含液气固流化床内液体的迁移机制研究

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含液气固流态化技术在工业过程中有广泛的应用,此类工艺多要求液体在颗粒间形成均匀分布,从而达到设备稳定运行,提高产品质量的目的。然而,液体总是从离散位置进入床层,局部的高液体含量促进颗粒聚团形成,在流化过程中聚团破碎,液体向干燥区域迁移,故液体在经过迁移过程后才能够达到均匀分布。因此,研究含液气固流化床内液体的迁移机制具有重要的意义。本文通过实验方法,进行了湿颗粒的床层膨胀实验对床层内液体的迁移型态进行了判别,为液体迁移研究工作作了铺垫,在此基础上,展开了湿颗粒流化床内的液体迁移过程的研究,主要结果如下:(1)通过研究含液B类颗粒流化过程中的床层膨胀现象,提出了通过平均膨胀率判断床层内液体迁移型态的方法,指出平均膨胀率-液固比曲线的极值点为区分自由液体与聚团液体的临界液固比,研究了颗粒直径、液体粘度及液体表面张力对临界液固比的影响规律,发现临界液固比随颗粒直径的增大而增大,随表面张力的增大而减小,粘度对临界液固比无明显影响。以上述研究成果为基础,结合博德数与液固比绘制了液体迁移型态的相图,并拟合了临界液固比与博德数的关联式,从而为判断含液气固流化床中的液体迁移型态提供了方法与指导。(2)为了说明利用床层膨胀过程判断液体迁移型态这一方法的合理性,并深入研究床层膨胀过程的内在原因,在自由液体范围内,结合床层膨胀现象探索液桥力作用下床层的持气机理,探究了颗粒直径、液体粘度及液体表面张力对床层膨胀率的影响,发现颗粒直径增大,床层膨胀率下降;表面张力增大,膨胀率增大;粘度对膨胀率无明显影响。建立了床层膨胀过程的数学模型,比较了气体作用于床层的外部应力与液桥力产生的抗张强度,以计算完全流化风速的理论值,并与实验结果进行了对比,发现两者较为吻合,从而说明含液气固流化床乳化相持气能力增强的内在机制是液桥力与过余曳力的相互平衡,同时说明自由液体范围内液体在颗粒之间形成均匀分布,从而从理论上说明了液体迁移型态判断方法的合理性。在此基础上,预测了自由液体范围内床层的完全流化风速,发现其随着液固比的增加迅速增大而后稳定不变。不同物性参数对湿颗粒群的抗张强度的影响通过敏感性分析进行研究,发现表面张力影响最明显,其次是表观风速和颗粒粒径,而液固比的影响最小。(3)基于临界液固比与博德数的关联式确定了氯化钙溶液-玻璃珠体系的自由液体范围与聚团液体范围,以此为基础,展开了液体迁移过程的实验研究。在聚团液体范围内,采用电导法,重构了自由液体含量的时空演变过程。同时结合压力脉动信号分析与数字图像处理方法,获取了床内的宏观流化特性与颗粒循环特性,进而揭示了床内液体迁移行为的内在物理机制。结果表明,聚团液体向自由液体的转化是床层内液体迁移的主要机制,吸引子比较的结果也进一步证实了这一点。自由液体的迁移过程具有自上向下,自中心向两边的特点,而气泡尺寸曲线表明床层中上部气泡作用较强,更容易使聚团破碎释放自由液体,从而使得床层中上部自由液体含量较高。在此基础上研究了操作风速、颗粒直径、液体粘度及液体表面张力对液体迁移过程的影响,发现提高操作风速有助于聚团释放自由液体,同时提高液体分布均匀性;降低颗粒直径容易形成稳定的聚团,此外,在相同流化数下,气泡应力减小造成自由液体量下降;提高液体粘度增强了聚团的稳定性,同时降低了液体分布的均匀程度;降低液体表面张力减小了颗粒聚团的强度,从而促进了自由液体的释放。
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