导向管喷动流化床形状不规则粘附颗粒流动特性

发布时间：2017-10-02 12:00

  本文关键词：导向管喷动流化床形状不规则粘附颗粒流动特性

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【摘要】：导向管喷动流化床技术以其颗粒运动规律性强、操作粒径范围宽等优势,在包覆、造粒和干燥等工业过程具有极强的实用性及广阔的发展潜力。因此,床内气固两相流动关键参数的描述与调控,已成为材料、化工等领域所关注的热点问题。然而,在喷动流化过程中,难点问题在于其涉及形状不规则粘附性颗粒的流动及高温操作。目前国内外对形状不规则粘附颗粒复杂流体动力学规律尚缺乏深入研究。本文基于试验和模拟手段,对三维柱锥形导向管喷动流化床内复杂的气固流动规律进行系统研究；在明确形状不规则粘附颗粒流动特性的基础上,提出了其喷动流化质量改善措施,以期为工业应用提供理论依据。基于数字图像和压力信号快速傅里叶转变分析,定义了六种主要的气固流动结构：固定床、导向管内喷动、射流流化、充气喷动、喷动流化、不稳定喷动。各流型给出了具体的图像、压降波动和压降频谱信号示例,绘制了流型图。在喷动流化过程中,气固流动结构随操作条件变化呈现一定规律性：随操作温度的升高及静床高的降低,充气喷动和喷动流化气速范围减小；而温度的升高,会造成不稳定喷动气速范围的增大；且随卷吸高度和导向管直径的增大,不稳定喷动操作气速减少。导向管喷动流化床内最小喷动速度(Ums)、最小喷动流化速度(Umsf)等参数均显著受到操作温度的影响。在流化气速较小时(Uf0.010 m/s),喷动气进入环形区气量随温度升高而增大,床内最小喷动速度也随之增大；但当流化气速高于0.020m/s时,高温使流化气进入导向管的气量增大,引起最小喷动速度的降低。最小喷动流化速度在床内随操作温度的升高而降低。基于大量试验数据,本文提出了高温下导向管喷动流化床内最小喷动速度及最小喷动流化速度的预测关联式,所预测的Ums和Umsf值也得到了本研究和参考文献的验证。以形状不规则粘附颗粒：线路板非金属颗粒(NPCB)为操作物料,单组份NPCB颗粒的不良流动性,造成了床内沟流的存在,抑制了稳定喷动的产生；而引入PP颗粒且引入量占混合颗粒总质量不小于40%时,床内混合颗粒有较好且稳定的喷动流化质量。其改善机制在于PP颗粒的流动带动了NPCB颗粒的共流化,且NPCB和PP颗粒间较小的密度差,抑制了混合颗粒在床内的分层现象,提高了流动稳定性。当混合颗粒中PP质量分数为40%-80%时,NPCB/PP二元混合颗粒的最小喷动速度随流化气速和混合颗粒中NPCB质量分数的增加而降低。混合颗粒流型图显示,不稳定喷动及不稳定喷动流化状态在一个较大的气速范围内存在,这两种流型的气速操作范围随混合颗粒中NPCB质量分数的增加而扩大。利用欧拉双流体模型(TFM)对导向管喷动流化床内的气固流动进行了模拟,固体体积分数云图随时间的变化,显示了床内流型的形成及发展过程,与试验观察现象一致。对于气固交互作用活跃的导向管底部卷吸区,模拟图像清晰的展示了喷动气对环形区气固流的卷吸及携带。在充气喷动流型中,喷动气流对导向管内固体体积分数分布有显著影响,中心区域颗粒浓度随轴向高度升高而增大,与PV-6A测定的颗粒浓度试验值一致。随喷动和流化气速的增大,床层下部的固体体积分数降低；而在导向管上部,固体体积分数则随喷动气速增大而增大。TFM对导向管喷动流化床的气固流动可进行较好的预测,这为该反应器的设计提供了理论支持。
【关键词】：流态化 喷动流化床 导向管 形状不规则颗粒 温度
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.13
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 前言12-30
• 1.1 导向管喷动流化床技术发展12-25
• 1.1.1 导向管喷动流化床气固流动特性试验研究12-21
• 1.1.2 导向管喷动流化床气固流动特性数值模拟21-22
• 1.1.3 导向管喷动流化床技术工业应用背景22-25
• 1.2 喷动流化床形状不规则颗粒的流化25-26
• 1.3 喷动流化床气固流动特性国内外研究现状26-27
• 1.4 本文的研究目的、意义和主要内容27-30
• 1.4.1 本文的研究背景和意义27-28
• 1.4.2 本文的研究思路28
• 1.4.3 本文研究内容及创新点28-29
• 1.4.4 课题来源29-30
• 2 高温导向管喷动流化床流型划分30-46
• 2.1 引言30
• 2.2 导向管喷动流化床试验系统30-34
• 2.2.1 试验系统设计30-31
• 2.2.2 导向管喷动流化床31-32
• 2.2.3 空气供给及定量系统32
• 2.2.4 加热及温控系统32
• 2.2.5 压力信号采集及处理系统32-33
• 2.2.6 数字图像采集系统33
• 2.2.7 试验步骤33-34
• 2.2.8 试验物料34
• 2.3 气固流动结构特征34-42
• 2.3.1 流型划分34-36
• 2.3.2 流型定义和描述36-41
• 2.3.3 导向管喷动流化床流型图41-42
• 2.4 温度对气固流动结构的影响42-43
• 2.5 导向管喷动流化床流型转变规律43-44
• 2.6 本章小结44-46
• 3 高温导向管喷动流化床流动特性46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 试验设置46-48
• 3.2.1 试验物料46-47
• 3.2.2 流动特性参数47-48
• 3.3 高温导向管喷动流化床压降特性48-55
• 3.3.1 床层气速-压降曲线48-50
• 3.3.2 温度对床层压降的影响50-52
• 3.3.3 最大喷动压降影响因素分析52-55
• 3.4 温度对喷动气旁路分率的影响55-56
• 3.5 高温下最小喷动速度及最小喷动流化速度56-67
• 3.5.1 温度对最小喷动速度和最小喷动流化速度的影响56-57
• 3.5.2 最小喷动\喷动流化速度影响因素分析57-61
• 3.5.3 最小喷动\喷动流化速度高温预测关联式61-63
• 3.5.4 最小喷动\喷动流化速度影响因素通径分析63-67
• 3.6 本章小结67-68
• 4 导向管喷动流化床内形状不规则颗粒辅助流化68-86
• 4.1 引言68
• 4.2 试验设计68-70
• 4.2.1 试验颗粒物性68-70
• 4.2.2 导向管喷动流化床试验70
• 4.3 形状不规则粘附NPCB颗粒的流化特性70-73
• 4.3.1 形状不规则颗粒的流化气速-压降特性70-71
• 4.3.2 形状不规则颗粒的喷动气速-压降曲线71-73
• 4.4 导向管喷动流化床内形状不规则混合颗粒流动特性73-84
• 4.4.1 形状不规则混合颗粒的物料性质73
• 4.4.2 混合颗粒流化气速-压降曲线73-75
• 4.4.3 混合颗粒喷动气速-压降曲线75-76
• 4.4.4 导向管喷动流化床内不同流化气速下混合颗粒的流动性76-78
• 4.4.5 导向管喷动流化床中形状不规则混合颗粒流型定义78-82
• 4.4.6 形状不规则混合颗粒在导向管喷动流化床内流型图82-84
• 4.5 本章小结84-86
• 5 导向管喷动流化床气固流动模拟86-102
• 5.1 引言86
• 5.2 模拟方法86-92
• 5.2.1 气-固两相流模型基本方程86-90
• 5.2.2 网格划分及求解过程90-91
• 5.2.3 初始和边界条件91
• 5.2.4 网格无关性分析91-92
• 5.3 模拟结果分析92-101
• 5.3.1 导向管喷动流化床内的气固流动92-95
• 5.3.2 模拟与试验结果对比95-96
• 5.3.3 床内固相体积分数径向分布96-99
• 5.3.4 流化气速对床内固相体积分数分布的影响99-100
• 5.3.5 喷动气速对床内固相体积分数分布的影响100-101
• 5.4 本章小结101-102
• 结论与展望102-104
• 参考文献104-114
• 附录114-122
• 致谢122-124
• 攻读博士学位期间发表论文情况124-126

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本文编号：959453