（化學工藝專業(yè)論文）磁場協(xié)助作用下非磁性納米顆粒的流態(tài)化.pdf

上：j j0 1 l i 原創(chuàng)性聲明 1 1 1 11 1 11 11i iii i i ii ri ii y 1719 0 3 8 本人聲明，所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻均己在論文中作了明確的說明。 作者簽名： 學位論文版權使用授權書 本人了解中南大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校 有權保留學位論文并根據(jù)國家或湖南省有關部門規(guī)定送交學位論文， 允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內 容，可以采用復印、縮印或其它手段保存學位論文。同時授權中國科 學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡向社會公眾提供信息服務。 作者娩埠聊簽名酵 。 中南大學碩十學位論文摘要 摘要 本實驗以非磁性納米s i 0 2 、z n o 和t i 0 2 為原料，首先考察他們 在直徑為5c m 的圓柱型有機玻璃流化床中的流化性能，發(fā)現(xiàn)在低氣 速下床層易形成活塞、溝流和大聚團，壓降波動較大，增加氣速，鼓 泡加劇，床中出現(xiàn)分層和揚析現(xiàn)象，聚團尺寸大，分布較寬，固定床 較高，床層膨脹較小，流化效果較差。磁場能的引入可以有效的消除 節(jié)涌，減小聚團平均尺寸和整個床層的偏析，顯著改善了納米顆粒的 流化質量。 實驗同時考察了流化時間，表觀氣速，磁場強度和磁性粗顆粒添 加量對聚團大小的影響。結果表明：給以納米顆粒一定的流化時問可 以得到更穩(wěn)定的聚團，實驗中s i 0 2 為1 0m i n ，z n o 和t i 0 2 為5m i n ； 較高的氣速可以導致較小的聚團，本文中最佳氣速為o 11 3 2m s ；在 磁性顆粒不凝聚的情況下，較大的磁場強度和磁性粗顆粒添加量可以 減小流化聚團的尺寸。 根據(jù)納米顆粒聚團在磁場流化床中碰撞能、有效磁場能、剪切能 和黏性能的平衡分析，建立了估算聚團大小的能量平衡模型，據(jù)此模 型計算了幾種黏性顆粒在磁場流化床中形成的聚團大小，計算結果與 床層流化后實測的聚團大小較接近。 通過對能量平衡模型的分析，得到了聚團或顆粒團聚與破碎的準 則。并進一步分析了聚團團聚與破碎的可能性。在磁場流化床中，不 同大小的聚團相互碰撞，是分離、破碎還是團聚，取決于黏性顆粒的 物性( 如顆粒密度、黏性、大小等) 、操作條件( 如表觀氣速) ，磁場 強度和磁性顆粒添加量。實驗與理論分析均表明，高表觀氣速，低顆 粒黏性，大的磁場強度和磁性顆粒添加量對黏性顆粒聚團流態(tài)化比較 有利。因此，對給定的黏性顆粒，應盡量選用較高的表觀氣速、以及 在不發(fā)生磁性顆粒凝聚的情況下，選用較大的磁場強度和磁性顆粒添 加量。 關鍵詞納米顆粒，磁場流化床，聚團大小，磁場參數(shù)，能量模型 中南大學碩士學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro fn o n m a g n e t i cs i 0 2 ，z n oa n dt i 0 2 n a n o p a r t i c l e s i n p l e x i g l a s s c o l u m nw i t ht h ed i a m e t e ro f5c mi s i n v e s t i g a t e d p l u ga n dc h a n n e l i n gi nt h et r a d i t i o n a lf l u i d i z e db e dw e r e o b s e r v e di nt h el o w e rs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e s t h ep r e s s u r ed r o p f l u c t u a t e de x t e n s i v e l y b u b b l i n ge n l a r g e dw i t hi n c r e a s i n gg a sv e l o c i t y d e f l u i d i z a t i o n ，e l u t r i a t i o na n dl a r g ea g g l o m e r a t ea p p e a r e d t h eb e d e x p a n s i o n r a t i ow a ss m a l l s ot h ef l u i d i z a t i o n p e r f o r m a n c e o f n a n o p a r t i c l e s w a s p o o r i nt h et r a d i t i o n a lf l u i d i z e db e d d u et o i n t r o d u c t i o no f m a g n e t i c f i e l d e n e r g y , t h es l u g g i n g o fb e dw a s d i s a p p e a r e d ，t h e m e a s u r e d a g g l o m e r a t e s i z ew a sd e c r e a s e da n d f l u i d i z a t i o nq u a l i t yw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a tt h es a m et i m et h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r ss u c ha sf l u i d i z a t i o nt i m e ， s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , m a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n to ft h e c o a r s em a g n e t so ns i z eo fa g g l o m e r a t e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tm o r es t a b l ea g g l o m e r a t e sc o u l db eg o tt h r o u g hac e r t a i nf l u i d i z a t i o n t i m e t h ef l u i d i z a t i o nt i m eo fs i 0 2w a s10m i n ，a n dz n oa n dt i 0 2 n a n o p a r t i c l e sw e r eb o t h5 m i ni nt h ee x p e r i m e n t b o t ht h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e rg a sv e l o c i t yl e a d e dt oa s m a l l e r a g g l o m e r a t es i z e i ft h e c o a r s e m a g n e t sd o n o t h a p p e n c o n d e n s i n g ，l a r g e rm a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n to ft h ec o a r s e m a g n e t sm a y l e a d st oad e c r e a s i n go ft h ea g g l o m e r a t es i z e am a t h e m a t i c a lm 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 si s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fe n e r g yb a l a n c eo ft h ea g g l o m e r a t ec o l l i s i o n e n e r g y , m a g n e t i cf i e l de n e r g y , e n e r g yg e n e r a t e db yh y d r o d y n a m i c ss h e a r a n dc o h e s i v ee n e r g yi nm f b t h es i z eo fa g g l o m e r a t eo fc o h e s i v e p a r t i c l e si sc a l c u l a t e dw i t ht h i sm o d e l t h ee q u i l i b r i u ma g g l o m e r a t e s i z e s c a l c u l a t e d b y t h i sm o d e la r ei nr e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t ht h e e x p e r i m e n t a lv a l u e s a g g l o m e r a t i n ga n db r e a k i n gc r i t e r i a a r eo b t a i n e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h es o l u t i o no ft h ee n e r g yb a l a n c em o d e l t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a th i g h e rs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , l o w e rc o h e s i o no fp a r t i c l e s ，l a g e rm a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n t o ft h ec o a r s em a g n e t sa r ea d v a n t a g e o u st ot h ea g g l o m e r a t ef l u i d i z a t i o no f 中南大學碩士學位論文 a b s t r a ( 玎 c o h e s i v ep a r t i c l e s k e y w o r d s ：n a n o - p a r t i c l e s ，m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，a g g l o m e r a t e s i z e ，m a g n e t i cp a r a m e t e r s ，e n e r g ym o d e l i l i 中南人學碩士學位論文目錄 目錄 摘要一1 f l b s t r a c t i i 第一章實驗背景和文獻綜述1 1 1 弓i 言一l 1 2 納米顆粒2 1 2 1 納米顆粒的定義及其應用2 1 2 2 納米顆粒的團聚原因2 1 3 聚團大小的測量3 1 4 磁場流態(tài)化一5 1 4 1 磁場流態(tài)化的發(fā)展歷史6 1 4 2 磁場對床層流態(tài)化行為的影響7 1 5 磁場流態(tài)化的模型及應用研究1 0 1 5 1 磁場強度與氣泡大小模型的基本假設1 0 1 5 2 氣泡頂部針狀結構的受力分析1 0 1 5 3 磁場流化床的穩(wěn)定性判據(jù)1 l 1 5 4 強磁場下鐵磁性物質發(fā)生凝聚的判定12 1 5 5 磁場流態(tài)化的應用研究1 3 1 6 聚團大小的預測模型1 5 1 6 1 力平衡模型15 1 6 2 能量平衡模型一17 1 6 3 半經(jīng)驗模型一1 7 1 7 選題的意義一l8 第二章實驗體系2 0 2 1 實驗裝置2 0 2 2 實驗物料2 0 2 3 操作條件和實驗方法2 1 第三章納米顆粒聚團大小2 3 3 1 納米s i 0 2 的聚團大小變化2 3 3 1 1 納米s i 0 2 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團大小2 3 3 1 2 納米s i 0 2 在磁場流化床中的流化特征和聚團大小。2 3 3 2 納米z n o 的聚團大小變化2 6 i v 中南大學碩士學位論文 目錄 3 2 1 納米z n o 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團大小。2 6 3 2 2 納米z n o 在磁場流化床中的流化特征和聚團大小。2 7 3 3 納米t i 0 2 的聚團大小變化2 9 3 3 1 納米 r i 0 2 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團大小2 9 3 3 2 納米t i 0 2 在磁場流化床中的流化特征和聚團大小3 0 第四章粘性顆粒磁場流化床中的能量平衡模型3 3 4 1 模型的導出3 3 4 1 1 碰撞能3 3 4 】2 磁場能3 4 4 1 3 黏性能3 6 4 1 4 流體剪切能3 8 4 2 結果和討論3 9 4 2 1 能量方程的分析3 9 4 2 2 三種顆粒聚團的實驗值和估算值的比較4 0 4 3 團聚與破碎原因分析4 1 4 3 1 團聚原因分析4 1 4 3 2 破碎原因分析4 2 4 4 ，j 、結z h 第五章結論4 5 展望4 7 符號說明4 8 參考文獻5 1 致謝6 0 攻讀學位期問主要研究成果6 1 v 中南大學碩士學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 1 1 引言 第一章實驗背景和文獻綜述 流態(tài)化技術可泛指為通過流體運動使固體顆粒懸浮并進行某種操作的過程 【l 】。根據(jù)流體相的不同流態(tài)化可分為三種類型：氣固流態(tài)化、液固流態(tài)化、氣 液固流念化。當流體對固體顆粒的曳力與固體顆粒自身重力相接近時，固體顆 粒就處于懸浮狀態(tài)并具有許多液體的性質，比如料面能像液面一樣保持水平或波 動、具有良好的流動性等。相對與固體顆粒不動的固定床而言，流化床具有較高 的傳熱傳質效果、能實現(xiàn)連續(xù)操作和反應以及大規(guī)模處理粉末材料等優(yōu)點。隨操 作流體速度的不同，流化現(xiàn)象大體可分為五個階段：起始流化床、散式流化床、 鼓泡流化床、騰涌流化床、氣力輸送。由于多相流的復雜性以及對顆粒間微觀作 用機理認識的不足，難以精確區(qū)分不同的流化階段，目前主要采用對流化床中氣 泡行為的研究以及床層壓力波動信號分析的方法來確定。近年來對流態(tài)化的研究 集中在新型反應器的丌發(fā)設計和模型放大以及應用研究等方面，其中循環(huán)流化 床、快速流化床、噴動床、外力場作用床等具有良好的工業(yè)應用前景。 流態(tài)化技術廣泛應用與化工、石化、冶金、能源、材料、生化、環(huán)保、制藥 等領域中，典型操作過程及應用如表1 1 。 表1 1 流態(tài)化典型操作過程及應用 操作過程優(yōu)點典型應用舉例 干燥、移處理量大，溫度容易控制，酵母與m b s 樹脂干燥【2 1 、聚氯乙 熱、吸附能耗小，傳熱、傳質速率高稀樹脂干燥3 1 、丁烯氧化脫氫移熱 【4 】 物料混合、操作較安全、混合均勻，可 包涂、造粒包涂外表復雜的物件 合成反應催化劑容易實現(xiàn)再生，良好 的流動性能和大熱容量 烴類加工 轉化率高，催化劑活性高、 選擇性好、容易再生 礦石焙燒處理量大，移熱、輸送方便， 燃料燃燒較完全 煤的燃燒熱容量大，宜控溫，傳熱系 數(shù)高，低污染 微生物培溫度容易控制，可連續(xù)生產(chǎn) 養(yǎng) 粉狀油漆對會屬制件的包涂【5 】，粒 狀尿素表而硫磺的包覆【6 】 鄰苯二甲酸酐合成【7 】，醋酸乙烯合 成【8 】丁烯氧化制丁二烯【9 1 催化裂化【l o 】，重油裂化【l l 】，費托 合成f 1 2 1 鐵礦的預還原【1 3 】，氧化鋁煅燒【1 4 】 循環(huán)流化床鍋爐【1 5 】 線狀真菌的培養(yǎng) 由于對傳統(tǒng)流化床以及a 、b 類顆粒流態(tài)化的認識已較為成熟，對流態(tài)化的 研究重點已轉到新型流化床反應器的設計開發(fā)與工業(yè)放大上。然而近年來各種納 中南大學碩士學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 米材料的不斷出現(xiàn)引起了多方變革，其巨大的比表面積以及各種特殊的物理和化 學性能有很多潛在的應用價值，許多研究領域由此而產(chǎn)生了新的研究內容和方 向，流態(tài)化技術就是其中之一。 1 2 納米顆粒 1 2 1 納米顆粒的定義及其應用 納米顆粒是粒徑范圍為0 1 1 0 0n n 3 的一類顆粒的總稱，屬于g e l d a r t 分類中 的c 類顆粒【l6 1 。納米顆粒由于粒徑較小、比表面積較大，具有突出的表面效應， 即顆粒易團聚和熱穩(wěn)定性差，還有許多優(yōu)異的物理和化學性能，如光學性能、磁 學性能、電學性能、催化性能等，使得其應用技術研究成為當前世界上研究的熱 點，流態(tài)化技術就是其中之一17 強】。 原生納米顆粒由于粒徑很小，導致分子間引力、靜電力以及液體橋力等作用 力非常巨大，在自然堆積過程中容易形成小聚團，稱為一次聚團或自然聚團，粒 徑一般在十幾個微米左右；在流化過程中，一次團聚物在內部黏附力與外部流體 剪應力共同作用下會進一步形成一種結構松散的流體力學聚團，稱為二次聚團或 流態(tài)化聚團。二次團聚物一般難以直接觀測到，因為它結構松散，停止流化時， 通常二次團聚物結構隨之解體，二次團聚體的大小可由一次團聚物起始流化速度 或模型化方法計算得到，其粒徑一般約為幾百微米【1 9 圳】。 有關納米顆粒的流態(tài)化目前已有許多研列2 2 。8 1 ，但是由于納米顆粒的原生粒 徑非常小，不能像a 、b 類顆粒那樣以單個顆粒的形式流化，在非常低的氣速下 就會被帶出，在傳統(tǒng)的流化床中易出現(xiàn)活塞、溝流和聚團等不良現(xiàn)象，難以實現(xiàn) “正常 流化。納米顆粒的流態(tài)化特性一般表現(xiàn)為：表觀氣速較低時，流化床中 顆?？赡艹驶钊缴仙驕狭?；表觀氣速增大，床層分裂，形成大小不一的聚團， 底部聚團較大，多呈固定床，上部為小聚團或單顆粒流化床；當表觀速度增加到 一定值時，納米顆粒一般以聚團的形式流化，即聚團流態(tài)化。 超細、微細及納米顆粒由于尺寸微小，分子間的作用力巨大，在傳統(tǒng)的流化 床中難以實現(xiàn)良好流化，另外b 、d 類顆粒的流化性能也需要進一步提高。一些 研究者采用顆粒設計【3 9 4 2 1 、內部構件和床型設訓4 3 ，刪及流體設訓3 9 4 5 1 等方法來 改善它們的流化性能，取得了一定的效果。 1 2 2 納米顆粒的團聚原因 團聚現(xiàn)象是納米粉體制備及收集過程中的一個難題，目前已經(jīng)得到了越來越 多有關人士的重視。 納米顆粒由于粒度小，表面原子比例大，比表面積大，表面能大，處于能量 2 中南大學碩士學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 不穩(wěn)定狀態(tài)【蛔，因而很容易凝聚，團聚，形成二次粒子，使粒子粒徑變大，失 去納米顆粒所具備的特性，給納米粉體的制備和保存帶來了很大困難。造成納米 顆粒團聚的因素很多，歸納起來主要包括以下幾個方面： ( 1 ) 納米顆粒的表面效應所謂“納米顆?！钡谋砻嫘侵讣{米顆粒的 表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質上的變化。納米 顆粒具有很高的比表面積，當納米顆粒的粒徑在1 0n m 以下時，表面原子的比例 迅速增加，當粒徑降至1n m 時，表面原子比例高達9 0 0 6 0 以上，原子幾乎全部 集中到顆粒的表面，處于高度活化狀態(tài)，導致表面原子配位數(shù)不足和高表面能， 從而使這些原子極易與其他原子相結合而穩(wěn)定下來，可見，納米顆粒具有很高的 化學活性，表現(xiàn)出強烈的表面效應。 ( 2 ) 布朗運動f 4 7 】碰撞使得顆粒具有與周圍顆粒相同的動能，因此小顆粒 運動得快，納米小顆粒在做布朗運動時彼此會經(jīng)常碰撞到，由于吸引作用，它們 會連接在一起，形成二次顆粒。二次顆粒較單一顆粒運動的速度慢，但仍有機會 與其他顆粒發(fā)生碰撞，進而形成更大的團聚體，直到大到無法運動而沉降下來。 ( 3 ) 當顆粒細到一定粒徑以下，顆粒之間的距離極短，顆粒之間的范德華引 力遠大于顆粒自身的重力。表面原子或離子數(shù)的比例也大大提高，因而使其表面 活性增加，顆粒間的吸引力增大。同時，由于沖擊、摩擦及粒徑的減小，在粒子 的表面積累了大量的正電荷或負電荷，由于顆粒的形狀各異、極不規(guī)則，造成表 面電荷在新生粒子的拐角及凸起處聚集。產(chǎn)生靜電力從而團聚【4 8 1 。s i 0 2 顆粒是由 剛性、實心、極細的球狀顆粒組成，生成時眾多顆粒熔結在一起，形狀很不規(guī)則， 且納米s i 0 2 分子表面有很多的o h ，水分子很容易和表面的o h 生成氫鍵，具有 親水的強極性表面，它們之間由于氫鍵和范德華力的吸引而容易生成集結群，受 力后易分開，但很容易再集結【49 。 ( 4 ) 在超細粒子中，小尺寸效應和表面效應表現(xiàn)得更為強烈。使之與空氣或 各種介質接觸后，極易吸附氣體、介質或與其作用，晶粒生長的速度加快，從而 失去原來的表面性質，導致粘結與團聚【5 0 5 1 】。 1 3 聚團大小的測量 現(xiàn)階段主要有三種方法測量聚團大小。 第一種方法是采用顯微放大探頭與c c d 模型攝像機的耦合結構，視頻信號 送入攝像機或監(jiān)視器，視頻信號通過圖像卡轉換成數(shù)字信號，以進行計算機處理。 此方法的優(yōu)點是可測量密相床( 亦稱乳化相) 中的聚團大小，但由于粘性顆 粒極易粘附在顯微放大探頭的鏡片上，測量一下就需取出擦拭放大探頭。 第二種方法是在流化床外用光學系統(tǒng)可在線測量納米顆粒聚團的大小。用這 3 中南人學碩士學位論文 第一章實驗背景和文獻綜述 種光學系統(tǒng)得到了1 0 種物料的聚團大小，但無法測量o x 5 0 的，因為它與器壁 黏附在一起而無法得到其圖像。a p f 和a b f 兩種流型的聚團形狀如圖1 1 所示。 從圖中可以看出聚團不是球形的。假設聚團是球形的，據(jù)此給出了其中一種顆粒 的聚團大小分布，見圖1 2 。 圖1 - i ( a ) 散式流化( a p f ) 的聚團形狀r 9 7 4 ( 1 2n m ) 和( b ) 圖i - 2 鼓泡流化( a b f ) 的聚團形狀t i 0 2 ( 2 1 n m ) 10 0 。0 2 8 0 04 6 0 06 4 0 0 躦踟唧腓s i n ：細秘 圖1 2 典型的聚團大小分布，r 9 7 4 ( 1 2 n m ) 1 2 3 l 此方法的優(yōu)點是可連續(xù)測量稀相床中的聚團大小，但不能測量床層底部中的 聚團大小。 第三種方法是采用o x f o r dl a s e r sv i s i s i z e r t m 顆粒圖像分析儀( p d i a ) 研 究納米顆粒流態(tài)化時的團聚情況【2 4 】。激光器( m o d e lh s l l 0 0 0 ) 提供波長8 0 5n m 的脈沖紅外光。激光器用一個標準硅電荷傳感器和單色數(shù)碼相機( k o d a k m e g a p i x e lm o d e le s l o ) 連接起來。用激光從后方照亮研究區(qū)域，數(shù)碼相機捕 捉到聚團的陰影圖像。選擇的研究區(qū)域是流化床表面的噴動區(qū)。因為在此處聚團 剛離丌表面，可以觀察到聚團的行為，這個區(qū)域位于帶出區(qū)的下方，確保觀察到 4 喲 憾喲鼉 中南人學碩士學位論文 第一章實驗辛亨景和文獻綜述 的聚團尺寸具有代表性。從兩個方面證明是合理的：首先，整個實驗過程中沒有 觀察到尺寸分離的現(xiàn)象；另外，用v i s i s i z e r t m 測量時發(fā)現(xiàn)聚團的平均大小沒有 明顯變化。如果流化床中存在尺寸分離，那么在噴動區(qū)可以看到因高的固體循環(huán) 量而引起的聚團尺寸波動。激光和相機是觸發(fā)式的，所以單束的激光脈沖在拍攝 的每張圖片中可以“凍結”聚團的運動，最大速度是每秒3 0 張圖片。實驗之前， 把顆粒的一系列標準圖像存在處理軟件里以對圖像系統(tǒng)進行校準。由于制造商已 經(jīng)校準過，因此這些圖像的微米像素比是已知的。校準值根據(jù)透鏡的放大倍數(shù) 確定。在分析過程中，測量顆粒聚團的像素面積，通過校準得到相當?shù)木蹐F直徑。 由于實驗所用的放大倍數(shù)很大，所以通過v i s i s i z e r t m 得到的圖像區(qū)域比較 小( 4 - 9l l l l n ) 。這使得在連續(xù)圖像中跟蹤單個流化聚團比較困難。 用o x f o r dl a s e r sv i s i s i z e r t m 系統(tǒng)對流化聚團進行在線研究?？梢栽谟袣怏w 且存在相互作用的條件下得到聚團的特性。停止流化以后測量聚團大小的方法得 不到這些動力特性。在線測量很重要，因為流化過程中高粘性顆粒的聚團大小會 發(fā)生變化，這與靜態(tài)不同。 研究納米顆粒聚團時必須考慮流動狀況的影響。因為氣體的流動、固體的循 環(huán)及頻繁碰撞會影響聚團的結構，流化聚團與靜態(tài)聚團有很大的不同。 我們對幾種使用相對廣泛的取樣測量方法進行比較總結，根據(jù)實驗的實際情 況，取長補短，設計出一種操作簡單，取樣準確的微小裝置，在線取樣，然后在 流化床外用金置正相顯微鏡觀察，并測定聚團大小。 1 4 磁場流態(tài)化 流態(tài)化現(xiàn)象是一種由于流體向上流過固體顆粒堆積的床層而使得固體顆粒 具有一般流體性質的現(xiàn)象?；瘜W工業(yè)中廣泛使用流態(tài)化技術實現(xiàn)以流固相為對 象的物理和化學加工。傳統(tǒng)流化床一方面具有固體輸送方便、傳熱能力強及操作 壓降低等優(yōu)點；但另一方面也存在著返混嚴重、流一固相接觸效率低等缺點，因 此發(fā)揚傳統(tǒng)流化床的優(yōu)點，克服其缺點，開發(fā)具有突破性進展的流一固相反應器 已成為當f ； 技術進步的迫切需要。 運用外加能量來強化流固相反應過程正是順應了這種技術需要而產(chǎn)生的， 實驗已經(jīng)證明，外力場可以有效地削弱和克服黏性顆粒之間的黏聚力，減小聚團 尺寸，從而改善黏性顆粒的流態(tài)化質量。常用的外力場有振動場、聲場和磁場， 還有離，t l , ( 超重) 力場和攪拌力場等。振動流態(tài)化技術的研究主要局限在流體力 學和熱量傳遞、干燥特性以及振動參數(shù)的影響方面，振動流化床作為化學反應器 的研究還有待于加強。有研究者認為在實際工業(yè)化的大型裝置中采用振動這種方 法進行大規(guī)模生產(chǎn)有一定難度，由于引入了振動，設備的復雜性增加了，機械也 5 中南大學碩十學位論文 第一章實驗背景和文獻綜述 成為影響振動流化床發(fā)展及大型化的障礙之一。聲場流態(tài)化是將聲波從流化床頂 部或底部傳入流化床中，達到某種效果，目前對聲場協(xié)助下的流態(tài)化研究還處于 實驗階段。n o w a k 等人【5 2 ，5 3 】研究了聲場作用下細顆粒的流態(tài)化與傳熱特性。發(fā) 現(xiàn)加入低頻率的聲場可以明顯改善流動性差的細顆粒的流化質量。當聲頻調至共 振頻率時可以得到最高的床層膨脹和最高的傳熱效率。通過調整聲場的強度與頻 率，還可以減少床層中細粉的夾帶損失。磁場流念化是流態(tài)化技術與電磁技術相 結合的產(chǎn)物，是一種高效、新型的流態(tài)化技術。當固體顆粒為鐵磁性物質( 即在 磁場作用下具有磁性并接受磁場的作用) ，或固體顆粒中混有相當數(shù)量的鐵磁性 物質時，外力場會明顯影響顆粒物料的流態(tài)化行為，防止氣泡與顆粒聚團的形成 與長大，從而改善流化質量。郭慕孫最先提出利用交流電機產(chǎn)生旋轉磁場的原理 進行旋轉磁場流態(tài)化研究的設想。朱慶山、李洪鐘【5 4 】對磁場作用下c 類物料流 態(tài)化行為進行了反復觀測和深入分析，發(fā)現(xiàn)磁場對流化質量的改善主要是由于鐵 磁性物質在磁場力的作用下沿著磁力線方向形成很多針狀結構的結果。朱慶山、 李洪鐘【5 5 】對超細顆粒的磁場流念化機理進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)磁場能有效的消 除流化床內的溝流，使穩(wěn)定的流態(tài)化操作得以實現(xiàn)。也有人【5 6 5 7 j 基于兩相流理 論和粒子流動動力學，利用數(shù)值模擬觀察了在磁場流化床中的鐵磁體的流化行 為，發(fā)現(xiàn)磁場強度可以有效抑制流化床中大氣泡的長大，并實現(xiàn)穩(wěn)定流態(tài)化，在 沿床高的梯度磁場中，顆粒之間的磁場力和梯度磁場力隨著磁場強度的增加而增 加。隨著磁場強度的增加，氣固之間的剪切力先減小然后增加。 1 4 1 磁場流態(tài)化的發(fā)展歷史 物料為磁性顆粒的流化床，通過外加磁場來控制床層結構、顆粒的運動和氣 泡的性質，這種流化床稱為磁流化床。適當控制外加磁場，可消除磁流化床床層 內的氣泡，形成磁穩(wěn)流化狀態(tài)。這優(yōu)于快速流化床需要高氣速、大量顆粒的捕集 和循環(huán)來達到無氣泡的目地。由于磁流化床集固定床與傳統(tǒng)流化床的優(yōu)點于一 身，被認為是最有前途的新型反應器之一，它的主要優(yōu)點如下：( 1 ) 有效地抑制 流體的返混，使流體停留時間分布得以明顯地改善；( 2 ) 有效地抑制氣泡的長大 和溝流的發(fā)生；( 3 ) 可以采用細的粒子而無需擔心過大的壓降；( 4 ) 增大流化床 的操作范圍，增加設備的生產(chǎn)能力【5 8 9 1 。 磁場流態(tài)化如果從流化介質劃分，它可分為液固磁場流念化、氣固磁場流 態(tài)化和氣液固三相磁場流態(tài)化；如果從磁場強度方面劃分，它可分為穩(wěn)恒磁場流 態(tài)化和交變磁場流態(tài)化；如果從磁場方向劃分，它可分為軸向磁場流態(tài)化和橫向 磁場流態(tài)化1 6 0 1 。f i l i p p o v t 6 1 ，6 2 】于1 9 5 9 1 9 6 1 年間最早開展磁場流態(tài)化的研究，他用 交變磁場研究了水鐵粉體系，得到了此體系的近似相圖。t u t h i l l 在其1 9 6 9 年申請 6 中南大學碩十學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 的專利【6 3 1 中最早提出“磁穩(wěn)流化床”( m s b ) 的概念，其研究表明磁場既能壓縮 純鐵磁性物料與非鐵磁性物料混合體系流化床內的氣泡，并且還指出磁場強度大 小要合適，既要能有效地壓縮氣泡，又不能使顆粒團聚的過大。從7 0 年代開始人 們才系統(tǒng)地研究了磁場流態(tài)化，7 0 年代中后期西方學者對磁場流態(tài)化的研究日益 重視，其中美 e x x o n 公司r o s e n s w e i g 的研究成果最為突出，他于1 9 7 8 年到1 9 7 9 年間獲得兩項關于磁穩(wěn)流化床的專利，并對m s b 作了系統(tǒng)的研究。這些研究涉 及：均勻磁場與非均勻磁場的作用；a c 與d c 產(chǎn)生磁場對流化質量影響的比較； 磁場強度的影響以及鐵磁性物質與非鐵磁性物質混合分率對流化質量的影響等。 根據(jù)其研究結果，將磁場作用下流化床的流化行為分為三個階段：( 1 ) 固定床； ( 2 ) 穩(wěn)定流化床；( 3 ) 不穩(wěn)定流化床，并且還陳述( 1 ) 、( 2 ) 階段用起始流化 速度u 襪區(qū)分，( 2 ) 、( 3 ) 階段以鼓泡流化速度u m b 為界。他的研究還表明：( 1 ) 空間、時間均勻的磁場優(yōu)于空間、時間不均勻的磁場；( 2 ) 磁場能提高流化床的 操作范圍；( 3 ) 鐵磁性物質與非鐵磁性物質的混合物能很好地實現(xiàn)流態(tài)化，并且 還指出要使流化床能穩(wěn)定操作，最好的鐵磁性物質體積百分率在2 5 到5 0 之 問。s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 6 4 j 詳盡研究了磁場強度對m s b 的影響，研究表明弱磁 場有利于床層的流化質量，當磁場強度很強時，整個床層就被磁力凝結在一起， 不能實現(xiàn)流態(tài)化。h r i s t o v l 6 5 】對比了“前磁化 和“后磁化 的流化過程?！扒?磁化”指的是在起始流化之前床層為固定床時就加入磁場?！昂蟠呕敝傅氖钱?床層達到起始流化時再加入磁場。研究表明，“前磁化”床型包括固定靜止床、 磁穩(wěn)床、磁鏈固定結構床、磁鏈穩(wěn)定流化床、磁鏈鼓泡床和磁聚床； “后磁化 床型包括傳統(tǒng)鼓泡床、鼓泡磁鏈流化床、磁鏈均勻流化床和磁聚床。9 0 年代各國 都非常重視磁場流態(tài)化的研究，國際著名刊物p o w d e r t e c h n o l o g y 為此出了?？?， 介紹磁場流態(tài)化研究的最新成果。 1 4 2 磁場對床層流態(tài)化行為的影響 對m s b 磁場的研究主要有兩大類：軸向磁場和橫向磁場，每一類又可分為 穩(wěn)恒磁場和交變磁場兩種。磁性顆粒在流化床中除了受重力、浮力、曳力作用外 還受磁場力以及在較高磁場下被磁化顆粒之間的相互作用力，隨著磁場強度的變 化表現(xiàn)出不同的流化現(xiàn)象，如圖1 3 。s i e g e l l 等人m 】研究過a c 及d c 產(chǎn)生的磁 場對床層流化行為的影響，實驗發(fā)現(xiàn)d c 磁場的操作范圍大于a c 磁場的。s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 詳盡研究了磁場強度對流化行為的影響，表明在弱磁場的作用下， 顆粒問的磁場力較小，床層壓降始終接近w a ，床層料面平穩(wěn)，床層中偶爾有 氣泡出現(xiàn)，流化質量較好；在中等強度磁場的作用下，磁場力對床層流化行為有 相當?shù)挠绊?，在氣速超過起始流化速度u m f 后，流化床主要由氣泡和溝流組成， 7 流化性能改善不很顯著；隨添加量增加到一定程度，所有的較大聚團在床的中下 部( 磁場的作用范圍) 被破碎，以小聚團的形式流化，床上部的小聚團相互碰撞， 可能再次聚集，下沉到床的中下部后被運動的磁性大顆粒破碎。從而，整個床層 能以小聚團的形式流化。 朱慶山等【6 7 】系統(tǒng)地研究了c 類鐵粉、鐵粉與鐵黃和鐵粉與白炭黑體系的流念 化行為，發(fā)現(xiàn)單獨流化非鐵磁性物質鐵黃時，無論加多大的磁場，均會在床內形 成溝流，不能實現(xiàn)穩(wěn)定的流化操作；而在鐵黃中加入很少的鐵粉( 5 體積) 后， 即使很小的磁場強度也能實現(xiàn)穩(wěn)定的流態(tài)化操作；實驗用雙光纖探頭測量了流化 床內的氣泡尺寸，并用所得到的氣泡尺寸作為衡量流化質量的定量標準，實驗測 定了不同條件下氣泡的尺寸，發(fā)現(xiàn)在表觀氣速相同時，氣泡尺寸隨著磁場強度的 增加而逐漸減小，但磁場強度太大會導致鐵粉和鐵黃分層或者鐵粉發(fā)生凝聚，因 8 中南大學碩十學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 此在特定條件下，磁場強度存在一個最優(yōu)的范圍。在相同的磁場強度下，隨著鐵 粉分率的增加，氣泡尺寸減小。 通過對磁場作用下c 類物料流態(tài)化行為的反復觀察和深入分析，發(fā)現(xiàn)磁場對 流化質量的改善主要是由于鐵磁性物質在磁場力的作用下沿著磁力線方向形成 很多針狀結構的結果。針狀結構對流化質量的改善主要有以下三個方面：( 1 ) 因 為針狀結構很容易從氣泡的頂部進入氣泡使氣泡破碎，這與傳統(tǒng)的“刀狀物”或 “指狀物破碎氣泡的機理相似；( 2 ) 針狀物對c 類顆粒的團聚物有破碎作用； ( 3 ) 當c 類粉體流化出現(xiàn)溝流時，在磁場力的作用下，溝道中會存在許多針狀 物，從而減小了溝道中氣體的流通面積，增加了氣體通過通道的阻力并且使整團 的c 類細粉分割成許多小塊，使床層的通氣性變好，提高了流化質量。 y u 等【6 8 】研究發(fā)現(xiàn)在低頻率的軸向磁場流化床中，床層中納米顆粒就可以達 到正常流化并且最小流化速度顯著降低，此外床層不會出現(xiàn)溝流或活塞等不正常 流化現(xiàn)象，床層均勻膨脹且無氣泡出現(xiàn)。 呂雪松等【6 9 ，7 0 】通過研究發(fā)現(xiàn)在橫向旋轉磁場中，流化添加鐵顆粒比例低的 混合顆粒體系時，不但可以使添加顆粒成鏈自旋還會使整個床層產(chǎn)生振動。其實 驗表明，橫向旋轉磁場適用于鐵顆粒含量少的混合顆粒的流態(tài)化，當磁場強度為 7 9 5 5a m ，磁性顆粒體積分數(shù)為1 0 ，可以獲得最高的流化質量；影響鐵顆粒 成鏈的主要因素是：頻率、場強、流體速度以及鐵顆粒的添加比例。 t h i v e l 掣7 1 】研究了在兩塊永久磁鐵產(chǎn)生的橫向磁場下氣一固m s b 的流體力 學特性，該系統(tǒng)平面層狀圖如圖1 4 所示。研究中發(fā)現(xiàn)即使是在磁性顆粒所占質 量分數(shù)比較小的情況下，也能讓系統(tǒng)處于一個磁穩(wěn)狀態(tài)，有較高的床層膨脹。如 果將其用于空氣過濾，一方面可以達到很高的除塵效率，另一方面可以減少能源 消耗。另外a t o d i r e s e i 等f 7 2 】提出了一種在交流和直流共同作用下形成的一種軸向 和橫向復合磁場m s b ( 如圖l 一5 ) ，并研究了其流體力學特性，發(fā)現(xiàn)由直流電源 產(chǎn)生的磁場對液速、磁場強度、床層膨脹以及床層壓降之間的關聯(lián)影響不大，振 動磁場下的床層壓降要低于相同系統(tǒng)下非振動磁場的。 圖1 4 磁性顆粒在磁場下的層狀結構 9 0 嘲眥肭刪蜘螂眺刪曬 o n c m 刪i m r t i e l e 曲噸l y 啦州 圖1 5 復合磁場m s b 的結構 溺麓，；巧囊犍薯誓 孵f。r隙”h f 卜“。；i 姚 中南人學碩十學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 1 5 磁場流態(tài)化的模型及應用研究 由于磁場作用下兩相流的復雜性，所以對磁場改善流化質量的機理至今尚未 研究得十分清楚，很多人在這方面作了有益的探索。 1 5 1 磁場強度與氣泡大小模型的基本假設 c 類物料磁場流態(tài)化的實驗研究表明：磁場力只能使流化床內的氣泡變小， 而不能使氣泡完全消失。在定的磁場下，床內存在一個最大穩(wěn)定的氣泡大小， 因此在推導磁場強度與氣泡大小的相互關系時使用了如下的基本假設： ( 1 ) 氣泡的破碎主要是由于鐵磁性物質形成的針狀結構從氣泡頂部進入氣 泡引起的；本研究只分析單個針狀結構對氣泡的破碎作用，并假定針狀結構的進 入能使氣泡破碎。 ( 2 ) 在一定條件下，流化床內存在一個最大穩(wěn)定的氣泡尺寸吃。；，按前述 氣泡破碎的機理，吒胂。受流化床內針狀結構大小的影響，即：廠( 元一，) = 0 。 當d b 吃舢。時，氣泡破裂占主要；當d b 以一。) 。 ( 4 ) 假設針狀結構為截面積相等的圓柱，忽略截面積不規(guī)則對氣泡破碎作 用的影響。 1 5 2 氣泡頂部針狀結構的受力分析 針狀結構共受5 個力：磁場力、流體的浮力、重力、氣泡對針狀結構的作用 力及流體對針狀物的曳力，在受力分析時取向下的方向為正方向。把流化床中氣 泡看成是長度為吃、電流為，的直導線，推導出針狀物所受磁場力為： e = 一k 日，( 日，一h a ) 以 ( 1 1 ) 負號說明針狀物受到的磁場力方向向上。式中k 的表達式如下： k ：拿棖j r , ( 1 - 2 ) 針狀物受到的重力為： 鬈= 肛( 1 一) g 萬諺 ( 1 - 3 ) 針狀物在床內受到的流體浮力可計算如下： l o 中南大學碩士學位論文第一章實驗背景和文獻綜述 c = 一乃g 萬砰 ( 1 4 ) 位于氣泡頂部的針狀物，在與氣泡接觸時還受到氣泡對它的作用力，此力方 向向上，其大小可以按下式近似計算： 圪= 一蘭風鰣 ( 1 5 ) 針狀物所受到的曳力可計算如下： 冗：一c d 阜甜z 4 ：址埤：一p s g l r c r ( 1 6 ) 綜合上面分析的各力，針狀物所受的合力可以表示如下： 艫= e + t + c + e + 局 ( 1 - 7 ) 當齲 0 時，針狀物受到的合力向下，針狀結構將進入氣泡，氣泡不穩(wěn)定。在一 定條件下床內存在的最大穩(wěn)定的氣泡尺寸可由下面的臨界條件給出 職i 如；矗。= 0 i1 - 8 ) 將式( 1 1 ) 、式( 1 - 3 - - - 1 6 ) 帶入式( 1 7 ) 后即可得磁控流化床中操作條件 與磁場強度之間的關系： 一k h ，( h f h d ) d b ，一+ 肛( 1 一乞) 萬彳，g 一乃萬乎一詈凡醒。一p b g l 萬# = 0 ( 1 - 9 ) 該式由于參數(shù)較多，難以用來計算針狀結構的大小。文獻m 采用攝像及圖像 模式識別系統(tǒng)，對針7 物大小進行了分析，運用無因次方法對針狀物長短與操作 條件的關系進行了分析，其結果如下： 取，乃，“g ) = 1 9 6 x 1 0 6 石n 0 2 l 5 7 2 u g 。0