發(fā)布時(shí)間：2020-06-27 09:08

【摘要】：超細(xì)顆粒在流化床內(nèi)極易發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致部分顆粒以溝流形式存在,使流化質(zhì)量下降,超細(xì)顆粒的利用效率大大降低。為了強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過(guò)程,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與模擬計(jì)算相結(jié)合,研究了聲(電場(chǎng))-機(jī)械振動(dòng)耦合物理場(chǎng)對(duì)強(qiáng)化氣固流化床超細(xì)顆粒流動(dòng)特性的影響規(guī)律。首先研究了聲場(chǎng)對(duì)氣-固流化床超細(xì)顆粒流動(dòng)特性和次級(jí)顆粒團(tuán)聚體特性的影響。實(shí)驗(yàn)采用空氣和c類Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣顆粒為氣固流化介質(zhì),聲壓級(jí)90-150 dB,聲波頻率30-8000 Hz。研究結(jié)果顯示,無(wú)溝流現(xiàn)象均勻自由鼓泡的氣-固流化條件隨著超細(xì)顆粒加入量增加,當(dāng)聲壓級(jí)一定時(shí),聲波頻率范圍減小；在保證均勻流化的頻率范圍內(nèi),次級(jí)團(tuán)聚體粒徑與聲波頻率的關(guān)系曲線不是單調(diào)變化趨勢(shì),最小次級(jí)團(tuán)聚體粒徑對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)頻率大約為120 Hz,最大響應(yīng)頻率與床層內(nèi)聲壓級(jí)和顆粒加入量無(wú)關(guān)。在通過(guò)分析聲場(chǎng)對(duì)流化超細(xì)顆粒的作用原理,建立了氣固兩相流動(dòng)模型和聲場(chǎng)-流場(chǎng)耦合模型。為了進(jìn)一步研究聲場(chǎng)作用對(duì)超細(xì)顆粒形成大尺寸團(tuán)聚體和次級(jí)團(tuán)聚體從大尺寸團(tuán)聚體上分離的影響規(guī)律,分析流化床中氣流引起的動(dòng)力學(xué)應(yīng)力和顆粒團(tuán)聚體粘性力,建立了團(tuán)聚體／次級(jí)團(tuán)聚體振蕩模型,并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證,預(yù)測(cè)了聲場(chǎng)作用對(duì)次級(jí)顆粒團(tuán)聚體尺寸的影響。采用FLUENT分別模擬了聲場(chǎng)與流體耦合作用對(duì)流化床內(nèi)氣、固相流場(chǎng)的影響。模擬結(jié)果表明,聲能隨表觀氣速增加而增加明顯,表觀氣速0.057 m·s-1為流型從固定床到流化床的過(guò)渡點(diǎn)。聲能在整個(gè)床中分布不均勻,在床層底部和頂部區(qū)域數(shù)值較小,而在床層中部區(qū)域數(shù)值較大。當(dāng)顆粒粒徑一定時(shí),隨著聲壓級(jí)增大,最小流化速度略有增加。固體顆粒濃度由壁面區(qū)向中心區(qū)逐漸減小,呈拋物線分布。遠(yuǎn)離壁面區(qū),固體顆粒濃度隨聲壓級(jí)的增大而增大,聲場(chǎng)對(duì)壁面區(qū)域固體顆粒濃度影響較小。其次,研究了電場(chǎng)對(duì)氣-固流化床超細(xì)顆粒流動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)采用空氣和C類Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣顆粒為氣固流化介質(zhì),電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0-400 kV·m-1,電場(chǎng)振動(dòng)頻率范圍為0-1000 Hz。外加電場(chǎng)采用并流電場(chǎng)、交互電場(chǎng)和變電場(chǎng)三種不同模式。實(shí)驗(yàn)研究了三種不同電場(chǎng)模式下電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)振動(dòng)頻率和表觀氣速對(duì)顆粒體積分率相對(duì)變化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)加入電場(chǎng)時(shí),床層膨脹明顯增加,顆粒流化均勻性增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)超細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)方程,流體力方程,接觸力方程和粘性力方程的系統(tǒng)分析,建立了電場(chǎng)-流場(chǎng)耦合流化床數(shù)學(xué)模型,并用FLUENT研究了電場(chǎng)流化床中Pcaco3型碳酸鈣超細(xì)顆粒流化行為和運(yùn)動(dòng)軌跡。采用TFM方法,在Rokkam等提出的模型基礎(chǔ)上,建立了求解外加電場(chǎng)下的靜電模型,對(duì)外加電場(chǎng)下氣固流化床內(nèi)的電勢(shì)分布和顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。模擬結(jié)果表明,在低電場(chǎng)振蕩頻率時(shí),顆粒在流化床底部原位置附近運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電場(chǎng)振蕩頻率達(dá)到20 Hz時(shí),顆粒在床中自由上下運(yùn)動(dòng)；進(jìn)一步增大電場(chǎng)振蕩頻率,顆粒運(yùn)動(dòng)明顯呈現(xiàn)混沌現(xiàn)象,顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步受到限制。對(duì)三種不同電場(chǎng)模式的顆粒體積分率相對(duì)變化的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較,三種不同電場(chǎng)模式的實(shí)驗(yàn)值與模擬值具有較好的一致性,說(shuō)明所建立的電場(chǎng)-流場(chǎng)耦合模型能夠較好地預(yù)測(cè)顆粒體積分率相對(duì)變化規(guī)律。在以上研究工作的基礎(chǔ)上,論文進(jìn)行了聲(電)場(chǎng)-機(jī)械振動(dòng)耦合過(guò)程對(duì)氣固流化床超細(xì)顆粒流動(dòng)特性影響的研究。在聲場(chǎng)-機(jī)械振動(dòng)流化床實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用空氣為氣相,4種不同類型固體粉末作為固相,平均粒徑為1.2-74.7μm,4種固體粉末為Pa-sio2型二氧化硅粉末、Pt-sio2型二氧化硅粉末、Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣粉末和Pt-caco3型普通碳酸鈣粉末。選用6種不同聲壓級(jí),機(jī)械振動(dòng)頻率可達(dá)到300 Hz,振幅為1-30 mm。在電場(chǎng)-機(jī)械振動(dòng)流化床實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用空氣為氣相,Pcaco3型碳酸鈣顆粒作為固相,水平電場(chǎng)強(qiáng)度為4 kV·cm-1,采用5種不同機(jī)械振動(dòng)頻率。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)聲場(chǎng)-機(jī)械振動(dòng)流化床和電場(chǎng)-機(jī)械振動(dòng)流化床超細(xì)顆粒流化特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明,對(duì)于Pa-sio2型二氧化硅顆粒,同時(shí)采用機(jī)械振動(dòng)和聲場(chǎng)方式,與單獨(dú)采用機(jī)械振動(dòng)相比,最小流化速度明顯降低。當(dāng)無(wú)因次機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度和聲場(chǎng)強(qiáng)度分別為5.64和0.53時(shí),最小流化速度數(shù)值最小。對(duì)于Pt-sio2型二氧化硅顆粒,當(dāng)水平機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度一定時(shí),隨著聲場(chǎng)強(qiáng)度增加,顆粒團(tuán)聚體尺寸明顯減小。當(dāng)聲場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)顆粒團(tuán)聚體尺寸影響不大。對(duì)于Pcaco3型碳酸鈣顆粒,聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)最小流化速度和顆粒團(tuán)聚體尺寸的影響比水平機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度大。對(duì)于Pt-caco3型碳酸鈣顆粒,水平機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度和聲場(chǎng)強(qiáng)度均有利于減小顆粒團(tuán)聚體尺寸,Pt-caco3型碳酸鈣顆粒團(tuán)聚體尺寸范圍為90-590μm。單獨(dú)應(yīng)用電場(chǎng),導(dǎo)致Pcaco3型碳酸鈣顆粒床層產(chǎn)生塌陷現(xiàn)象；單獨(dú)應(yīng)用水平機(jī)械振動(dòng)時(shí),有利于床層膨脹狀態(tài)；同時(shí)應(yīng)用電場(chǎng)和水平機(jī)械振動(dòng)場(chǎng),水平機(jī)械振動(dòng)能夠抵消由靜電場(chǎng)誘導(dǎo)引起的床層塌陷現(xiàn)象,而電場(chǎng)能夠抵消由水平機(jī)械振動(dòng)誘導(dǎo)引起的床層膨脹現(xiàn)象,電場(chǎng)和水平機(jī)械振動(dòng)共同誘導(dǎo)引起的團(tuán)聚體不穩(wěn)定流動(dòng)。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ051.13

【參考文獻(xiàn)】

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1 段蜀波,梁華瓊,王亮,周勇,朱家驊;納米TiO_2顆粒在聲場(chǎng)流化床中的流化特性[J];化學(xué)反應(yīng)工程與工藝;2005年01期

本文編號(hào)：2731628