气固流化床中颗粒的团聚与横向迁移

1、摘 耍摘 要针对目前 气固流态化领域中颗粒团聚机理及团聚物性质这一热点问题， 本文利用相位多普勒粒子分析仪 ( P D P A)测量了方形气固流化床中颗粒团聚物性质的空间分布及其动态变化。 利用P D P A能够在单颗粒尺度上了解颗粒聚集行为的功能， 分析了气固相之间微观相互作用以 及角落和壁面效应等因素对颗粒团聚行为的影响。 实验结果表明: 颗粒团聚物性质与相应的气固流化床局部动力学参数密切相关， 它们不仅具有轴、 径向的非均匀分布， 随流化床操作条件的变化而变化， 而且在气固流化床的不同区域 ( 比 如说核心区或环区) 对操作条件变化的敏感性也不同。 相对于颗粒的脉动速度来说， 局部时间 平均颗粒浓度对颗粒团聚物性 质的影响 更加明 显， 壁面效应和方形截面流化床的角落效应也会对相应区域的颗粒聚集行为产生非常重要的影响。由于气固流化床中的颗粒团聚物在其进、出口 段一般都处于动力学不平衡状态，因此它们在不断地进行加速或减速运动， 并不断地与其周围稀相之间进行着物质和能量的交换。 本文分析了低浓度气固流化床中颗粒团聚物的形成和解体机理， 并在此基础上建立了 相应的数学模型。 通过利用P

2、 D P A测量颗粒团聚物在气固流化床中分别进行加速向上或减速向上运动时其内部空隙率的变化， 研究了颗粒团聚物在动力学不稳定状态下的动态演化过程。 模型的理论预测与P D P A的实验测量结果符合良 好。 在颗粒团聚物的动态变化过程中， 稀相离散颗粒的团聚机制与密相颗粒团聚物的 解体机制之间的相互协调起到了决定性的作用。当 颗粒团聚物在气固 流化床中加速向上运动时， 稀相流体对密相颗粒团聚物的剪切作用占据了主导地位， 颗粒团聚物将会逐渐解体。 在此过程中， 颗粒团聚物内所包含的单颗粒数减小， 但颗粒团聚物的内部空隙率逐渐升高。 与之相反， 当 颗粒团聚物在气固流化床中减速向上运动时， 密相颗粒团聚物对稀相离散颗粒的“ 捕捉” 行为起到了支配性作用， 颗粒将会进一步团聚。 相应地，颗粒团聚物内所包含的单颗粒数增大，但颗粒团聚物的内部空隙率逐渐降低。虽然气固 流化床中颗粒的轴向 混合问 题得到了许多流态化学者的 、一 泛关注， 并认为所谓的环核流动结构可以 较好地概括轴向局部颗粒质量通量的径向分布特征， 但有关径向局部颗粒质量通量的 研究却并不多见， 对其轴、 径向分布来说也没有形成一个气

3、固流化床中颗粒的团聚与横向迁移统一的认识。 本文在综合利用P D P A测量信息的基础上提出了一种同时计算气固流化床中轴、 径向局部颗粒质量通量的近似算法， 并利用此算法研究了颗粒在方形截面气固流化床中的轴向、 特别是横向混合问题。 同时还根据相关实验结果间接计算了不同操作条件下气固流化床环核区之间颗粒的质量迁移系数。 实验测量结果表明: 在气固流化床中， 颗粒径向 宏观流动的方向一般是从核心区到环区。 局部横向向内、向 外以及颗粒质量净通量沿流化床中心到床壁方向 逐渐增大， 但在环核流动结构的分界面附近达到最大值后又急剧减小。方形截面气固流化床的角落效应会增强颗粒的横向 混合， 但横向局部颗粒质量通量一般总是小于 气固流化床的外部颗粒循环量。颗粒在气固流化床环核区之间进行宏观迁移的机制与颗粒团聚物同其周围稀相之间进行微观颗粒质量交换的机理非常相似: 核心区离散颗粒或较小的颗粒团聚物与环区颗粒层或较大的颗粒团聚物发生碰撞时很容易由 于它们之间的速度差而被 “ 捕捉” ， 但从环区不稳定颗粒团聚物部分解体而来的单颗粒重新进入核心区却并不是太容易。 本文通过在气固流化床环核区之间颗粒质量交

4、换机理的基础上建立相应的数学模型， 研究了流化床操作条件及其尺寸和流化物料的性质等对环核区之间颗粒质量迁移系数的影响。 将本模型与经验关联式的计算结果同已 有的实验结果进行对比 表明该模型具有更宽的适用范围和更好的预测能力。 气固流化床环核区之间颗粒的横向迁移系数随颗粒粒径、 颗粒密度以及颗粒循环量的增大而减小， 但是在一般情况下却随表观气速和流化床有效直径的 增大而增大。 在气固流化床的整个上部稀相区， 环核区之间的颗粒横向 迁移系数随测量高度增大而增大的趋势并不是很明显。总之， 气固流化床中颗粒的聚集行为具有一定的局部特性。 颗粒团聚物性质的轴、径向 非均匀分布是气固流化床中的颗粒发生 轴向、 特别是径向混合的重要原因之一。颗粒团聚物在其加、 减速运动过程中的动态演化是流化床中气固两相动力学相互作用的直接体现。 定量表征颗粒团聚物的性质及其动态变化特性无疑会有助于我们对气固流化床反应器复杂系统进行多尺度分析和研究， 并进一步解决流化床工业反应器设计中的放大效应等瓶颈问题。关键词:颗粒团聚物， 环核结构，固相质量传递， 气固流态化，相位多普勒粒子分析仪 ( P D P A )Ab s

5、 tra 以I I IA g g r e g a t i o n a n d L a t e r a l T r a n s f e r B e h a v i o r o f P a r t i c l e si n Ga s - S o l i d F l u i d i z e d B e d sL I U X i n - h u a ( C h e m i c a l T e c h n o l o g y )D i r e c t e d b y P r o f e s s o r L I J i n g - h a iAb s t r a c tMe a s u r e m e n t s o f p a r t i c l e c l u s t e r p r o p e r t i e s a n d s t u d y o n t h e m e c h a n i s m f o r p a r t i c l ec l u s t e r i n g b e h a v i o r h a v e b e e n o n e o f t h e h o t s

6、p o t s i n t h e f ie l d o f fl u i d i z a t i o n . B y u s i n gP h a s e D o p p l e r P a rt i c l e A n a l y z e r ( P D P A ) , s p a t i a l p r o fi l e a n d d y n a m i c a l v a r i a t i o n o fp a rt i c l e c l u s t e r p r o p e rt i e s i n g a s - s o l i d fl u i d i z e d b e d s w i t h a s q u a r e c r o s s - s e c t i o n w e r ein v e s t i g a t e d i n t h i s s t u d y . T h e e ff e c t s o f m i c r o - i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e g a s a n d t h

7、e s o l i d s a sw e l l a s t h e c o r n e r a n d t h e w a l l e ff e c t o n p a rt i c l e c l u s t e r i n g b e h a v io r w e r e a n a l y z e d i nd e t a i l a t s i n g l e p a rt i c l e s c a le o n t h e b a s i s o f P D P A m e a s u r e m e n t . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w t h a t p a rt i c l e c l u s t e r p r o p e r t i e s a r e s t r o n g l y d e p e n d e n t u p o n c o r r e s p o n d i n g l o c a l衍d r o d y n a mi c p a r a m e t e r s ,

8、a n d t h e y a l s o h a v e u n e v e n d i s t r i b u t i o n s i n b o t h a x i a l a n d r a d i a ld i re c t i o n i n g a s - s o l i d fl u i d i z e d b e d s . P a r t i c l e c l u s t e r p r o p e rt i e s v a r y w it h o p e r a t i n gc o n d it i o n s , a n d t h e i r s e n s i t iv i t i e s t o v a r i a t i o n o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a re g e n e r a l l yd i ff e r e n t f r o m t h e c o r e t o t h e a n n u lu s r e g i o n o f g a s - s o l i d fl

9、 u i d i z e d b e d s . T h e e ff e c t o f l o c a lt i m e - a v e r a g e d s o l i d s c o n c e n t r a t i o n o n p a rt i c l e c l u s t e r p r o p e rt i e s i s s t r o n g e r t h a n t h a t o fp a r t i c l e t u r b u l e n t fl u c t u a t i o n . B o t h t h e w a l l a n d t h e c o r n e r i n g a s - s o l i d fl u i d i z e d b e d s w i t ha s q u a r e c r o s s - s e c t io n m a y h a v e i m p o r t a n t e ff e c t s o n p a r t i c l e c l u s t e r i n g b e h a v i o r .B e c a u s e p a r ti c l e c lu s t e r s i n t h e i n l e t a n d t h e o u t l e t s e c t i o n o f g as - s o t 记fl u i d i z e d b e d sa r e n o t i n a d y n a m i c e q u i l i b r i u m s t a t e , t h e y a lw a y s e x c h a n g e m a s s a n d e n e r g y w i t h t h es u r r o u n d i n g s c o n t i n u o u s l y d u r i n g t h e ir a c c e l e r a t e d o r d e c e l e r a t e d m o t i o n s . B a s e d o n t h em e c h a n i s m f o r f o r m a t i o n a n d d i s a

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