气-固微型流化床流型及压差波动信号分析

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气-固微型流化床结合了传统气-固流化床和微型反应器的优势,具有传递性能优、壁面通量高和过程安全可控等优点,已广泛应用于多个研究领域中。由于气-固两相流动本身的多态性和复杂性,准确和定量描述气-固微型流化床内的气-固流动状态,是实现对该类反应器设计和优化的基础。本文对床径为3mm~20mm的气-固微型流化床的流动特性进行了实验研究与分析,取得主要的研究结果如下:
  (1)考察了A类和B类两种类型颗粒的流化特性,研究了床几何结构、操作条件、物相性质等因素对最小流化速度的变化规律。结果表明,气-固微型流化床中的床层压降特性与颗粒类型密切相关。固定床阶段,A类颗粒与壁面间的相互作用更强,导致实验压降值偏离计算值更大;流化床阶段,B类颗粒在床层内表现出了更高的气泡聚并和破裂程度,加剧了颗粒间的碰撞,增加了能量损失,形成了较高的实验压降。在影响最小流化速度的因素中,床内径与静态床层高度对最小流化速度的影响是不能忽略的。综合考察各种因素的影响,提出了预测微型流化床最小流化速度的无量纲经验关联式。
  (2)采用时域分析方法,并结合可视化技术研究了气-固微型流化床中A类颗粒和B类颗粒的流型变化规律。研究表明,对于A类颗粒,随气速的增加,流化床依次经历了散式、鼓泡、节涌和湍动流化四种流型。对于B类颗粒,流化床在达到最小流化速度后则直接进入鼓泡流化;在10mm以下的流化床中,静态床层高度对节涌流态化和湍动流态化的转变速度影响较为显著;A类颗粒更强的凝聚性抑制了气泡的合并,使鼓泡流态化的操作区域更大;B类颗粒间较大的空隙,可以稳定或者促进气泡的合并,使节涌流态化更易出现;当Dh/dp较小时,B类颗粒将直接从鼓泡流态化进入到湍流流态化。
  (3)A类颗粒和B类颗粒在不同流型下的Hurst指数均大于0.5,表明各流型的时间序列具有长期相关性;频域分析方法显示出两类颗粒的功率谱主频位置均位于低频率处,随着气速的增加,功率谱密度呈现先增加后减小的变化规律;对几种流型下的时间序列信号分别进行了自相关系数和重构三维吸引子相图研究,自相关变化趋势和吸引子的特点均证明了气-固微型流化床具有混沌特性;分析吸引子的关联维,可知鼓泡流型下的混沌特性最强。
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