超细颗粒在声场流化床中的流化特性

2 实验装置与方法
2.1 流程与装置 实验装置如图 1 所示：主要由流化床、声波导管、声波发生 系统和测试系统构成。来自压缩机的空气经硅胶干燥器干燥，转 子流量计计量后进入床内，最后经布袋过滤后排空。 流化床床体由有机玻璃制成，内径 130mm，高 1000mm。上 部由一高 400mm 的弯管与一扩大管相连接，起声波导的作用；气 体分布板为有机玻璃多孔板，在分布板上铺了一层滤布。 在 3mm·s−1 的表观气速下，分布板压降大约为 150Pa，在分布板下还 有一填料层，起预分布的作用。 声波发生系统包括一台带功放的数字信号发生器和一只扬声 器，数字信号发生器用来获得特定频率的正弦波，通过功放放大 后送入扬声器，产生声波，声波经声波导管进入流化床。测试系 统包括声压的测量、床层压降的测量及床高的测量。声压的测量 采用精密脉冲声压计；床层压降用 U 型管压差计测量；床高的测量采用目测法。 2.2 实验物料 流化物料为气相法制备的 SiO2 超细粉， 主要物性列于表 1 。图 2 为 SiO2 透射电镜照 片，如图所示 SiO2 原生颗粒形状近似球形，
Fig.4 Dimensionless pressure dropΔp * vs. gas velocity u (without sound) △ increasing u
Fig.5 Bed expansion ratio (H- H0)/H0 vs. gas velocity u (without sound) △ increasing u
第 18 卷第 5 期
梁华琼等： 超细颗粒在声场流化床中的流化特性 581
30~1000Hz 之间变化。在声场流化床中，作用在颗粒上的气体总速度 u 是向上进气速度 u0 与声波产 生的振动速度 Usinωt 之和，假设声波以平面波的形式传播，则声波产生的振动速度峰值 U 可由下式 计算：
Cumulative particle size distribution / %
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 1
Particle size / µm 图 2 纳米 SiO 2 透射电镜图 Fig.2 TEM photograph of SiO 2 nano-particles 图 3 SiO 2 粒径分布图 Fig.3 Particle size distribution of SiO 2 nano-particles
2.3 操作条件 实验操作条件列于表 2。其中初始床高 H0 通过以下方式确定：在一定的声场条件 下，让超细颗粒达到完全流化后，再缓慢降 低气速，直到截断气源，关闭声波后，让粉 体沉降， 至表面稳定后，测得其高度即为 H0 ；声压水平 (SPL) 及频率在 0~140dB 及
Fluidizing gas
第 18 卷第 5 期 2004 年 10 月
高 校 化 学 工 程 学 报 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities
Oct.
No.5 Vol.18 2004
文章编号：1003-9015(2004)05-0579-06
超细颗粒在声场流化床中的流化特性
梁华琼, 周 勇, 李爱蓉, 段蜀波 (四川大学化工学院，四川 成都 610065)
摘 要：在内径为 130mm 的声场流化床中，以原生纳米级 SiO2 超细颗粒为物料，在声压水平为 0~140dB、声波频 率为 0~500Hz 范围内系统地考察了声波对超细颗粒流化特性的影响。结果表明：当声波频率为 100~150Hz、声压 大于 130dB 时，声波可以有效地消除节涌、抑制沟流、降低临界流化速度，显著地改善纳米 SiO2 颗粒的流化质量。 在频率一定的情况下，声压越高，超细颗粒的临界流化速度越低，流化质量越好。当频率低于 100Hz 或高于 150Hz 时，随着频率的进一步降低或增加，超细颗粒的临界流化速度都增大，甚至又出现节涌和沟流，声波的效果减弱 甚至消失。 关键词：超细颗粒；流态化；聚团；声场 中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A
1.0 4
∆P*
0.6 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80
－1
(H －H 0)/H 0
100
0.8
3 2 1 0 0 20 40 60
－1
80
100
u /mm· s
图4
u /mm· s
图5
无声场时床层压降- 流速曲线，m=90g ▽ decreasing u
无声场时床膨胀- 流速曲线, m=90g ▽ decreasing u
表 2 操作条件 Table 2 Operating conditions
air 0~100 0.08 130 30~1000 0~140 0~683 Fluidizing gas velocity, u /mm·s−1 Bed weight, M /kg Unexpanded bed height, H0/mm Sound frequency, f /Hz SPL/dB Peak value of gas velocity associated with sound, U/ mm·s−1
平均直径为 15nm 左右。由于颗粒粒径很小，颗粒间的黏附力强，在自然堆积状态下，原生颗粒之间 保持大量空隙，致使颗粒的松堆密度比原生颗粒密度低两个数量级；同时由于原生颗粒粒径很小，因 此按原生颗粒计算所得的理论临界流化速度速度很小。 采用 JL-1155 型激光粒度分布测试仪测得超细颗粒的粒径分布如图 3，平均粒径为 0.174μm，约 为原生颗粒的 10 倍，说明此时测得的粒径并非其原生颗粒粒径，而是聚团直径。
0
3
6
9
u /mm· s－1
▽ decreasing u
不同声压下的床层压降−流速曲线 f =120Hz，m = 90g
Fig.6 Dimensionless pressure dropΔp *vs. gas velocity u under different SPL, △ increasing u ,
在声波频率为 120Hz 、声压为 121、131、135dB 、加料量为 90g 时，纳米 SiO2 超细颗粒流化时的 压降- 流速曲线和膨胀率- 流速曲线分别如图 6、7 所示。在上述条件下，由于声波的引入，流化过程中 没有再出现活塞流，沟流也得到很好的抑制甚至消除。如图所示，除声压为 121dB 时有沟流发生外， 声压超过 130dB 后，没有再发生沟流。加料量为 180g 时 SiO2 超细颗粒流化情况与此相似。比较图 4 和图 6 不难看出，声波的引入显著地降低物料的最小流化速度，压降曲线的转折也更尖锐，表明声波
3.2 声波对超细颗粒流化特性的源自文库响
1.05
1.0
0.90
1.00 0.75
∆P*
∆P*
SPL=121dB 0.75 0.60
0.8
SPL=131dB
∆P*
0.50 0.25
SPL=135dB
0.6
0 5 10 15 －1 20 25
0.00 0 4 8
u /mm · s
u /mm· s
图6
－1
12
收稿日期： 2003-08-01;
修订日期：2003-12-18。
基金项目：国家自然科学基金(20176031)。 作者简介：梁华琼(1977-)，女，湖北宜昌人，四川大学硕士生。 通讯联系人：周勇， E-mail: zhouyong_scu@sohu.com
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学 工
程 学 报
2004 年 10 月
SPL=20log
U 2U ref
(1)
式中 Uref =4.83×10-8m·s-1 为参照速度，例如当声压为 140dB 时，气速峰值为 683mm·s-1，远远高于操作 气速。
3 实验结果与讨论
3.1 无声场时的流化特性 在无声场引入的情况下，SiO2 超细颗粒流化时的压降曲线及膨胀曲线如图 4、5 所示。从图 4 可 以看出，气体进入床层后，由于超细粉透气性很差，床层压降随气速增加迅速升高；然后，超细颗粒 床层形成一活塞缓慢上升，升至某高度后，活塞崩塌，形成块状掉落于分布板上，气体从块间间隙流 过，形成沟流，床层压降降至最低；此后，压降在一个较宽的气速范围内增加很小，表明沟流在一较 宽的范围内稳定存在。同时从图 5 的膨胀曲线也可以看出，在此气速范围内，床高变化很小；继续增 大气速，沟流壁面处的粉体在气流剪切作用下，形成较小的聚团进入沟流，并被气流流化，床层压降 上升，高度增加。随着气速的进一步增加，流化范围扩大；当气速超过约 80mm·s−1 时，全部物料流化， 压降不再随气速增加而改变，但由于有粉体带出，床层压降低于理论压降。以上结果表明，在没有声 场时，纳米 SiO2 的流化过程与其它超细粉相似，仍经历了活塞流、沟流和聚团流化三个阶段。
Powder SiO 2
4 5 3 2 1 8 6 7 9
10
图 1 实验装置流程图 图 1 实验装置流程图 Fig.1 Experimental apparatus Fig.1 Experimental apparatus
1.air air compressor 2.2. silica gel drier 1. compressor silica gel drier 3.rotor rotorflowmeter flowmeter4.4. micromanometer 3. micromanometer 5.pressure pressure taps 6. data acquisition system 5. taps 6. data acquisition system 7.gas gas outlet 7. outlet
1 前
言
超细颗粒通常是指尺寸介于原子团簇与微粉之间、 粒径在 1~1000nm 范围内的固体颗粒，按 Geldart[1]分类法属典型的C类颗粒。 这类颗粒由于粘附性强，流化时易形成横向裂纹和纵向沟流而难以 实现平稳流态化，因此，超细颗粒的流态化一直很少受到关注。然而超细颗粒由于具有许多特殊的新 性质与新效应，在众多领域有着广阔的应用前景，因此，近年来超细颗粒的研究受到世界上广泛的关 注并获得了迅速发展。流态化技术作为一种强化气固接触的手段，在超细颗粒制备、处理和应用方面 都具有独特的优越性，因此，超细颗粒的流态化技术越来越受到人们重视，并对其展开了研究。 Chaouki 等人首先发现[2]，当气速远远高于超细颗粒临界流化速度时，Cu/Al 2O3 气溶胶会因自团聚 作用而形成许多小团聚体， 并以聚团形式实现平稳流态化。 随后其他的研究者也都发现[3~5] 超细颗粒在 较高气速下的自团聚现象，但除少数情况外，多数情况下，由于形成的聚团粒度分布很宽，流化质量 很差，甚至不能流化，所以如何改善超细颗粒的流化性能成为人们研究的热点。 改善超细颗粒流化性能的方法有很多，这些方法归纳起来可分为两大类：一类是采用添加较大的 颗粒来改善粉体结构特性以改善其流化质量；另一类则是向流化床引入各种力场，如振动场、磁场、 声场等[6~9]，利用附加能量来削弱粒子间的粘附，以达到改善超细颗粒流化质量的目的。Chiorone等[8,9] 研究了直径为5~50 μm 催化剂超细颗粒在声场流化床中的流化行为，发现声波的引入能有效地降低流 化床中超细颗粒聚团的尺寸，抑制沟流、节涌等使之在低气速下稳定流化，显著地改善超细颗粒的流 化质量。与其它方法相比，声能还具有不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床而不需要内 部构件等优点。因此，引入声波来改善超细颗粒的流化质量是一种很有效的方法。但是，现在的有关 超细颗粒声场流化床的研究还很少， 特别是对纳米级超细粉在声场中的流态化的研究尚未见有关报 道，因此有必要对超细颗粒在声场流化床中流化行为作系统的研究。 本文以原生纳米级 SiO2 超细粉为物料，在内径为 130mm 直径的声场流化床中，考察声压及频率 对纳米级超细颗粒流化特性的影响。
9. amplifier
9. amplifier
loud-speaker 8.8. loud-speaker 10. signal generator 10.signal generator
表 1 物料性能 Table 1 Properties of materials
Shape Sphere Mean size / nm 15 Particle density / kg·m−3 2560 u mf / m·s−1 5.9×10−10