横向旋转磁场作用下液固流态化和粘性颗粒气固流态化的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 吕雪松 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 1999-12 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 李洪钟 |
| 关键词 | 磁场 液体 气体 固体 流态化 流化床 颗粒 |
| 其他题名 | Experimental and Theoretical Studies on Liquid-Solids Fluidization and Cohesive Particle Gas-Solids Fluidization Under Transverse Rotating Magnetic Field |
| 学位专业 | 化学反应工程及流态化 |
| 中文摘要 | 本文主要考察了横向旋转磁场作用下铁颗粒、铁与不锈钢混合颗粒的液固流态化以及铁磁性颗粒（包括铁粉、四氧化三铁粉、三氧化二铁粉）和一些性颗粒（表面改性的碳酸钙、碳化硅、白炭黑、钛白、表面未改性的碳酸钙）组成的混合体系的流态化质量。本文首先从理论上分析了铁磁性颗粒在横向旋转磁场中的运动特性。铁磁性颗粒在磁场中极易形成紧密结合的或结合松散的链状物，而这种颗粒链在横向旋转磁场作用下的运动包括三个方面：①稳态自旋；②结合松散的颗粒链中颗粒之间的径向振动以及颗粒链的振荡；③结合紧密的颗粒链当外加磁场的旋转频率大于其临界频率时的摆动。这三个运动特性决定了铁磁性颗粒在横向旋转磁场流化床中的运动行为。横向旋转磁场液固流 经的研究表明，横向旋转磁场 可以使铁颗粒液固汉态化展现四种床形结构：流化床、沟流床、喷动床和磁聚床。实验发现，横向旋转磁场对铁颗粒及其铁颗粒与不锈钢混合颗粒的最小流化速度影响较小，但它对混合颗粒的床层压降有一定的作用。随着旋转频率的降低和磁场强度的增强，床层压降升高。铁颗粒含量较低的混合流化体系中，一方面，当旋转频率较低时，铁颗粒能够成链并旋转；另一方面，横向旋转磁场还能使铁颗粒对床层产生振动作用。链的自旋和床层振动都是铁磁性物质耗散外加磁场磁能的表现。通过对自旋的颗粒链进行的受力分析得到了横向旋转磁场流化床中铁磁性颗粒链理论上的最大链长公式。通过实验链长数据的回归，得到了铁颗粒含量为10％、20％（质量比）的混合体系在液固流态化下的链长公式以及在相同磁场条件下的，该混合体系最大的链长公式。实验表明，影响混合颗粒流化质量和铁磁性颗粒成链的主要因素是旋转频率、磁场强度和铁颗粒的添加比例，其中起主要作用的是旋转频率和铁颗粒的添加比例。横向旋转磁场液固流态化适用于铁磁性颗粒含量少的混合颗粒的流态化。在气固流化床中，本文首先研究了28＃CaCO_3（表面改性的碳酸钙）、SiC（碳化硅）、SiO_2（白炭黑）、TiO_2（钛白）、14＃CaCO_3（表面未改性的碳酸钙）的流化特性以及这些粘性粉体与铁磁性颗粒Fe_2O_3（磁粉）、Fe_3O_4（四氧化三铁粉）组成的混合颗粒体系（体积比（volume fraction））10%Fe_2O_3 + 90%28#CaCO_3、10%Fe_3O_4 + 90%28#CaCO_3、10%Fe_2O_3 + 90%SiC、10%Fe_2O_3 + 90%SiC、10%Fe_3O_4 + 90%SiO_2、10%Fe_2O_3 + 90%TiO_2、10%Fe_3O_4 + 90%TiO_2、10%Fe_2O_3 + 90%14#CaCO_3、10%Fe_3O_4 + 90%14#CaCO_3在无磁场和加入横向旋转磁场情况下的流化特性。流化特性主要是通过流化过程的流化床层压降曲线和床层膨胀曲线来体现的。实验结果表明，横向旋转磁场能够明显消除沟流，改善体系流化质量。这主要表现为以下几个方面：①床层膨胀明显提高；②表观气速上升压降曲线和下降压降曲线的偏差减小，也即一致性明显提高；③床层的滞气能力提高；④床层压降更趋稳定；⑤颗粒附壁能力大大削弱。如果把铁磁性颗粒添加比例（体积比）、磁场强度和旋转频率划分为高低两个范围：铁磁性颗粒添加比例－高（>30%）、低（<30%）；磁场强度－高（>3182.2A/m）、低（<3182.2A/m）；旋转频率－高（>10Hz）、低（<10Hz），那么四种体系Fe_3O_4 + CaCO_3、Fe_2O_3 + CaCO_3、Fe + CaCO_3、Fe_3O_4 + SiO_2的实验表明，对于Fe_2O_3 + CaCO_3体系，在低的铁磁性颗粒添加比例、低的磁场 强度和低的旋转频率下，流化过程的质量改善得最为明显，能有效消除流化过程产生的沟流；较高的铁磁性枯粒添加比例、低的磁场强度和低的旋转频率，对改善Fe + CaCO_3体系流化过程、消除沟流，操作范围应为低的铁磁性颗粒添加比例、较高的磁场强度、低的旋转频率；对于Fe_3O_4 + SiO_2体系，在横向旋转磁场作用 流态化变化最为明显的是颗粒的附壁能力大大降低，并且在低的铁磁性颗粒添加比例、较高的磁场强度和低的旋转频率下对改善整个流化过程质量、消除沟流最为有利，但该体系在流化时的分层现象较为明显。100%Fe、100%Fe_3O_4、100%Fe_2O_3在不同磁场强度和不同旋转频率下也进行了气固流态化实验。结果表明，在低的磁场强度和高的旋转频率下，100%Fe在高的磁场强度和低的旋转频率下，100%Fe_3O_4能较好地流化；在低的磁场强度和低的旋转频率下，100%Fe_2O_3能够较好地流化。这三种铁磁性颗粒在横向旋转磁场作用下的流化特性的不同主要原因在于这三种颗粒在磁场作用下的磁感应强度大小、颗粒之间的粘性力、颗粒粒径、颗粒密度的不同。本文对混合体系加入横向旋转磁场和未加磁场两种情况下的床层压降波动信号进行了统计分析，即对信号（P-P_(mean)）进行概率密度分析，并利用Gaussian函数进行模拟，以此来研究流化体系的散式化问题并对10%Fe + 90%CaCO_3、10%Fe_3O_4 + 90%CaCO_3和10%Fe_2O_3 + 90%CaCO_3三种体系在横向旋转磁场作用下的散式化进行了探讨。结果表明，压降信号的（P-P_(mean)）概率密度峰值能够表征流态化是赵向散式流态化，还是趋向聚式流态化。10%Fe + 90%CaCO_3体系散式化最优的条件是磁场强度为795.5A/m，旋转频率为10Hz，流速区间为0.0650m/s-0.0812m/s；10%Fe_3O_4 + 90%CaCO_3体系最优的条件是高磁场强度，旋转频率为5Hz，气速区间为0.0812m/s-0.1137m/s；10%Fe_2O_3 + 90%CaCO_3体系最优的条件是磁场强度为3182.2A/m，旋转频率为5Hz，流化区间为0.0650m/s－0.0975m/s。利用Darton气泡模型证实了床层压力波动小波分解的高尺度信号的峰值可以用来代表气泡的大小。根据这个原理，通过对10%Fe + 90%CaCO_3、10%Fe_3O_4 + 90%CaCO_3和10%Fe_2O_3 + 90%CaCO_3三种体系在横向旋转磁场作用 压力波动信号的小波分析，进一步说明了横向旋转磁场对上述三种体系流化时气泡大小的影响。实验表明，10%Fe + 90%CaCO_3体系、10%Fe_3O_4 + 90%CaCO_3体系和10%Fe_2O_3 + 90%CaCO_3体系当表观流速范围分别为0.0650m/s-0.0812m/s、0.0812m/s-0.1137m/s、0.0650m/s-0.0975m/s时，加入磁场后的气泡尺寸比未加磁场的情况要小。这也说明，横向旋转磁场能够抑制气泡的大小。通过床层压降波动原始信号的小波分解，可以得到各快慢频率段的心尺度信号。比较横向旋转磁场条件下和无磁场条件下各尺度信号的频谱图，可以发现在某些频率如411.9Hz、470.6Hz、117.6Hz和170.3Hz下，出现了奇特的功率值的高峰。这些频率是体系的横向旋转磁场流态化的主导频率。研究发现，横向旋转磁场的磁场强度只改变这些主导频率的功率幅值大小，而旋转频率改变的是主导频率的功率幅值的变化趋势。本论文的研究结果表明：横向旋转磁场流化床是一种能较好地处理粘性颗粒的流态化反应器。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-27 |
| 页码 | 219 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/2004]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕雪松. 横向旋转磁场作用下液固流态化和粘性颗粒气固流态化的研究[D]. 中国科学院研究生院. 1999. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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