导向管喷动流化床形状不规则粘附颗粒流动特性

摘要

导向管喷动流化床技术以其颗粒运动规律性强、操作粒径范围宽等优势，在包覆、造粒和干燥等工业过程具有极强的实用性及广阔的发展潜力。因此，床内气固两相流动关键参数的描述与调控，已成为材料、化工等领域所关注的热点问题。然而，在喷动流化过程中，难点问题在于其涉及形状不规则粘附性颗粒的流动及高温操作。目前国内外对形状不规则粘附颗粒复杂流体动力学规律尚缺乏深入研究。本文基于试验和模拟手段，对三维柱锥形导向管喷动流化床内复杂的气固流动规律进行系统研究;在明确形状不规则粘附颗粒流动特性的基础上，提出了其喷动流化质量改善措施，以期为工业应用提供理论依据。
　　基于数字图像和压力信号快速傅里叶转变分析，定义了六种主要的气固流动结构:固定床、导向管内喷动、射流流化、充气喷动、喷动流化、不稳定喷动。各流型给出了具体的图像、压降波动和压降频谱信号示例，绘制了流型图。在喷动流化过程中，气固流动结构随操作条件变化呈现一定规律性:随操作温度的升高及静床高的降低，充气喷动和喷动流化气速范围减小;而温度的升高，会造成不稳定喷动气速范围的增大;且随卷吸高度和导向管直径的增大，不稳定喷动操作气速减少。
　　导向管喷动流化床内最小喷动速度(Ums)、最小喷动流化速度(Umsf)等参数均显著受到操作温度的影响。在流化气速较小时（Uf＜0.010 m/s），喷动气进入环形区气量随温度升高而增大，床内最小喷动速度也随之增大;但当流化气速高于0.020m/s时，高温使流化气进入导向管的气量增大，引起最小喷动速度的降低。最小喷动流化速度在床内随操作温度的升高而降低。基于大量试验数据，本文提出了高温下导向管喷动流化床内最小喷动速度及最小喷动流化速度的预测关联式，所预测的Ums和Umsf值也得到了本研究和参考文献的验证。
　　以形状不规则粘附颗粒:线路板非金属颗粒(NPCB)为操作物料，单组份NPCB颗粒的不良流动性，造成了床内沟流的存在，抑制了稳定喷动的产生;而引入PP颗粒且引入量占混合颗粒总质量不小于40％时，床内混合颗粒有较好且稳定的喷动流化质量。其改善机制在于PP颗粒的流动带动了NPCB颗粒的共流化，且NPCB和PP颗粒间较小的密度差，抑制了混合颗粒在床内的分层现象，提高了流动稳定性。当混合颗粒中PP质量分数为40％-80％时，NPCB/PP二元混合颗粒的最小喷动速度随流化气速和混合颗粒中NPCB质量分数的增加而降低。混合颗粒流型图显示，不稳定喷动及不稳定喷动流化状态在一个较大的气速范围内存在，这两种流型的气速操作范围随混合颗粒中NPCB质量分数的增加而扩大。
　　利用欧拉双流体模型(TFM)对导向管喷动流化床内的气固流动进行了模拟，固体体积分数云图随时间的变化，显示了床内流型的形成及发展过程，与试验观察现象一致。对于气固交互作用活跃的导向管底部卷吸区，模拟图像清晰的展示了喷动气对环形区气固流的卷吸及携带。在充气喷动流型中，喷动气流对导向管内固体体积分数分布有显著影响，中心区域颗粒浓度随轴向高度升高而增大，与PV-6A测定的颗粒浓度试验值一致。随喷动和流化气速的增大，床层下部的固体体积分数降低;而在导向管上部，固体体积分数则随喷动气速增大而增大。TFM对导向管喷动流化床的气固流动可进行较好的预测，这为该反应器的设计提供了理论支持。

目录

摘要

符号说明

1 前言

1．1 导向管喷动流化床技术发展

1．1．1 导向管喷动流化床气固流动特性试验研究

1．1．2 导向管喷动流化床气固流动特性数值模拟

1．1．3 导向管喷动流化床技术工业应用背景

1．2 喷动流化床形状不规则颗粒的流化

1．3 喷动流化床气固流动特性国内外研究现状

1．4 本文的研究目的、意义和主要内容

1．4．1 本文的研究背景和意义

1．4．2 本文的研究思路

1．4．3 本文研究内容及创新点

1．4．4 课题来源

2 高温导向管喷动流化床流型划分

2．1 引言

2．2 导向管喷动流化床试验系统

2．2．1 试验系统设计

2．2．2 导向管喷动流化床

2．2．3 空气供给及定量系统

2．2．4 加热及温控系统

2．2．5 压力信号采集及处理系统

2．2．6 数字图像采集系统

2．2．7 试验步骤

2．2．8 试验物料

2．3 气固流动结构特征

2．3．1 流型划分

2．3．2 流型定义和描述

2．3．3 导向管喷动流化床流型图

2．4 温度对气固流动结构的影响

2．5 导向管喷动流化床流型转变规律

2．6 本章小结

3 高温导向管喷动流化床流动特性

3．1 引言

3．2 试验设置

3．2．1 试验物料

3．2．2 流动特性参数

3．3 高温导向管喷动流化床压降特性

3．3．1 床层气速-压降曲线

3．3．2 温度对床层压降的影响

3．3．3 最大喷动压降影响因素分析

3．4 温度对喷动气旁路分率的影响

3．5 高温下最小喷动速度及最小喷动流化速度

3．5．1 温度对最小喷动速度和最小喷动流化速度的影响

3．5．2 最小喷动＼喷动流化速度影响因素分析

3．5．3 最小喷动＼喷动流化速度高温预测关联式

3．5．4 最小喷动＼喷动流化速度影响因素通径分析

3．6 本章小结

4 导向管喷动流化床内形状不规则颗粒辅助流化

4．1 引言

4．2 试验设计

4．2．1 试验颗粒物性

4．2．2 导向管喷动流化床试验

4．3 形状不规则粘附NPCB颗粒的流化特性

4．3．1 形状不规则颗粒的流化气速-压降特性

4．3．2 形状不规则颗粒的喷动气速-压降曲线

4．4 导向管喷动流化床内形状不规则混合颗粒流动特性

4．4．1 形状不规则混合颗粒的物料性质

4．4．2 混合颗粒流化气速-压降曲线

4．4．3 混合颗粒喷动气速-压降曲线

4．4．4 导向管喷动流化床内不同流化气速下混合颗粒的流动性

4．4．5 导向管喷动流化床中形状不规则混合颗粒流型定义

4．4．6 形状不规则混合颗粒在导向管喷动流化床内流型图

4．5 本章小结

5 导向管喷动流化床气固流动模拟

5．1 引言

5．2 模拟方法

5．2．1 气-固两相流模型基本方程

5．2．2 网格划分及求解过程

5．2．3 初始和边界条件

5．2．4 网格无关性分析

5．3 模拟结果分析

5．3．1 导向管喷动流化床内的气固流动

5．3．2 模拟与试验结果对比

5．3．3 床内固相体积分数径向分布

5．3．4 流化气速对床内固相体积分数分布的影响

5．3．5 喷动气速对床内固相体积分数分布的影响

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表论文情况

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