) 化工学报，1 9 9 6 ；4 7 ( 1 ) ： 5 争6 4 f 5 】寒庚出，李洪铮c 粪物辩磁场流态姥( i ) 。化工学擐，1 9 9 6 ；4 7 ( 1 ) ： 5 3 - 5 8 【6 】銎霍橙，李洪镑。横囱旋转磁场终弱下耧搜鬏粒滚杰证震鬣鳃改蓑，缘 工学报，2 0 0 0 ：1 2 ( 5 1 ) ：2 2 3 2 2 6 【7 】鼙秀蒲，鼗短波，煞藏等，磁场流诧床在熏亿工程中瓣应麓纯工遴震， 2 0 0 1 ：3 ：7 一1 1 【8 】e d w a r dk l e v y , i l a ns h n i t z e r , t o mm a s a k i ，e ta 1 e 蕊 c to f f i na c o l l s t i cf i e l d o nb u b b l i n gi nag a sf l u i d i z e db e d 。p o w d e rt e c h n o l o g y , 1 9 9 7 ；9 0 ：5 3 5 7 【9 】c h a oz h u ，g u a n g l i a n gl i u , q u ny u , e ta 1 s o u n da s s i s t e df l u i d i z a t i o no f n a n o p a r t i c l e a g g l o m e r a t e s ，p o w d e r t e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ；1 4 1 ：1 1 9 1 2 3 【1 0 c a h e = e r a , e k l e v y b u b b l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o u n d - a s s i s t e d f l u i d i z e db e d s p o w d e r t e c h n o l o g y , 2 0 0 1 ；1 1 9 ：2 2 9 - 2 4 0 【1 1 】p r u s s o ，r c h i r o n e , l 。m a s s i m i l l a , e ta l 。t h ei n f l u e n c eo f t h ef r e q u e n c yo f a c o u s t i cw a v e so rs o u n d - a s s i s t e df l u i d i z a t i o no fb e d so ff i n ep a r t i c l e s p o w d e rt e c h n o l o g y , 1 9 9 5 ；8 2 ：2 1 9 - 2 3 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文参考文献 【1 2 】骆振福，樊茂明，陈清如磁场流化床的稳定性研究中国矿业大学 学报，2 0 0 1 ；3 0 ( 4 ) ：3 5 0 3 5 3 【1 3 】c n a m ，r p f e f f e r , r n d a v e ，e ta 1 a e r a t e dv i b r o f l u i d i z a t i o no fs i l i c a n a n o p a r t i c l e s a i c h ej o u r n a l ，2 0 0 4 ；5 0 ( 8 ) ：1 7 7 6 - 1 7 8 5 【1 4 】y o s h i h i d em a w a t a r i ，y u j it a t e m o t o ，k a t s u j in o d a p r e d i c t i o no fm i m m u m f l u i d i z a t i o nv e l o c i t yf o rv i b r a t e df l u i d i z e db e d p o w d e rt e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ； 1 3 1 ：6 6 7 0 【15 】y o s h i h i d em a w a t a r i ，t e t s uk o i d e ，y u j it a t e m o t o ，e ta 1 e f f e c to fp a r t i c l e d i a m