接触式粘性力对颗粒流态化的影响机理研究

摘要

流化床反应器因其高效的传热传质与连续处理大量颗粒的能力，在不同工业领域中得到了广泛的应用。伴随着流化床处理对象与手段的多样化，颗粒性质经常发生改变，其中较为常见的是颗粒间出现以液桥力和固桥力为代表的接触式粘性力。粘性力的存在降低了颗粒的流动性，导致其流态化行为有别于传统的无粘颗粒，从而影响了流化床内的反应效率以及反应器的稳定运行。因此，揭示颗粒间接触式粘性力对流化特性的影响规律和机理，对此类流化床反应器的设计和运行具有重要的指导意义。但是，相较于无粘颗粒流态化丰富且逐渐完善的理论体系，对于接触式粘性力的研究仍然较为零散，缺乏系统深入的认知。
　　本文基于实验手段，在颗粒层面和颗粒体系层面上开展了接触式粘性力对流态化的影响机理研究，旨在加深对于此类颗粒体系运动特性的认知。全文主要的研究内容和成果如下:
　　(1)颗粒层面上，设计并搭建颗粒-平板含液膜碰撞系统，其中颗粒与平板间的粘性力通过调节液膜的粘度与厚度实现:提出采用横向扰动风赋予颗粒水平运动速度，实现颗粒与覆盖液膜的有机玻璃平板进行斜向碰撞的目标，克服了传统的倾斜平板法只能应用高粘度、低厚度液膜的缺点;借助布置在平板底部的透射光源，清晰地捕捉液膜和液桥几何形态的变化，同时基于图像处理技术准确获取了颗粒的运动轨迹和速度等动力学参数，为颗粒碰撞模型的构建奠定了坚实的基础。与准静态过程不同，碰撞中液桥的形成和发展呈现滞后性，而且液体惯性在碰撞中所占的比重越大，滞后效果越明显。液桥力对于反弹颗粒在法向方向上的动能损耗影响较大，对切向方向的影响较小。通过比较颗粒在碰撞全过程中发生的能量损耗可以发现，液桥力造成的动能耗损远小于其他阻力。在法向方向上，颗粒的能量耗损随液膜粘度和厚度的增加而增加，随碰撞速度的增加而减小;在切向方向上，能量耗损过程主要由液膜厚度主导:厚度较大时，液体主要起阻力作用，而当厚度较小时，液体主要起润滑作用。鉴于液膜厚度在碰撞中的重要作用，本文将其引入，对传统的表征碰撞过程的Stokes数进行修正，并结合液体弹性动力学理论和经典的流体力学理论首次提出了用于判断颗粒是否反弹的临界Stokes数模型以及用于衡量颗粒动能耗损的碰撞恢复系数模型，获得了较为准确的预测结果。
　　(2)颗粒体系层面上，利用“多聚物涂层”法引入接触式粘性力，通过调节涂层表面温度，改变多聚物粘性，实现控制颗粒间粘性力的目标，克服了传统引入方法粘性力分布不均且复现性差的缺点，同时基于图像处理技术提取不同粘性力作用下二维可视化鼓泡流化床中气泡的静态和动态特征参数。与无粘颗粒体系相比，粘性力的存在抑制了气泡在床中段的合并过程，促进了气泡在床层顶部区域的分裂过程。粘性力对床内整体的流化特性呈阶段式影响:在粘性力增加的初始阶段，乳化相的持气能力提高，气泡通过频繁的纵向合并从近似圆形过渡到竖椭圆形，减弱了床两侧颗粒的运动强度，导致当粘性力继续增大时，颗粒率先向床两侧粘结，床层膨胀比迅速降低，并最终以沟流的形式造成流化失效，而且当床内布置有埋管时，流化失效的进程加快。埋管的存在削弱了粘性力对气泡参数的影响，埋管周围的局部气泡分布特性同时受到颗粒间粘性力及埋管位置的制约。
　　(3)利用荷兰代尔夫特理工大学搭建的多源复合X射线断层扫描系统，首次重构出粘性颗粒在三维鼓泡流化床中的气泡形态，同时结合压力波动分析技术获取了丰富的流态化信息。实验结果表明，粘性力的存在促进了气泡合并，导致气泡尺寸上升，频率下降，最终在高粘性力作用下引发节涌，导致流化失效。与无粘颗粒流化不同的是，节涌产生的料栓在粘性力作用下能够完成“自我生长”，使得流化失效区域逐渐向布风板方向扩张。伴随着料栓的破碎，节涌与正常流化在床内交替产生，而且相较于自由气泡，节涌产生的气栓对粘性力更加敏感。由于气泡尺寸是触发节涌的关键参数，因此高粘性力、高流化风速等促进气泡生长的因素都将直接导致节涌持续时间的延长。与之相伴的气泡破裂、床层波动等相关性现象所激发的压力波主导了床内的压力波动，而且高粘性力下压力波沿高度方向的耗散规律与流化风速紧密相关。
　　通过比较二维床与三维床的实验结果可以发现，粘性力的存在降低了颗粒的流动性，使流化质量发生恶化。两种床型下，发生流化失效的粘性力区间基本一致。但是，流化床不同的几何特征直接导致了流化参数变化规律以及流化失效方式的差异，说明反应器几何尺寸对粘性颗粒体系流态化特性具有重要影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 颗粒体系层面

1．2．2 颗粒层面

1．2．3 现有研究的不足

1．3 本论文研究目标及研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究技术路线

1．4 本章小结

参考文献

第二章 实验系统及方法

2．1 引言

2．2 单颗粒-平板含液碰撞实验

2．2．1 实验系统

2．2．2 实验材料

2．2．3 实验工况及步骤

2．2．4 数据处理方法

2．3 二维可视化流化床实验

2．3．1 实验系统

2．3．2 实验材料

2．3．3 实验工况及步骤

2．3．4 数据处理方法

2．4 三维流化床实验

2．4．1 实验系统

2．4．2 实验工况及步骤

2．4．3 数据处理方法

2．5 本章小结

符号说明

参考文献

第三章 球形颗粒与平板的含液碰撞特性

3．1 引言

3．2 颗粒运动轨迹与速度

3．3 液桥特性

3．3．1 法向及斜向碰撞液桥形态对比

3．3．2 液膜厚度对液桥形态的影响

3．3．3 液膜粘度对液桥形态的影响

3．3．4 液桥几何形态

3．3．5 液桥力对颗粒反弹动能的损耗特性

3．4 碰撞恢复系数

3．4．1 法向碰撞

3．4．2 斜向碰撞

3．5 含液碰撞物理模型

3．5．1 临界Stokes数

3．5．2 碰撞恢复系数

3．6 本章小结

符号说明

参考文献

第四章 粘性Geldart B类颗粒在二维流化床中的鼓泡特性研究

4．1 引言

4．2 无埋管二维流化床中的气泡特性

4．2．1 气泡空间分布

4．2．2 气泡面积份额

4．2．3 气泡形状参数

4．2．4 气泡数量密度

4．2．5 气泡等效直径

4．2．6 气泡动态特性

4．3 有埋管二维流化床中的气泡特性

4．3．1 气泡空间分布

4．3．2 床内气泡份额

4．3．3 气泡形状参数

4．3．4 气泡数量

4．3．5 气泡等效直径

4．3．6 埋管周围气泡时均分布概率

4．4 本章小结

符号说明

参考文献

第五章 粘性Geldart B类颗粒在三维流化床中的流化特性研究

5．1 引言

5．2 压力波动分析

5．2．1 时域分析

5．2．2 频域分析

5．2．3 相关性分析

5．2．4 节涌时间比例

5．3 X射线断层扫描分析

5．3．1 气泡面积份额

5．3．2 气泡三维形态及分布

5．3．3 气泡频率

5．3．4 气泡等效直径

5．3．5 气泡上升速度

5．4 二维与三维流化床内流化特性对比

5．5 本章小结

符号说明

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 后续工作展望

致谢

作者简介

攻读博士学位期间的学术成果