（化學(xué)工藝專業(yè)論文）磁場協(xié)助作用下非磁性納米顆粒的流態(tài)化.pdf

上：j j0 1 l i 原創(chuàng)性聲明 1 1 1 11 1 11 11i iii i i ii ri ii y 1719 0 3 8 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對(duì)本研究所作的貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明。 作者簽名： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。 作者娩埠聊簽名酵 。 中南大學(xué)碩十學(xué)位論文摘要 摘要 本實(shí)驗(yàn)以非磁性納米s i 0 2 、z n o 和t i 0 2 為原料，首先考察他們 在直徑為5c m 的圓柱型有機(jī)玻璃流化床中的流化性能，發(fā)現(xiàn)在低氣 速下床層易形成活塞、溝流和大聚團(tuán)，壓降波動(dòng)較大，增加氣速，鼓 泡加劇，床中出現(xiàn)分層和揚(yáng)析現(xiàn)象，聚團(tuán)尺寸大，分布較寬，固定床 較高，床層膨脹較小，流化效果較差。磁場能的引入可以有效的消除 節(jié)涌，減小聚團(tuán)平均尺寸和整個(gè)床層的偏析，顯著改善了納米顆粒的 流化質(zhì)量。 實(shí)驗(yàn)同時(shí)考察了流化時(shí)間，表觀氣速，磁場強(qiáng)度和磁性粗顆粒添 加量對(duì)聚團(tuán)大小的影響。結(jié)果表明：給以納米顆粒一定的流化時(shí)問可 以得到更穩(wěn)定的聚團(tuán)，實(shí)驗(yàn)中s i 0 2 為1 0m i n ，z n o 和t i 0 2 為5m i n ； 較高的氣速可以導(dǎo)致較小的聚團(tuán)，本文中最佳氣速為o 11 3 2m s ；在 磁性顆粒不凝聚的情況下，較大的磁場強(qiáng)度和磁性粗顆粒添加量可以 減小流化聚團(tuán)的尺寸。 根據(jù)納米顆粒聚團(tuán)在磁場流化床中碰撞能、有效磁場能、剪切能 和黏性能的平衡分析，建立了估算聚團(tuán)大小的能量平衡模型，據(jù)此模 型計(jì)算了幾種黏性顆粒在磁場流化床中形成的聚團(tuán)大小，計(jì)算結(jié)果與 床層流化后實(shí)測的聚團(tuán)大小較接近。 通過對(duì)能量平衡模型的分析，得到了聚團(tuán)或顆粒團(tuán)聚與破碎的準(zhǔn) 則。并進(jìn)一步分析了聚團(tuán)團(tuán)聚與破碎的可能性。在磁場流化床中，不 同大小的聚團(tuán)相互碰撞，是分離、破碎還是團(tuán)聚，取決于黏性顆粒的 物性( 如顆粒密度、黏性、大小等) 、操作條件( 如表觀氣速) ，磁場 強(qiáng)度和磁性顆粒添加量。實(shí)驗(yàn)與理論分析均表明，高表觀氣速，低顆 粒黏性，大的磁場強(qiáng)度和磁性顆粒添加量對(duì)黏性顆粒聚團(tuán)流態(tài)化比較 有利。因此，對(duì)給定的黏性顆粒，應(yīng)盡量選用較高的表觀氣速、以及 在不發(fā)生磁性顆粒凝聚的情況下，選用較大的磁場強(qiáng)度和磁性顆粒添 加量。 關(guān)鍵詞納米顆粒，磁場流化床，聚團(tuán)大小，磁場參數(shù)，能量模型 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef l u i d i z a t i o nb e h a v i o ro fn o n m a g n e t i cs i 0 2 ，z n oa n dt i 0 2 n a n o p a r t i c l e s i n p l e x i g l a s s c o l u m nw i t ht h ed i a m e t e ro f5c mi s i n v e s t i g a t e d p l u ga n dc h a n n e l i n gi nt h et r a d i t i o n a lf l u i d i z e db e dw e r e o b s e r v e di nt h el o w e rs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e s t h ep r e s s u r ed r o p f l u c t u a t e de x t e n s i v e l y b u b b l i n ge n l a r g e dw i t hi n c r e a s i n gg a sv e l o c i t y d e f l u i d i z a t i o n ，e l u t r i a t i o na n dl a r g ea g g l o m e r a t ea p p e a r e d t h eb e d e x p a n s i o n r a t i ow a ss m a l l s ot h ef l u i d i z a t i o n p e r f o r m a n c e o f n a n o p a r t i c l e s w a s p o o r i nt h et r a d i t i o n a lf l u i d i z e db e d d u et o i n t r o d u c t i o no f m a g n e t i c f i e l d e n e r g y , t h es l u g g i n g o fb e dw a s d i s a p p e a r e d ，t h e m e a s u r e d a g g l o m e r a t e s i z ew a sd e c r e a s e da n d f l u i d i z a t i o nq u a l i t yw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a tt h es a m et i m et h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r ss u c ha sf l u i d i z a t i o nt i m e ， s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , m a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n to ft h e c o a r s em a g n e t so ns i z eo fa g g l o m e r a t e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tm o r es t a b l ea g g l o m e r a t e sc o u l db eg o tt h r o u g hac e r t a i nf l u i d i z a t i o n t i m e t h ef l u i d i z a t i o nt i m eo fs i 0 2w a s10m i n ，a n dz n oa n dt i 0 2 n a n o p a r t i c l e sw e r eb o t h5 m i ni nt h ee x p e r i m e n t b o t ht h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e rg a sv e l o c i t yl e a d e dt oa s m a l l e r a g g l o m e r a t es i z e i ft h e c o a r s e m a g n e t sd o n o t h a p p e n c o n d e n s i n g ，l a r g e rm a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n to ft h ec o a r s e m a g n e t sm a y l e a d st oad e c r e a s i n go ft h ea g g l o m e r a t es i z e am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ep r e d i c t i o no fa g g l o m e r a t es i z e si s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fe n e r g yb a l a n c eo ft h ea g g l o m e r a t ec o l l i s i o n e n e r g y , m a g n e t i cf i e l de n e r g y , e n e r g yg e n e r a t e db yh y d r o d y n a m i c ss h e a r a n dc o h e s i v ee n e r g yi nm f b t h es i z eo fa g g l o m e r a t eo fc o h e s i v e p a r t i c l e si sc a l c u l a t e dw i t ht h i sm o d e l t h ee q u i l i b r i u ma g g l o m e r a t e s i z e s c a l c u l a t e d b y t h i sm o d e la r ei nr e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t ht h e e x p e r i m e n t a lv a l u e s a g g l o m e r a t i n ga n db r e a k i n gc r i t e r i a a r eo b t a i n e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h es o l u t i o no ft h ee n e r g yb a l a n c em o d e l t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a th i g h e rs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , l o w e rc o h e s i o no fp a r t i c l e s ，l a g e rm a g n e t i ci n t e n s i t ya n da d d i n ga m o u n t o ft h ec o a r s em a g n e t sa r ea d v a n t a g e o u st ot h ea g g l o m e r a t ef l u i d i z a t i o no f 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a ( 玎 c o h e s i v ep a r t i c l e s k e y w o r d s ：n a n o - p a r t i c l e s ，m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，a g g l o m e r a t e s i z e ，m a g n e t i cp a r a m e t e r s ，e n e r g ym o d e l i l i 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 目錄 摘要一1 f l b s t r a c t i i 第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述1 1 1 弓i 言一l 1 2 納米顆粒2 1 2 1 納米顆粒的定義及其應(yīng)用2 1 2 2 納米顆粒的團(tuán)聚原因2 1 3 聚團(tuán)大小的測量3 1 4 磁場流態(tài)化一5 1 4 1 磁場流態(tài)化的發(fā)展歷史6 1 4 2 磁場對(duì)床層流態(tài)化行為的影響7 1 5 磁場流態(tài)化的模型及應(yīng)用研究1 0 1 5 1 磁場強(qiáng)度與氣泡大小模型的基本假設(shè)1 0 1 5 2 氣泡頂部針狀結(jié)構(gòu)的受力分析1 0 1 5 3 磁場流化床的穩(wěn)定性判據(jù)1 l 1 5 4 強(qiáng)磁場下鐵磁性物質(zhì)發(fā)生凝聚的判定12 1 5 5 磁場流態(tài)化的應(yīng)用研究1 3 1 6 聚團(tuán)大小的預(yù)測模型1 5 1 6 1 力平衡模型15 1 6 2 能量平衡模型一17 1 6 3 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵? 7 1 7 選題的意義一l8 第二章實(shí)驗(yàn)體系2 0 2 1 實(shí)驗(yàn)裝置2 0 2 2 實(shí)驗(yàn)物料2 0 2 3 操作條件和實(shí)驗(yàn)方法2 1 第三章納米顆粒聚團(tuán)大小2 3 3 1 納米s i 0 2 的聚團(tuán)大小變化2 3 3 1 1 納米s i 0 2 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小2 3 3 1 2 納米s i 0 2 在磁場流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小。2 3 3 2 納米z n o 的聚團(tuán)大小變化2 6 i v 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 3 2 1 納米z n o 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小。2 6 3 2 2 納米z n o 在磁場流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小。2 7 3 3 納米t i 0 2 的聚團(tuán)大小變化2 9 3 3 1 納米 r i 0 2 在傳統(tǒng)流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小2 9 3 3 2 納米t i 0 2 在磁場流化床中的流化特征和聚團(tuán)大小3 0 第四章粘性顆粒磁場流化床中的能量平衡模型3 3 4 1 模型的導(dǎo)出3 3 4 1 1 碰撞能3 3 4 】2 磁場能3 4 4 1 3 黏性能3 6 4 1 4 流體剪切能3 8 4 2 結(jié)果和討論3 9 4 2 1 能量方程的分析3 9 4 2 2 三種顆粒聚團(tuán)的實(shí)驗(yàn)值和估算值的比較4 0 4 3 團(tuán)聚與破碎原因分析4 1 4 3 1 團(tuán)聚原因分析4 1 4 3 2 破碎原因分析4 2 4 4 ，j 、結(jié)z h 第五章結(jié)論4 5 展望4 7 符號(hào)說明4 8 參考文獻(xiàn)5 1 致謝6 0 攻讀學(xué)位期問主要研究成果6 1 v 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 1 1 引言 第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 流態(tài)化技術(shù)可泛指為通過流體運(yùn)動(dòng)使固體顆粒懸浮并進(jìn)行某種操作的過程 【l 】。根據(jù)流體相的不同流態(tài)化可分為三種類型：氣固流態(tài)化、液固流態(tài)化、氣 液固流念化。當(dāng)流體對(duì)固體顆粒的曳力與固體顆粒自身重力相接近時(shí)，固體顆 粒就處于懸浮狀態(tài)并具有許多液體的性質(zhì)，比如料面能像液面一樣保持水平或波 動(dòng)、具有良好的流動(dòng)性等。相對(duì)與固體顆粒不動(dòng)的固定床而言，流化床具有較高 的傳熱傳質(zhì)效果、能實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作和反應(yīng)以及大規(guī)模處理粉末材料等優(yōu)點(diǎn)。隨操 作流體速度的不同，流化現(xiàn)象大體可分為五個(gè)階段：起始流化床、散式流化床、 鼓泡流化床、騰涌流化床、氣力輸送。由于多相流的復(fù)雜性以及對(duì)顆粒間微觀作 用機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足，難以精確區(qū)分不同的流化階段，目前主要采用對(duì)流化床中氣 泡行為的研究以及床層壓力波動(dòng)信號(hào)分析的方法來確定。近年來對(duì)流態(tài)化的研究 集中在新型反應(yīng)器的丌發(fā)設(shè)計(jì)和模型放大以及應(yīng)用研究等方面，其中循環(huán)流化 床、快速流化床、噴動(dòng)床、外力場作用床等具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。 流態(tài)化技術(shù)廣泛應(yīng)用與化工、石化、冶金、能源、材料、生化、環(huán)保、制藥 等領(lǐng)域中，典型操作過程及應(yīng)用如表1 1 。 表1 1 流態(tài)化典型操作過程及應(yīng)用 操作過程優(yōu)點(diǎn)典型應(yīng)用舉例 干燥、移處理量大，溫度容易控制，酵母與m b s 樹脂干燥【2 1 、聚氯乙 熱、吸附能耗小，傳熱、傳質(zhì)速率高稀樹脂干燥3 1 、丁烯氧化脫氫移熱 【4 】 物料混合、操作較安全、混合均勻，可 包涂、造粒包涂外表復(fù)雜的物件 合成反應(yīng)催化劑容易實(shí)現(xiàn)再生，良好 的流動(dòng)性能和大熱容量 烴類加工 轉(zhuǎn)化率高，催化劑活性高、 選擇性好、容易再生 礦石焙燒處理量大，移熱、輸送方便， 燃料燃燒較完全 煤的燃燒熱容量大，宜控溫，傳熱系 數(shù)高，低污染 微生物培溫度容易控制，可連續(xù)生產(chǎn) 養(yǎng) 粉狀油漆對(duì)會(huì)屬制件的包涂【5 】，粒 狀尿素表而硫磺的包覆【6 】 鄰苯二甲酸酐合成【7 】，醋酸乙烯合 成【8 】丁烯氧化制丁二烯【9 1 催化裂化【l o 】，重油裂化【l l 】，費(fèi)托 合成f 1 2 1 鐵礦的預(yù)還原【1 3 】，氧化鋁煅燒【1 4 】 循環(huán)流化床鍋爐【1 5 】 線狀真菌的培養(yǎng) 由于對(duì)傳統(tǒng)流化床以及a 、b 類顆粒流態(tài)化的認(rèn)識(shí)已較為成熟，對(duì)流態(tài)化的 研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)到新型流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)開發(fā)與工業(yè)放大上。然而近年來各種納 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 米材料的不斷出現(xiàn)引起了多方變革，其巨大的比表面積以及各種特殊的物理和化 學(xué)性能有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值，許多研究領(lǐng)域由此而產(chǎn)生了新的研究內(nèi)容和方 向，流態(tài)化技術(shù)就是其中之一。 1 2 納米顆粒 1 2 1 納米顆粒的定義及其應(yīng)用 納米顆粒是粒徑范圍為0 1 1 0 0n n 3 的一類顆粒的總稱，屬于g e l d a r t 分類中 的c 類顆?！緇6 1 。納米顆粒由于粒徑較小、比表面積較大，具有突出的表面效應(yīng)， 即顆粒易團(tuán)聚和熱穩(wěn)定性差，還有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如光學(xué)性能、磁 學(xué)性能、電學(xué)性能、催化性能等，使得其應(yīng)用技術(shù)研究成為當(dāng)前世界上研究的熱 點(diǎn)，流態(tài)化技術(shù)就是其中之一17 強(qiáng)】。 原生納米顆粒由于粒徑很小，導(dǎo)致分子間引力、靜電力以及液體橋力等作用 力非常巨大，在自然堆積過程中容易形成小聚團(tuán)，稱為一次聚團(tuán)或自然聚團(tuán)，粒 徑一般在十幾個(gè)微米左右；在流化過程中，一次團(tuán)聚物在內(nèi)部黏附力與外部流體 剪應(yīng)力共同作用下會(huì)進(jìn)一步形成一種結(jié)構(gòu)松散的流體力學(xué)聚團(tuán)，稱為二次聚團(tuán)或 流態(tài)化聚團(tuán)。二次團(tuán)聚物一般難以直接觀測到，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)松散，停止流化時(shí)， 通常二次團(tuán)聚物結(jié)構(gòu)隨之解體，二次團(tuán)聚體的大小可由一次團(tuán)聚物起始流化速度 或模型化方法計(jì)算得到，其粒徑一般約為幾百微米【1 9 圳】。 有關(guān)納米顆粒的流態(tài)化目前已有許多研列2 2 。8 1 ，但是由于納米顆粒的原生粒 徑非常小，不能像a 、b 類顆粒那樣以單個(gè)顆粒的形式流化，在非常低的氣速下 就會(huì)被帶出，在傳統(tǒng)的流化床中易出現(xiàn)活塞、溝流和聚團(tuán)等不良現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn) “正常 流化。納米顆粒的流態(tài)化特性一般表現(xiàn)為：表觀氣速較低時(shí)，流化床中 顆粒可能呈活塞式上升或溝流；表觀氣速增大，床層分裂，形成大小不一的聚團(tuán)， 底部聚團(tuán)較大，多呈固定床，上部為小聚團(tuán)或單顆粒流化床；當(dāng)表觀速度增加到 一定值時(shí)，納米顆粒一般以聚團(tuán)的形式流化，即聚團(tuán)流態(tài)化。 超細(xì)、微細(xì)及納米顆粒由于尺寸微小，分子間的作用力巨大，在傳統(tǒng)的流化 床中難以實(shí)現(xiàn)良好流化，另外b 、d 類顆粒的流化性能也需要進(jìn)一步提高。一些 研究者采用顆粒設(shè)計(jì)【3 9 4 2 1 、內(nèi)部構(gòu)件和床型設(shè)訓(xùn)4 3 ，刪及流體設(shè)訓(xùn)3 9 4 5 1 等方法來 改善它們的流化性能，取得了一定的效果。 1 2 2 納米顆粒的團(tuán)聚原因 團(tuán)聚現(xiàn)象是納米粉體制備及收集過程中的一個(gè)難題，目前已經(jīng)得到了越來越 多有關(guān)人士的重視。 納米顆粒由于粒度小，表面原子比例大，比表面積大，表面能大，處于能量 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 不穩(wěn)定狀態(tài)【蛔，因而很容易凝聚，團(tuán)聚，形成二次粒子，使粒子粒徑變大，失 去納米顆粒所具備的特性，給納米粉體的制備和保存帶來了很大困難。造成納米 顆粒團(tuán)聚的因素很多，歸納起來主要包括以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 納米顆粒的表面效應(yīng)所謂“納米顆粒”的表面效應(yīng)是指納米顆粒的 表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。納米 顆粒具有很高的比表面積，當(dāng)納米顆粒的粒徑在1 0n m 以下時(shí)，表面原子的比例 迅速增加，當(dāng)粒徑降至1n m 時(shí)，表面原子比例高達(dá)9 0 0 6 0 以上，原子幾乎全部 集中到顆粒的表面，處于高度活化狀態(tài)，導(dǎo)致表面原子配位數(shù)不足和高表面能， 從而使這些原子極易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，可見，納米顆粒具有很高的 化學(xué)活性，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的表面效應(yīng)。 ( 2 ) 布朗運(yùn)動(dòng)f 4 7 】碰撞使得顆粒具有與周圍顆粒相同的動(dòng)能，因此小顆粒 運(yùn)動(dòng)得快，納米小顆粒在做布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此會(huì)經(jīng)常碰撞到，由于吸引作用，它們 會(huì)連接在一起，形成二次顆粒。二次顆粒較單一顆粒運(yùn)動(dòng)的速度慢，但仍有機(jī)會(huì) 與其他顆粒發(fā)生碰撞，進(jìn)而形成更大的團(tuán)聚體，直到大到無法運(yùn)動(dòng)而沉降下來。 ( 3 ) 當(dāng)顆粒細(xì)到一定粒徑以下，顆粒之間的距離極短，顆粒之間的范德華引 力遠(yuǎn)大于顆粒自身的重力。表面原子或離子數(shù)的比例也大大提高，因而使其表面 活性增加，顆粒間的吸引力增大。同時(shí)，由于沖擊、摩擦及粒徑的減小，在粒子 的表面積累了大量的正電荷或負(fù)電荷，由于顆粒的形狀各異、極不規(guī)則，造成表 面電荷在新生粒子的拐角及凸起處聚集。產(chǎn)生靜電力從而團(tuán)聚【4 8 1 。s i 0 2 顆粒是由 剛性、實(shí)心、極細(xì)的球狀顆粒組成，生成時(shí)眾多顆粒熔結(jié)在一起，形狀很不規(guī)則， 且納米s i 0 2 分子表面有很多的o h ，水分子很容易和表面的o h 生成氫鍵，具有 親水的強(qiáng)極性表面，它們之間由于氫鍵和范德華力的吸引而容易生成集結(jié)群，受 力后易分開，但很容易再集結(jié)【49 。 ( 4 ) 在超細(xì)粒子中，小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。使之與空氣或 各種介質(zhì)接觸后，極易吸附氣體、介質(zhì)或與其作用，晶粒生長的速度加快，從而 失去原來的表面性質(zhì)，導(dǎo)致粘結(jié)與團(tuán)聚【5 0 5 1 】。 1 3 聚團(tuán)大小的測量 現(xiàn)階段主要有三種方法測量聚團(tuán)大小。 第一種方法是采用顯微放大探頭與c c d 模型攝像機(jī)的耦合結(jié)構(gòu)，視頻信號(hào) 送入攝像機(jī)或監(jiān)視器，視頻信號(hào)通過圖像卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。 此方法的優(yōu)點(diǎn)是可測量密相床( 亦稱乳化相) 中的聚團(tuán)大小，但由于粘性顆 粒極易粘附在顯微放大探頭的鏡片上，測量一下就需取出擦拭放大探頭。 第二種方法是在流化床外用光學(xué)系統(tǒng)可在線測量納米顆粒聚團(tuán)的大小。用這 3 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 種光學(xué)系統(tǒng)得到了1 0 種物料的聚團(tuán)大小，但無法測量o x 5 0 的，因?yàn)樗c器壁 黏附在一起而無法得到其圖像。a p f 和a b f 兩種流型的聚團(tuán)形狀如圖1 1 所示。 從圖中可以看出聚團(tuán)不是球形的。假設(shè)聚團(tuán)是球形的，據(jù)此給出了其中一種顆粒 的聚團(tuán)大小分布，見圖1 2 。 圖1 - i ( a ) 散式流化( a p f ) 的聚團(tuán)形狀r 9 7 4 ( 1 2n m ) 和( b ) 圖i - 2 鼓泡流化( a b f ) 的聚團(tuán)形狀t i 0 2 ( 2 1 n m ) 10 0 。0 2 8 0 04 6 0 06 4 0 0 躦踟唧腓s i n ：細(xì)秘 圖1 2 典型的聚團(tuán)大小分布，r 9 7 4 ( 1 2 n m ) 1 2 3 l 此方法的優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)測量稀相床中的聚團(tuán)大小，但不能測量床層底部中的 聚團(tuán)大小。 第三種方法是采用o x f o r dl a s e r sv i s i s i z e r t m 顆粒圖像分析儀( p d i a ) 研 究納米顆粒流態(tài)化時(shí)的團(tuán)聚情況【2 4 】。激光器( m o d e lh s l l 0 0 0 ) 提供波長8 0 5n m 的脈沖紅外光。激光器用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硅電荷傳感器和單色數(shù)碼相機(jī)( k o d a k m e g a p i x e lm o d e le s l o ) 連接起來。用激光從后方照亮研究區(qū)域，數(shù)碼相機(jī)捕 捉到聚團(tuán)的陰影圖像。選擇的研究區(qū)域是流化床表面的噴動(dòng)區(qū)。因?yàn)樵诖颂幘蹐F(tuán) 剛離丌表面，可以觀察到聚團(tuán)的行為，這個(gè)區(qū)域位于帶出區(qū)的下方，確保觀察到 4 喲 憾喲鼉 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章實(shí)驗(yàn)辛亨景和文獻(xiàn)綜述 的聚團(tuán)尺寸具有代表性。從兩個(gè)方面證明是合理的：首先，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中沒有 觀察到尺寸分離的現(xiàn)象；另外，用v i s i s i z e r t m 測量時(shí)發(fā)現(xiàn)聚團(tuán)的平均大小沒有 明顯變化。如果流化床中存在尺寸分離，那么在噴動(dòng)區(qū)可以看到因高的固體循環(huán) 量而引起的聚團(tuán)尺寸波動(dòng)。激光和相機(jī)是觸發(fā)式的，所以單束的激光脈沖在拍攝 的每張圖片中可以“凍結(jié)”聚團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，最大速度是每秒3 0 張圖片。實(shí)驗(yàn)之前， 把顆粒的一系列標(biāo)準(zhǔn)圖像存在處理軟件里以對(duì)圖像系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。由于制造商已 經(jīng)校準(zhǔn)過，因此這些圖像的微米像素比是已知的。校準(zhǔn)值根據(jù)透鏡的放大倍數(shù) 確定。在分析過程中，測量顆粒聚團(tuán)的像素面積，通過校準(zhǔn)得到相當(dāng)?shù)木蹐F(tuán)直徑。 由于實(shí)驗(yàn)所用的放大倍數(shù)很大，所以通過v i s i s i z e r t m 得到的圖像區(qū)域比較 小( 4 - 9l l l l n ) 。這使得在連續(xù)圖像中跟蹤單個(gè)流化聚團(tuán)比較困難。 用o x f o r dl a s e r sv i s i s i z e r t m 系統(tǒng)對(duì)流化聚團(tuán)進(jìn)行在線研究。可以在有氣體 且存在相互作用的條件下得到聚團(tuán)的特性。停止流化以后測量聚團(tuán)大小的方法得 不到這些動(dòng)力特性。在線測量很重要，因?yàn)榱骰^程中高粘性顆粒的聚團(tuán)大小會(huì) 發(fā)生變化，這與靜態(tài)不同。 研究納米顆粒聚團(tuán)時(shí)必須考慮流動(dòng)狀況的影響。因?yàn)闅怏w的流動(dòng)、固體的循 環(huán)及頻繁碰撞會(huì)影響聚團(tuán)的結(jié)構(gòu)，流化聚團(tuán)與靜態(tài)聚團(tuán)有很大的不同。 我們對(duì)幾種使用相對(duì)廣泛的取樣測量方法進(jìn)行比較總結(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情 況，取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)出一種操作簡單，取樣準(zhǔn)確的微小裝置，在線取樣，然后在 流化床外用金置正相顯微鏡觀察，并測定聚團(tuán)大小。 1 4 磁場流態(tài)化 流態(tài)化現(xiàn)象是一種由于流體向上流過固體顆粒堆積的床層而使得固體顆粒 具有一般流體性質(zhì)的現(xiàn)象?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛使用流態(tài)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)以流固相為對(duì) 象的物理和化學(xué)加工。傳統(tǒng)流化床一方面具有固體輸送方便、傳熱能力強(qiáng)及操作 壓降低等優(yōu)點(diǎn)；但另一方面也存在著返混嚴(yán)重、流一固相接觸效率低等缺點(diǎn)，因 此發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)流化床的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，開發(fā)具有突破性進(jìn)展的流一固相反應(yīng)器 已成為當(dāng)f ； 技術(shù)進(jìn)步的迫切需要。 運(yùn)用外加能量來強(qiáng)化流固相反應(yīng)過程正是順應(yīng)了這種技術(shù)需要而產(chǎn)生的， 實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，外力場可以有效地削弱和克服黏性顆粒之間的黏聚力，減小聚團(tuán) 尺寸，從而改善黏性顆粒的流態(tài)化質(zhì)量。常用的外力場有振動(dòng)場、聲場和磁場， 還有離，t l , ( 超重) 力場和攪拌力場等。振動(dòng)流態(tài)化技術(shù)的研究主要局限在流體力 學(xué)和熱量傳遞、干燥特性以及振動(dòng)參數(shù)的影響方面，振動(dòng)流化床作為化學(xué)反應(yīng)器 的研究還有待于加強(qiáng)。有研究者認(rèn)為在實(shí)際工業(yè)化的大型裝置中采用振動(dòng)這種方 法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)有一定難度，由于引入了振動(dòng)，設(shè)備的復(fù)雜性增加了，機(jī)械也 5 中南大學(xué)碩十學(xué)位論文 第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 成為影響振動(dòng)流化床發(fā)展及大型化的障礙之一。聲場流態(tài)化是將聲波從流化床頂 部或底部傳入流化床中，達(dá)到某種效果，目前對(duì)聲場協(xié)助下的流態(tài)化研究還處于 實(shí)驗(yàn)階段。n o w a k 等人【5 2 ，5 3 】研究了聲場作用下細(xì)顆粒的流態(tài)化與傳熱特性。發(fā) 現(xiàn)加入低頻率的聲場可以明顯改善流動(dòng)性差的細(xì)顆粒的流化質(zhì)量。當(dāng)聲頻調(diào)至共 振頻率時(shí)可以得到最高的床層膨脹和最高的傳熱效率。通過調(diào)整聲場的強(qiáng)度與頻 率，還可以減少床層中細(xì)粉的夾帶損失。磁場流念化是流態(tài)化技術(shù)與電磁技術(shù)相 結(jié)合的產(chǎn)物，是一種高效、新型的流態(tài)化技術(shù)。當(dāng)固體顆粒為鐵磁性物質(zhì)( 即在 磁場作用下具有磁性并接受磁場的作用) ，或固體顆粒中混有相當(dāng)數(shù)量的鐵磁性 物質(zhì)時(shí)，外力場會(huì)明顯影響顆粒物料的流態(tài)化行為，防止氣泡與顆粒聚團(tuán)的形成 與長大，從而改善流化質(zhì)量。郭慕孫最先提出利用交流電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場流態(tài)化研究的設(shè)想。朱慶山、李洪鐘【5 4 】對(duì)磁場作用下c 類物料流 態(tài)化行為進(jìn)行了反復(fù)觀測和深入分析，發(fā)現(xiàn)磁場對(duì)流化質(zhì)量的改善主要是由于鐵 磁性物質(zhì)在磁場力的作用下沿著磁力線方向形成很多針狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。朱慶山、 李洪鐘【5 5 】對(duì)超細(xì)顆粒的磁場流念化機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)磁場能有效的消 除流化床內(nèi)的溝流，使穩(wěn)定的流態(tài)化操作得以實(shí)現(xiàn)。也有人【5 6 5 7 j 基于兩相流理 論和粒子流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，利用數(shù)值模擬觀察了在磁場流化床中的鐵磁體的流化行 為，發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度可以有效抑制流化床中大氣泡的長大，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流態(tài)化，在 沿床高的梯度磁場中，顆粒之間的磁場力和梯度磁場力隨著磁場強(qiáng)度的增加而增 加。隨著磁場強(qiáng)度的增加，氣固之間的剪切力先減小然后增加。 1 4 1 磁場流態(tài)化的發(fā)展歷史 物料為磁性顆粒的流化床，通過外加磁場來控制床層結(jié)構(gòu)、顆粒的運(yùn)動(dòng)和氣 泡的性質(zhì)，這種流化床稱為磁流化床。適當(dāng)控制外加磁場，可消除磁流化床床層 內(nèi)的氣泡，形成磁穩(wěn)流化狀態(tài)。這優(yōu)于快速流化床需要高氣速、大量顆粒的捕集 和循環(huán)來達(dá)到無氣泡的目地。由于磁流化床集固定床與傳統(tǒng)流化床的優(yōu)點(diǎn)于一 身，被認(rèn)為是最有前途的新型反應(yīng)器之一，它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：( 1 ) 有效地抑制 流體的返混，使流體停留時(shí)間分布得以明顯地改善；( 2 ) 有效地抑制氣泡的長大 和溝流的發(fā)生；( 3 ) 可以采用細(xì)的粒子而無需擔(dān)心過大的壓降；( 4 ) 增大流化床 的操作范圍，增加設(shè)備的生產(chǎn)能力【5 8 9 1 。 磁場流態(tài)化如果從流化介質(zhì)劃分，它可分為液固磁場流念化、氣固磁場流 態(tài)化和氣液固三相磁場流態(tài)化；如果從磁場強(qiáng)度方面劃分，它可分為穩(wěn)恒磁場流 態(tài)化和交變磁場流態(tài)化；如果從磁場方向劃分，它可分為軸向磁場流態(tài)化和橫向 磁場流態(tài)化1 6 0 1 。f i l i p p o v t 6 1 ，6 2 】于1 9 5 9 1 9 6 1 年間最早開展磁場流態(tài)化的研究，他用 交變磁場研究了水鐵粉體系，得到了此體系的近似相圖。t u t h i l l 在其1 9 6 9 年申請(qǐng) 6 中南大學(xué)碩十學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 的專利【6 3 1 中最早提出“磁穩(wěn)流化床”( m s b ) 的概念，其研究表明磁場既能壓縮 純鐵磁性物料與非鐵磁性物料混合體系流化床內(nèi)的氣泡，并且還指出磁場強(qiáng)度大 小要合適，既要能有效地壓縮氣泡，又不能使顆粒團(tuán)聚的過大。從7 0 年代開始人 們才系統(tǒng)地研究了磁場流態(tài)化，7 0 年代中后期西方學(xué)者對(duì)磁場流態(tài)化的研究日益 重視，其中美 e x x o n 公司r o s e n s w e i g 的研究成果最為突出，他于1 9 7 8 年到1 9 7 9 年間獲得兩項(xiàng)關(guān)于磁穩(wěn)流化床的專利，并對(duì)m s b 作了系統(tǒng)的研究。這些研究涉 及：均勻磁場與非均勻磁場的作用；a c 與d c 產(chǎn)生磁場對(duì)流化質(zhì)量影響的比較； 磁場強(qiáng)度的影響以及鐵磁性物質(zhì)與非鐵磁性物質(zhì)混合分率對(duì)流化質(zhì)量的影響等。 根據(jù)其研究結(jié)果，將磁場作用下流化床的流化行為分為三個(gè)階段：( 1 ) 固定床； ( 2 ) 穩(wěn)定流化床；( 3 ) 不穩(wěn)定流化床，并且還陳述( 1 ) 、( 2 ) 階段用起始流化 速度u 襪區(qū)分，( 2 ) 、( 3 ) 階段以鼓泡流化速度u m b 為界。他的研究還表明：( 1 ) 空間、時(shí)間均勻的磁場優(yōu)于空間、時(shí)間不均勻的磁場；( 2 ) 磁場能提高流化床的 操作范圍；( 3 ) 鐵磁性物質(zhì)與非鐵磁性物質(zhì)的混合物能很好地實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，并且 還指出要使流化床能穩(wěn)定操作，最好的鐵磁性物質(zhì)體積百分率在2 5 到5 0 之 問。s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 6 4 j 詳盡研究了磁場強(qiáng)度對(duì)m s b 的影響，研究表明弱磁 場有利于床層的流化質(zhì)量，當(dāng)磁場強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，整個(gè)床層就被磁力凝結(jié)在一起， 不能實(shí)現(xiàn)流態(tài)化。h r i s t o v l 6 5 】對(duì)比了“前磁化 和“后磁化 的流化過程?！扒?磁化”指的是在起始流化之前床層為固定床時(shí)就加入磁場。“后磁化”指的是當(dāng) 床層達(dá)到起始流化時(shí)再加入磁場。研究表明，“前磁化”床型包括固定靜止床、 磁穩(wěn)床、磁鏈固定結(jié)構(gòu)床、磁鏈穩(wěn)定流化床、磁鏈鼓泡床和磁聚床； “后磁化 床型包括傳統(tǒng)鼓泡床、鼓泡磁鏈流化床、磁鏈均勻流化床和磁聚床。9 0 年代各國 都非常重視磁場流態(tài)化的研究，國際著名刊物p o w d e r t e c h n o l o g y 為此出了專刊， 介紹磁場流態(tài)化研究的最新成果。 1 4 2 磁場對(duì)床層流態(tài)化行為的影響 對(duì)m s b 磁場的研究主要有兩大類：軸向磁場和橫向磁場，每一類又可分為 穩(wěn)恒磁場和交變磁場兩種。磁性顆粒在流化床中除了受重力、浮力、曳力作用外 還受磁場力以及在較高磁場下被磁化顆粒之間的相互作用力，隨著磁場強(qiáng)度的變 化表現(xiàn)出不同的流化現(xiàn)象，如圖1 3 。s i e g e l l 等人m 】研究過a c 及d c 產(chǎn)生的磁 場對(duì)床層流化行為的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)d c 磁場的操作范圍大于a c 磁場的。s a x e n a 和s h r i v a s t a v a 詳盡研究了磁場強(qiáng)度對(duì)流化行為的影響，表明在弱磁場的作用下， 顆粒問的磁場力較小，床層壓降始終接近w a ，床層料面平穩(wěn)，床層中偶爾有 氣泡出現(xiàn)，流化質(zhì)量較好；在中等強(qiáng)度磁場的作用下，磁場力對(duì)床層流化行為有 相當(dāng)?shù)挠绊?，在氣速超過起始流化速度u m f 后，流化床主要由氣泡和溝流組成， 7 流化性能改善不很顯著；隨添加量增加到一定程度，所有的較大聚團(tuán)在床的中下 部( 磁場的作用范圍) 被破碎，以小聚團(tuán)的形式流化，床上部的小聚團(tuán)相互碰撞， 可能再次聚集，下沉到床的中下部后被運(yùn)動(dòng)的磁性大顆粒破碎。從而，整個(gè)床層 能以小聚團(tuán)的形式流化。 朱慶山等【6 7 】系統(tǒng)地研究了c 類鐵粉、鐵粉與鐵黃和鐵粉與白炭黑體系的流念 化行為，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)流化非鐵磁性物質(zhì)鐵黃時(shí)，無論加多大的磁場，均會(huì)在床內(nèi)形 成溝流，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流化操作；而在鐵黃中加入很少的鐵粉( 5 體積) 后， 即使很小的磁場強(qiáng)度也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流態(tài)化操作；實(shí)驗(yàn)用雙光纖探頭測量了流化 床內(nèi)的氣泡尺寸，并用所得到的氣泡尺寸作為衡量流化質(zhì)量的定量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測 定了不同條件下氣泡的尺寸，發(fā)現(xiàn)在表觀氣速相同時(shí)，氣泡尺寸隨著磁場強(qiáng)度的 增加而逐漸減小，但磁場強(qiáng)度太大會(huì)導(dǎo)致鐵粉和鐵黃分層或者鐵粉發(fā)生凝聚，因 8 中南大學(xué)碩十學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 此在特定條件下，磁場強(qiáng)度存在一個(gè)最優(yōu)的范圍。在相同的磁場強(qiáng)度下，隨著鐵 粉分率的增加，氣泡尺寸減小。 通過對(duì)磁場作用下c 類物料流態(tài)化行為的反復(fù)觀察和深入分析，發(fā)現(xiàn)磁場對(duì) 流化質(zhì)量的改善主要是由于鐵磁性物質(zhì)在磁場力的作用下沿著磁力線方向形成 很多針狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。針狀結(jié)構(gòu)對(duì)流化質(zhì)量的改善主要有以下三個(gè)方面：( 1 ) 因 為針狀結(jié)構(gòu)很容易從氣泡的頂部進(jìn)入氣泡使氣泡破碎，這與傳統(tǒng)的“刀狀物”或 “指狀物破碎氣泡的機(jī)理相似；( 2 ) 針狀物對(duì)c 類顆粒的團(tuán)聚物有破碎作用； ( 3 ) 當(dāng)c 類粉體流化出現(xiàn)溝流時(shí)，在磁場力的作用下，溝道中會(huì)存在許多針狀 物，從而減小了溝道中氣體的流通面積，增加了氣體通過通道的阻力并且使整團(tuán) 的c 類細(xì)粉分割成許多小塊，使床層的通氣性變好，提高了流化質(zhì)量。 y u 等【6 8 】研究發(fā)現(xiàn)在低頻率的軸向磁場流化床中，床層中納米顆粒就可以達(dá) 到正常流化并且最小流化速度顯著降低，此外床層不會(huì)出現(xiàn)溝流或活塞等不正常 流化現(xiàn)象，床層均勻膨脹且無氣泡出現(xiàn)。 呂雪松等【6 9 ，7 0 】通過研究發(fā)現(xiàn)在橫向旋轉(zhuǎn)磁場中，流化添加鐵顆粒比例低的 混合顆粒體系時(shí)，不但可以使添加顆粒成鏈自旋還會(huì)使整個(gè)床層產(chǎn)生振動(dòng)。其實(shí) 驗(yàn)表明，橫向旋轉(zhuǎn)磁場適用于鐵顆粒含量少的混合顆粒的流態(tài)化，當(dāng)磁場強(qiáng)度為 7 9 5 5a m ，磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)為1 0 ，可以獲得最高的流化質(zhì)量；影響鐵顆粒 成鏈的主要因素是：頻率、場強(qiáng)、流體速度以及鐵顆粒的添加比例。 t h i v e l 掣7 1 】研究了在兩塊永久磁鐵產(chǎn)生的橫向磁場下氣一固m s b 的流體力 學(xué)特性，該系統(tǒng)平面層狀圖如圖1 4 所示。研究中發(fā)現(xiàn)即使是在磁性顆粒所占質(zhì) 量分?jǐn)?shù)比較小的情況下，也能讓系統(tǒng)處于一個(gè)磁穩(wěn)狀態(tài)，有較高的床層膨脹。如 果將其用于空氣過濾，一方面可以達(dá)到很高的除塵效率，另一方面可以減少能源 消耗。另外a t o d i r e s e i 等f 7 2 】提出了一種在交流和直流共同作用下形成的一種軸向 和橫向復(fù)合磁場m s b ( 如圖l 一5 ) ，并研究了其流體力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)由直流電源 產(chǎn)生的磁場對(duì)液速、磁場強(qiáng)度、床層膨脹以及床層壓降之間的關(guān)聯(lián)影響不大，振 動(dòng)磁場下的床層壓降要低于相同系統(tǒng)下非振動(dòng)磁場的。 圖1 4 磁性顆粒在磁場下的層狀結(jié)構(gòu) 9 0 嘲眥肭刪蜘螂眺刪曬 o n c m 刪i m r t i e l e 曲噸l y 啦州 圖1 5 復(fù)合磁場m s b 的結(jié)構(gòu) 溺麓，；巧囊犍薯誓 孵f。r隙”h f 卜“。；i 姚 中南人學(xué)碩十學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 1 5 磁場流態(tài)化的模型及應(yīng)用研究 由于磁場作用下兩相流的復(fù)雜性，所以對(duì)磁場改善流化質(zhì)量的機(jī)理至今尚未 研究得十分清楚，很多人在這方面作了有益的探索。 1 5 1 磁場強(qiáng)度與氣泡大小模型的基本假設(shè) c 類物料磁場流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)研究表明：磁場力只能使流化床內(nèi)的氣泡變小， 而不能使氣泡完全消失。在定的磁場下，床內(nèi)存在一個(gè)最大穩(wěn)定的氣泡大小， 因此在推導(dǎo)磁場強(qiáng)度與氣泡大小的相互關(guān)系時(shí)使用了如下的基本假設(shè)： ( 1 ) 氣泡的破碎主要是由于鐵磁性物質(zhì)形成的針狀結(jié)構(gòu)從氣泡頂部進(jìn)入氣 泡引起的；本研究只分析單個(gè)針狀結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡的破碎作用，并假定針狀結(jié)構(gòu)的進(jìn) 入能使氣泡破碎。 ( 2 ) 在一定條件下，流化床內(nèi)存在一個(gè)最大穩(wěn)定的氣泡尺寸吃。；，按前述 氣泡破碎的機(jī)理，吒胂。受流化床內(nèi)針狀結(jié)構(gòu)大小的影響，即：廠( 元一，) = 0 。 當(dāng)d b 吃舢。時(shí)，氣泡破裂占主要；當(dāng)d b 以一。) 。 ( 4 ) 假設(shè)針狀結(jié)構(gòu)為截面積相等的圓柱，忽略截面積不規(guī)則對(duì)氣泡破碎作 用的影響。 1 5 2 氣泡頂部針狀結(jié)構(gòu)的受力分析 針狀結(jié)構(gòu)共受5 個(gè)力：磁場力、流體的浮力、重力、氣泡對(duì)針狀結(jié)構(gòu)的作用 力及流體對(duì)針狀物的曳力，在受力分析時(shí)取向下的方向?yàn)檎较颉０蚜骰仓袣?泡看成是長度為吃、電流為，的直導(dǎo)線，推導(dǎo)出針狀物所受磁場力為： e = 一k 日，( 日，一h a ) 以 ( 1 1 ) 負(fù)號(hào)說明針狀物受到的磁場力方向向上。式中k 的表達(dá)式如下： k ：拿棖j r , ( 1 - 2 ) 針狀物受到的重力為： 鬈= 肛( 1 一) g 萬諺 ( 1 - 3 ) 針狀物在床內(nèi)受到的流體浮力可計(jì)算如下： l o 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章實(shí)驗(yàn)背景和文獻(xiàn)綜述 c = 一乃g 萬砰 ( 1 4 ) 位于氣泡頂部的針狀物，在與氣泡接觸時(shí)還受到氣泡對(duì)它的作用力，此力方 向向上，其大小可以按下式近似計(jì)算： 圪= 一蘭風(fēng)鰣 ( 1 5 ) 針狀物所受到的曳力可計(jì)算如下： 冗：一c d 阜甜z 4 ：址埤：一p s g l r c r ( 1 6 ) 綜合上面分析的各力，針狀物所受的合力可以表示如下： 艫= e + t + c + e + 局 ( 1 - 7 ) 當(dāng)齲 0 時(shí)，針狀物受到的合力向下，針狀結(jié)構(gòu)將進(jìn)入氣泡，氣泡不穩(wěn)定。在一 定條件下床內(nèi)存在的最大穩(wěn)定的氣泡尺寸可由下面的臨界條件給出 職i 如；矗。= 0 i1 - 8 ) 將式( 1 1 ) 、式( 1 - 3 - - - 1 6 ) 帶入式( 1 7 ) 后即可得磁控流化床中操作條件 與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系： 一k h ，( h f h d ) d b ，一+ 肛( 1 一乞) 萬彳，g 一乃萬乎一詈凡醒。一p b g l 萬# = 0 ( 1 - 9 ) 該式由于參數(shù)較多，難以用來計(jì)算針狀結(jié)構(gòu)的大小。文獻(xiàn)m 采用攝像及圖像 模式識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)針7 物大小進(jìn)行了分析，運(yùn)用無因次方法對(duì)針狀物長短與操作 條件的關(guān)系進(jìn)行了分析，其結(jié)果如下： 取，乃，“g ) = 1 9 6 x 1 0 6 石n 0 2 l 5 7 2 u g 。0