濕顆粒體系的流態化行為及機理研究

《濕顆粒體系的流態化行為及機理研究》是依託東南大學，由劉道銀擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：濕顆粒體系的流態化行為及機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉道銀
• 依託單位：東南大學

中文摘要

濕顆粒流態化存在於多種流化床物理和化學工藝過程中，而流態化學科經過半個多世紀的發展，主要針對乾燥顆粒體系，對於濕顆粒流態化的認識遠未成熟。為此，本項目提煉出濕顆粒流態化基礎問題，開展專題研究。結合微觀層面的濕顆粒碰撞和巨觀層面的濕顆粒體系流化，逐層推進研究。顆粒層面上，採用橫向風實現顆粒與含液膜覆蓋的平板的斜向碰撞實驗方法，同時研究濕顆粒法向和切向碰撞能量耗損，彌補了現有研究局限於法向碰撞的缺點，為濕顆粒碰撞模型的建立提供全面的數據；顆粒體系層面上，基於濕顆粒流化床的床層壓力波動和瞬時流化形態分析，揭示濕顆粒流化形態的轉變規律。進一步，基於Stokes無量綱數耦合液橋力與接觸力，建立濕顆粒碰撞模型，發展濕顆粒體系DEM模型。再根據DEM模擬結果獲取濕顆粒流化床的瞬時和細觀結構，建立顆粒碰撞-氣泡等介觀特徵-流化形態不同尺度間的關聯，深入揭示濕顆粒流態化的機理。

結題摘要

流化床反應器因其高效的傳熱傳質與連續處理大量顆粒的能力，在不同工業領域中得到了廣泛的套用。由於流化床處理對象與手段的多樣化，顆粒性質經常發生改變，其中較為常見的是由於少量液體加入到氣固流化床中，引起顆粒間以液橋力為代表的粘性力。本項目在顆粒層面和顆粒體系層面上分別開展了粘性力作用下顆粒的碰撞及流態化機理研究： （1）顆粒層面上，設計並搭建顆粒-平板含液膜碰撞系統，其中顆粒與平板間的粘性力通過調節液膜的性質和厚度實現，提出了採用橫向擾動風賦予顆粒水平運動速度，實現顆粒與覆蓋液膜的平板進行斜向碰撞的目標，克服了傳統的傾斜平板法只能套用高粘度、低厚度液膜的缺點。液橋力對於反彈顆粒在法向方向上的動能損耗影響較大，而對切向方向的影響較小。在法向方向上，顆粒的能量耗損隨液膜粘度和厚度的增加而增加，卻隨碰撞速度的增加而減小；在切向方向上，能量耗損過程主要由液膜厚度主導：厚度較大時，液體主要起阻力作用，而當厚度較小時，液體的作用更傾向於“潤滑”。進一步，結合液體彈性動力學理論和經典的流體力學理論首次提出了用於判斷顆粒是否反彈的臨界Stokes數模型以及用於衡量顆粒能量耗損的碰撞恢復係數模型，獲得了較為準確的預測結果。 （2）顆粒體系層面上，利用“多聚物塗層”法引入顆粒間粘性力，通過調節溫度，改變多聚物粘性，從而實現調節顆粒間粘性力的目標。與無粘顆粒體系相比，粘性力的存在抑制了床內中心區域的氣泡合併過程，促進了氣泡在床層頂部區域的分裂過程。粘性力對床內整體的流化特性呈階段式影響：在粘性力增加的初始階段，乳化相的持氣能力提高，氣泡通過頻繁的縱向合併從近似圓形過渡到豎橢圓形，減弱了床兩側顆粒的運動強度，導致當粘性力繼續增大時，顆粒率先向床兩側粘結，床層膨脹比迅速降低，並最終以溝流的形式造成流化失效。進一步，套用遲滯碰撞模型分別在顆粒碰撞的載入和卸載階段考慮液體粘彈阻力（lubrication force）和液橋力引起的動能耗損，建立濕顆粒流化床CFD-DEM模型。對濕顆粒流化床進行數值模擬研究，比較了不同粘性條件下顆粒的流動及混合特性。發現隨著顆粒粘性的增大，顆粒聚團加劇，氣泡邊界變得粗糙並逐漸轉變為氣體溝流，最終導致流化失效。隨著顆粒粘性的增大，顆粒的相對運動被阻礙，顆粒速度降低，床層壓降逐漸減小，顆粒混合速度減慢。