纳米颗粒流化特性的实验研究

发布时间：2020-06-19 20:46

【摘要】：纳米颗粒流态化技术因具有高效、高性价比的独特优势而成为当今研究和应用热点,但易在流化底部形成漏斗状沉积,流化质量不断降低,限制了纳米颗粒大规模、长时间进行流化。论文基于此问题,在研究常规纳米颗粒流化特性的基础上,设计了辅助旋风装置,通过在流化底部通入沿切向环状的高速气流,打破底部沉积,改善纳米颗粒的流化情况。本实验采用初始粒径为25nm的SiO_2颗粒进行流化实验,通过对流化高度、局部压降、聚团粒径、空隙率及固含率等实验参数进行比较分析,研究常规纳米颗粒流化实验中流化风速、初始床高对纳米颗粒流化特性的影响。在此基础上引入辅助旋风装置,研究辅助旋风对纳米颗粒流化行为的改善作用,并在总流量保持一定的前提下,研究不同配风比工况中流化行为的差异,寻找了优化后的实验参数。研究发现,由于流化底部沉积的影响,纳米颗粒最小流化速度的测定曲线和其他类型颗粒不同,随着流化风速减小,床层压降曲线不存在明显转折点来判断最小流化速度值,并且底部沉积带来的影响随着纳米物料初始静床高的增加而逐渐减弱。加入辅助旋风装置后,在总流量一定前提下,辅助旋风的加入打散了底部沉积,最小流化速度测定得到改善,但针对两股气流下最小流化速度的判定标准还有待进一步研究。流化风速和初始床高是影响纳米颗粒流化特性的主要因素,两者均直接或间接的影响了气固两相间曳力的改变,从而引起纳米颗粒流化过程中众多参数的变化。研究发现,流化风速、初始床高的增加促进了纳米颗粒膨胀运动,减弱了纳米颗粒沿轴向分布的不均匀性。同时使用小波变换对局部压降的波动性能进行分析,发现流化风速、初始床高的增长加剧了纳米颗粒流化过程的紊乱程度,在中低频范围内增强了物料沿轴向交换频率和交换量,加速了流化过程中聚团的生长进程,聚团平均粒径增加。针对纳米颗粒流化过程中底部沉积问题,本实验加入辅助旋风装置,辅助旋风从多个角度提升了纳米颗粒的流化质量,从宏观现象来看,一方面辅助旋风打散了底部沉积,延缓了流化高度的下降进程,增强了纳米颗粒流化百分比,物料分布更加均匀;另一方面,通过流化风和辅助旋风相互作用,增强了纳米颗粒在中高频区域的湍流程度,气固相互作用的频率范围得到提升;从聚团特性来看,聚团平均尺寸降低,延长了纳米颗粒的流化时间,更有利于其进入一个动态稳定状态。此外,在总流量保持一定的前提下,随着辅助旋风流量占比增加,纳米颗粒流化行为存在最佳点,在占比为30%时,聚团平均粒径最小、沿轴向物料交换量最多、局部压降最大、沿轴向物料分布最均匀,将辅助旋风从多方面最大程度提升了纳米颗粒的流化质量。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【图文】：

流化床,类型,颗粒

图 1-1 典型流化床类型[4]1.3 纳米颗粒与 Geldart 分类简介图 1-2 表示了 Geldart 分类方法，通过密度和颗粒粒径为特征参数，将颗粒分为 4 类，并以 Geldart A、Geldart B、Geldart C、Geldart D 类颗粒命名，通常简称为 A、B、C、D 类颗粒。A 类颗粒属于细颗粒，平均粒径处于 20-100um，流化过程中随着风速增加，在物料膨胀的同时产生气泡，在气泡不断产生和破碎的过程中循环运动，一定程度上影响了传热传质过程。B 类颗粒平均粒径处于 100-700um 之间，与 A 类相比，B 类颗粒在流化过程膨胀高度较低，物料很难达到往复循环运动的状态，气泡上升速度较快，从而使得气泡不断从床层溢出。C 类颗粒平均粒径通常小于 20um，由于粒径小，粘性作用明显，流化质量较低，在底部容易形成沟流、节涌等不良现象。综合范德华力、液桥力、毛细力、静电力等众多因素，C 类颗粒以团聚物方式参与流化，自身空隙率较高，比表面积更

粒径,微观尺度,纳米级,范围

图 1-2 Geldart 颗粒分类纳米级颗粒的粒径介于 0.1-100nm 之间，这一粒径范围是宏观尺度和微观尺度过渡区域，搭起宏观现象与微观性质的桥梁，具有重要的科学研究价值；其次，在实际应用领域，纳米级颗粒自身粒径较小，并以聚团结构参与流化，具有高空隙、高比面积性质，在流化过程中具有高反应率、光学效应、催化效应等独特性质，这些优异的性质使得纳米颗粒在实际应用中具有巨大的潜力价值，在药品[5]、服装[6]、化妆品[7]和可再生能源[8]等领域具有愈加广泛的应用。1.4 纳米颗粒流态化研究现状1.4.1 纳米颗粒流态化综述在宏观现象领域，Chaouki 等人[3]最先提出纳米级颗粒流化及聚团概念，他们发现 Cu/Al2O3纳米微粒在流化过程中形成稳定的团簇物，并以均匀的方式扩散，这种团簇物具有高空隙、高比表面积的性质。[9]

【参考文献】