[發(fā)明專利]定量研究顆粒粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310138562.8
• 申請(qǐng)日: 2013-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103236208A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉道銀;馬吉亮;陳曉平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G09B23/10
• 分類號(hào): G09B23/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多相流動(dòng)領(lǐng)域，涉及一種定量研究顆粒粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

流態(tài)化反應(yīng)器因其傳質(zhì)、傳熱效率高，易于調(diào)節(jié)，可連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油、冶金等行業(yè)。流化顆粒的特性對(duì)于流態(tài)化反應(yīng)器的正常運(yùn)行具有重要的影響。在氣固流化床應(yīng)用的很多物理和化學(xué)工藝，諸如造粒、干燥、水泥煅燒、催化裂化等過(guò)程中，顆粒普遍具有粘性，容易聚團(tuán)，從而產(chǎn)生溝流甚至死床等不良流化現(xiàn)象，直接影響流態(tài)化的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，揭示顆粒間的粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)特性的影響規(guī)律及機(jī)理對(duì)流化失效的早期預(yù)報(bào)和改善流化方法的提出具有十分重要的意義。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，粘性力的引入是首要問(wèn)題。傳統(tǒng)的粘性力引入方法有噴液法、磁力法、軟化顆粒法三種。

噴液法是向流化床中噴入粘性液體，在顆粒間形成液橋。顆粒間的粘性力主要以液橋力的形式體現(xiàn)。粘性力的大小主要通過(guò)改變噴入的液體量和液體粘度進(jìn)行控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；缺點(diǎn)是液體后于顆粒進(jìn)入床內(nèi)，靠顆粒不斷的流化和運(yùn)動(dòng)與其混合，這極易造成液體在顆粒表面的分布不均，導(dǎo)致顆粒間的液橋形態(tài)和相應(yīng)的液橋力不同，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

磁力法是流化鐵磁性顆粒，并在流化床周圍添加磁場(chǎng)，使顆粒極化，從而在顆粒間產(chǎn)生吸引力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要粘性介質(zhì)的介入，并且可以通過(guò)改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)控制顆粒間吸引力的大小。但缺點(diǎn)是由磁場(chǎng)產(chǎn)生的顆粒間的吸引力與附加磁場(chǎng)的方向相同，使床料顆粒間的吸引力呈現(xiàn)明顯的各向異性。這與工業(yè)應(yīng)用中的粘性力性質(zhì)有較大的差別。

軟化顆粒法是以低熔點(diǎn)顆粒如石蠟顆粒、聚乙烯顆粒等為床料。實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)床料顆粒進(jìn)行加熱，使之軟化，并在相互接觸的顆粒間形成固體橋，產(chǎn)生固體橋力，從而模擬工業(yè)應(yīng)用中粘性顆粒的流化形態(tài)。隨著床中溫度場(chǎng)的變化，顆粒間的粘性力值也不斷改變。這種方法既改進(jìn)了噴液法中液體分布不均的缺點(diǎn)，也彌補(bǔ)了磁性力法成本高，與實(shí)際情況差異大的不足。因此，該方法得到了較為廣泛的應(yīng)用。如清華大學(xué)的王希在《粘性大顆粒流態(tài)化過(guò)程流化粘結(jié)特性研究》（2011年，博士學(xué)位論文）中采用石蠟顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。但是此方法的缺點(diǎn)是顆粒間的粘性力無(wú)法準(zhǔn)確量化，而且對(duì)溫度的敏感性較低；固體橋力的數(shù)量級(jí)通常較高，使得利用該方法難以獲得低粘性力作用下的流動(dòng)形態(tài)，從而限制了研究結(jié)果的普適性。

綜上所述，噴液法、磁力法和軟化顆粒法的共性缺點(diǎn)在于：（1）粘性力無(wú)法準(zhǔn)確量化；（2）粘性力值難以控制；（3）粘性力覆蓋范圍狹窄。這對(duì)進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)和理論研究，揭示顆粒粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)的影響機(jī)理設(shè)置了很大的障礙。

值得注意的是，噴液法的缺點(diǎn)的根源在于附加粘性介質(zhì)與顆粒并非同步進(jìn)入床中，導(dǎo)致了粘性介質(zhì)在顆粒表面的分布不均；軟化顆粒法雖然放棄了引入附加粘性介質(zhì)。但是該方法依賴于顆粒自身低熔點(diǎn)的特性，而且這種特性對(duì)溫度的敏感性較低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)粘性力的控制困難，難以測(cè)量。如果能采用一種粘度對(duì)溫度變化敏感的材料，并將這種材料在實(shí)驗(yàn)前均勻包覆在顆粒表面，則能夠彌補(bǔ)上述幾種方法的不足，并且達(dá)到定量研究粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)影響規(guī)律的目的。

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)領(lǐng)域的高速發(fā)展，高分子多聚物的某些物理特性也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)。例如，多聚物涂層表面分子之間在溫度升高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸引力，而且這種吸引力對(duì)溫度的敏感性較高。在《Science》于2002年發(fā)表的《Adhesion?and?friction?mechanisms?of?polymer-on-polymer?surfaces》中，首次報(bào)道并分析了聚苯乙烯和聚乙烯苯氯材料的這一特性。在材料包覆方面，包衣技術(shù)的逐漸完善保證了粘性材料能夠均勻、平整地覆蓋在顆粒表面。迄今為止，尚未見(jiàn)到將這兩種技術(shù)應(yīng)用到研究顆粒間的粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)影響的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的在于提供一種可以精確測(cè)量顆粒間粘性力、易于控制的定量研究顆粒粘性力對(duì)流化床氣固流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)方法。