【摘要】：Geldart-B類顆粒的典型流化行為是當操作氣速(Ug)超過最小流化速度(Umf0)后,多余的氣體(Ug-Umf0)并不進入顆粒群去均勻增大顆粒間的距離,而是以氣泡的形式快速通過床層。氣泡的形成致使流化質(zhì)量惡化,氣固兩相之間的傳質(zhì)效率降低。磁場常用來改善Geldart-B類磁性顆粒及其與Geldart-B類非磁性顆粒組成混合物料的流化質(zhì)量,形成著名的磁場流化床;本論文特別將前者稱為純磁性物料磁場流化床,而將后者稱為混合物料磁場流化床。相比于其它改善顆粒流化質(zhì)量的方法,磁場可以從外部起作用,因而不受流化床反應器內(nèi)苛刻反應條件的影響。目前,文獻針對Geldart-B類顆粒磁場流化床流體力學行為的研究主要集中在“先加磁場”操作模式下形成的磁穩(wěn)定流域(UmfUgUmb),而很少關(guān)注磁控流化流域(UgUmb)。另一方面,文獻對“后加磁場”操作模式的研究也很不充分：純磁性物料磁場流化床在此操作模式下的流域轉(zhuǎn)變規(guī)律仍存在爭議,混合物料磁場流化床在此操作模式下的流域轉(zhuǎn)變規(guī)律至今仍不清楚。針對上述問題,本論文詳細研究了磁控流化流域內(nèi)的氣固流動規(guī)律。對于磁場流化床在兩種操作模式下的流域轉(zhuǎn)變規(guī)律,本論文也進行了詳細的研究和比較。針對混合物料磁場流化床,本論文還從實驗測量和數(shù)學模型兩個角度研究了磁場誘導顆粒分級的規(guī)律。本論文取得的主要研究結(jié)果和結(jié)論如下：(1)傳統(tǒng)的磁控流化流域還可以進一步劃分為兩個具有不同流體力學性質(zhì)的流域。對于純磁性物料磁場流化床,這兩個流域為溝流鼓泡流域和磁控鼓泡流域；對于混合物料磁場流化床,這兩個流域為分級鼓泡流域和磁控鼓泡流域。在溝流鼓泡和分級鼓泡流域內(nèi),由于溝流或者顆粒分級的出現(xiàn),磁場并不能改善Geldart-B類顆粒的流化質(zhì)量。只有在磁控鼓泡流域內(nèi),磁場才可以顯著減小氣泡尺寸,起到改善流化質(zhì)量的作用。(2)相比于氣泡長度,軸向磁場對氣泡寬度的減小作用更加顯著,導致氣泡的形狀由近似球形演變?yōu)闄E球形。在兩種磁場流化床中,磁場減小氣泡尺寸的機理存在較大差異。在純磁性物料磁場流化床中,磁場對氣泡尺寸的減小作用主要源自其強化了磁性顆粒之間的相互作用力,致使固相的“表面張力”增大,最終導致氣泡的生成和長大(亦即氣固相界面面積的增加)都變得更加困難。而在混合物料磁場流化床中,磁場對氣泡尺寸的減小作用主要源自磁鏈在床中形成一個“浮游內(nèi)構(gòu)件”,該內(nèi)構(gòu)件可以有效地破碎大氣泡并阻礙小氣泡的聚并長大。(3)在“后加磁場”操作模式下,兩種磁場流化床均呈現(xiàn)出四個具有不同流體力學性質(zhì)的流域。對于純磁性物料磁場流化床,這四個流域為固定床、磁控鼓泡、溝流鼓泡和磁凝床;對于混合物料磁場流化床,這四個流域為固定床、磁控鼓泡、部分分級鼓泡和完全分級鼓泡�！昂蠹哟艌觥辈僮髂Ｊ较�,磁場流化床的流域轉(zhuǎn)變規(guī)律與“先加磁場”操作模式下不同：不存在著名的磁穩(wěn)定流域。(4)兩種操作模式下流域轉(zhuǎn)變規(guī)律的比較表明磁場流化床具有四個操作區(qū)域：I、IⅢ、Ⅲ和Ⅳ。在操作區(qū)域Ⅱ內(nèi),床層狀態(tài)不僅與Ⅳ(磁場強度)和%的大小相關(guān),還與兩者的施加順序(亦即操作模式)密切相關(guān)。這種相關(guān)性從本質(zhì)上講是指床層狀態(tài)與所經(jīng)歷的路徑相關(guān)。床層狀態(tài)的這一路徑相關(guān)性源自在操作區(qū)域Ⅱ內(nèi)磁場流化床本來就可以具有兩個平衡態(tài),不同的路徑會分別到達這兩個平衡態(tài)。進一步的研究表明,磁場流化床的磁穩(wěn)定狀態(tài)是一種亞穩(wěn)定平衡態(tài),經(jīng)歷稍大擾動便不可恢復。在操作區(qū)域Ⅱ內(nèi),“先加磁場”操作模式下新相生成的困難最終導致了磁穩(wěn)定這一亞穩(wěn)定平衡態(tài)的形成。(5)混合物料磁場流化床中常會出現(xiàn)顆粒分級現(xiàn)象：磁性顆粒作為沉積組分,而非磁性顆粒作為浮升組分。外磁場作用下,磁性顆粒以磁鏈的形式存在,因此和非磁性顆粒共流化的并不是原來的磁性顆粒,而是磁鏈。在“后加磁場”操作模式下,顆粒分級的發(fā)生主要源自磁鏈尺寸的長大。隨著首先施加的Ug增大,開始分級和完全分級時對應的磁場強度(Hms和Hts)都呈現(xiàn)出增大的趨勢。較高的氣速意味著磁鏈和非磁性顆粒之間具有較大的混合推動力,因此磁鏈需要長大到更大的尺寸才能沉積至床層下部,相應地,所需的磁場強度也就更大。(6)針對混合物料磁場流化床中的顆粒分級現(xiàn)象,本論文還建立了初步的數(shù)學模型,亦即Hms-Ug函數(shù)關(guān)系。模型計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果可以較好地吻合,說明該模型可以較為準確地預測混合物料磁場流化時的顆粒分級規(guī)律,可以為磁場誘導顆粒分級的避免或者利用提供一定的理論依據(jù)。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院(過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1

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1 朱全紅;Geldart-B類顆粒磁場流化床流體力學行為研究[D];中國科學院研究生院(過程工程研究所);2016年

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本文編號：2284366