【摘要】：Geldart-B類顆粒的典型流化行為是當(dāng)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(jìn)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(yīng)器內(nèi)苛刻反應(yīng)條件的影響。目前,文獻(xiàn)針對Geldart-B類顆粒磁場流化床流體力學(xué)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(xiàn)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(xì)研究了磁控流化流域內(nèi)的氣固流動(dòng)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(jìn)行了詳細(xì)的研究和比較。針對混合物料磁場流化床,本論文還從實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)學(xué)模型兩個(gè)角度研究了磁場誘導(dǎo)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(jìn)一步劃分為兩個(gè)具有不同流體力學(xué)性質(zhì)的流域。對于純磁性物料磁場流化床,這兩個(gè)流域?yàn)闇狭鞴呐萘饔蚝痛趴毓呐萘饔�；對于混合物料磁場流化�?這兩個(gè)流域?yàn)榉旨壒呐萘饔蚝痛趴毓呐萘饔颉Ｔ跍狭鞴呐莺头旨壒呐萘饔騼?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(dǎo)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(jī)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(qiáng)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(dǎo)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(gè)“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(gè)具有不同流體力學(xué)性質(zhì)的流域。對于純磁性物料磁場流化床,這四個(gè)流域?yàn)楣潭ù病⒋趴毓呐�、溝流鼓泡和磁凝�?對于混合物料磁場流化床,這四個(gè)流域?yàn)楣潭ù�、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(gè)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(qiáng)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(gè)平衡態(tài),不同的路徑會分別到達(dá)這兩個(gè)平衡態(tài)。進(jìn)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(dòng)便不可恢復(fù)。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(dǎo)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(shí)對應(yīng)的磁場強(qiáng)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(dòng)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(yīng)地,所需的磁場強(qiáng)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(xué)模型,亦即Hms-Ug函數(shù)關(guān)系。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果可以較好地吻合,說明該模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測混合物料磁場流化時(shí)的顆粒分級規(guī)律,可以為磁場誘導(dǎo)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(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(xué)行為研究[D];中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所);2016年

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本文編號：2284366