專利名稱：定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流動領(lǐng)域,涉及一種定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法。
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)點而廣泛應(yīng)用于化學、石油、冶金等行業(yè)。流化顆粒的特性對于流態(tài)化反應(yīng)器的正常運行具有重要的影響。在氣固流化床應(yīng)用的很多物理和化學工藝，諸如造粒、干燥、水泥煅燒、催化裂化等過程中，顆粒普遍具有粘性，容易聚團，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)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，揭示顆粒間的粘性力對流化床氣固流動特性的影響規(guī)律及機理對流化失效的早期預報和改善流化方法的提出具有十分重要的意義。對于實驗研究，粘性力的引入是首要問題。傳統(tǒng)的粘性力引入方法有噴液法、磁力法、軟化顆粒法二種。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改變噴入的液體量和液體粘度進行控制。這種方法的優(yōu)點是簡單易行；缺點是液體后于顆粒進入床內(nèi)，靠顆粒不斷的流化和運動與其混合，這極易造成液體在顆粒表面的分布不均，導致顆粒間的液橋形態(tài)和相應(yīng)的液橋力不同，從而影響實驗結(jié)果的準確性。磁力法是流化鐵磁性顆粒,并在流化床周圍添加磁場，使顆粒極化，從而在顆粒間產(chǎn)生吸引力。這種方法的優(yōu)點是不需要粘性介質(zhì)的介入，并且可以通過改變磁場的強度來控制顆粒間吸引力的大小。但缺點是由磁場產(chǎn)生的顆粒間的吸引力與附加磁場的方向相同，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)有較大的差另1J。軟化顆粒法是以低熔點顆粒如石蠟顆粒、聚乙烯顆粒等為床料。實驗時，對床料顆粒進行加熱，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)。隨著床中溫度場的變化，顆粒間的粘性力值也不斷改變。這種方法既改進了噴液法中液體分布不均的缺點，也彌補了磁性力法成本高，與實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。如清華大學的王希在《粘性大顆粒流態(tài)化過程流化粘結(jié)特性研究》(2011年，博士學位論文)中采用石蠟顆粒進行實驗研究。但是此方法的缺點是顆粒間的粘性力無法準確量化，而且對溫度的敏感性較低；固體橋力的數(shù)量級通常較高，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在于:(I)粘性力無法準確量化；(2)粘性力值難以控制；(3)粘性力覆蓋范圍狹窄。這對進一步深化實驗和理論研究，揭示顆粒粘性力對流化床氣固流動的影響機理設(shè)置了很大的障礙。值得注意的是，噴液法的缺點的根源在于附加粘性介質(zhì)與顆粒并非同步進入床中，導致了粘性介質(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的特性，而且這種特性對溫度的敏感性較低，導致實驗時對粘性力的控制困難，難以測量。如果能采用一種粘度對溫度變化敏感的材料，并將這種材料在實驗前均勻包覆在顆粒表面，則能夠彌補上述幾種方法的不足，并且達到定量研究粘性力對流化床氣固流動影響規(guī)律的目的。近年來，隨著材料科學領(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會產(chǎn)生較強的吸引力，而且這種吸引力對溫度的敏感性較高。在《Science》于2002年發(fā)表的《Adhesion and frictionmechanisms of poIymer-on-poIymer surfaces》中，首次報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，尚未見到將這兩種技術(shù)應(yīng)用到研究顆粒間的粘性力對流化床氣固流動影響的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于提供一種可以精確測量顆粒間粘性力、易于控制的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法。技術(shù)方案:本發(fā)明的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，包括以下步驟:首先配置多聚物溶液并在包衣機中將所述多聚物溶液均勻噴涂于待研究的顆粒表面，形成多聚物涂層；然后在流化床中對包覆有多聚物涂層的顆粒進行流化實驗，通過改變顆粒表面溫度控制顆粒間的粘性力，同時觀測并記錄不同溫度下顆粒的流動形態(tài)；最后利用表面力儀測定所述顆粒表面的多聚物涂層在不同溫度下產(chǎn)生的吸引力，并與相同溫度下觀測到的流化形態(tài)相關(guān)聯(lián)，即建立粘性力值與相同溫度下的包括氣泡尺寸和分布，顆粒聚團，壓力信號波動特性在內(nèi)的流化形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，獲得不同粘性力值作用下的流化形態(tài)，達到定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的目的。本發(fā)明中的多聚物溶液為苯基乙胺、聚甲基丙烯酸甲酯和水的混合物，苯基乙胺和聚甲基丙烯酸甲酯按2:·1的體積比混合后，再與清水按1:2的質(zhì)量比混合。本發(fā)明方法中采用的包衣機為滾筒式包衣機，所述的顆粒屬于Geldart B/D類顆粒，所述的顆粒表面的多聚物涂層厚度為0.2mm。本發(fā)明中采用表面力儀測定在不同溫度下多聚物涂層之間產(chǎn)生的吸引力即顆粒的粘性力。本發(fā)明中的流化實驗在二維可視化流化床上進行，通過電加熱器預熱空氣，調(diào)節(jié)流化床的溫度在室溫到100攝氏度范圍，進而調(diào)節(jié)顆粒間的粘性力。實驗時，可在流化床的床體四周布置保溫夾層，實驗時向夾層內(nèi)通入與流化風溫度相同的保溫風，阻止床內(nèi)的顆粒向周圍散熱，保證在實驗過程中顆粒溫度維持恒定。有益效果:本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，在粘性力引入方面，放棄了傳統(tǒng)的附加粘性介質(zhì)和高溫軟化顆粒的方法，轉(zhuǎn)而采取了全新的多聚物涂層法，即利用多聚物分子在高溫下會產(chǎn)生吸引力這一特性引入粘性力，同時利用包衣技術(shù)保證多聚物均勻、緊密地覆蓋在顆粒表面，并在表面力儀上測定了不同溫度下多聚物涂層間吸引力的精確值。這種方法既改進了噴液法由于液體分布不均造成的顆粒間粘性力不均的缺點，也彌補了軟化顆粒法粘性力不可量化的不足。在流化實驗方面，本發(fā)明涉及的實驗方法通過改變流化風溫度控制顆粒間的粘性力，溫度在室溫至100°c內(nèi)。這與噴液法相比省去了噴液系統(tǒng)，與粘性顆粒法相比，無需安裝大功率的電加熱裝置，從而簡化了實驗裝置，方便了安裝和維修。整個方法既能定量研究粘性力的影響，又能實現(xiàn)對粘性力的靈活、準確地控制，簡便易行，成本低廉，研究結(jié)果的準確性和可信度高。


圖1所示為荸薺式包衣機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為二維可視化流化床實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖中有:包衣鍋I ;儲液桶2 ;蠕動泵3 ;雙流體霧化噴槍4 ;熱風管道5 ;流化床6 ；旁路閥門7 ;主路閥門8 ;空壓機9 ;壓縮氣瓶10 ;流量計11 ;空氣預熱器12、13 ;保溫夾層14。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于具體實施例。 針對Ge I dart B類顆粒的定量研究顆粒間的粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，包括實驗顆粒制備、流化實驗和粘性力測量三部分。實驗顆粒制備過程在如圖1所示的國產(chǎn)BY-400型荸薺式包衣機上進行。制備時，首先將5kg直徑為Imm的藥用阿斯巴甜顆粒放入軸向轉(zhuǎn)動的包衣鍋I中，使之充分的混合滾動。同時向儲液桶2中注入包衣溶液。包衣液的主要成分是苯基乙胺、聚甲基丙烯酸甲酯和水的混合物，其中，苯基乙胺和聚甲基丙烯酸甲酯按2:1的體積比混合后，再與清水按1:2的質(zhì)量比混合。然后控制溶液注入量，使之與顆?？偙砻娣e的比值為0.2，即保證顆粒涂層厚度在0.2_左右。開啟蠕動泵3和空氣壓縮機，使包衣溶液通過雙流體噴槍霧化噴槍4均勻噴灑在作連續(xù)復雜運動的顆粒表面上。在包衣的同時通過熱風管道5向包衣鍋內(nèi)通入熱空氣，及時對顆粒上的包衣液進行干燥，使之快速形成堅固、細密、完整、圓滑的表面薄膜覆蓋在顆粒表面。實驗顆粒制備結(jié)束后，關(guān)閉空氣壓縮機和蠕動泵，保持包衣鍋繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，待顆粒表面完全干燥后，將其取出。流化實驗在二維可視化流化床實驗臺上進行。實驗時，將制備好的顆粒倒入流化床6中，開啟旁路閥門7，關(guān)閉主路閥門8。打開空氣壓縮機9和壓縮氣瓶10，調(diào)節(jié)流量計11，同時開啟空氣預熱器12、13，設(shè)定溫度值，對流化風和保溫風同時加熱。待流化風溫度達到預設(shè)值并穩(wěn)定一段時間后，關(guān)閉旁路閥門7，開啟主路閥門8，流化風進入床內(nèi)流化床料，同時將與流化風溫度相同的保溫風通入保溫夾層14，阻止床內(nèi)的顆粒向周圍散熱，保證在實驗過程中顆粒表面的溫度維持恒定。流動形態(tài)穩(wěn)定后，即可開始流化特性實驗。每個實驗工況結(jié)束后，關(guān)閉主路閥門8，開啟旁路閥門7，在空氣預熱器12、13上設(shè)定新溫度值，并重復上述步驟，進行新工況實驗。粘性力的測量過程是利用表面力儀測定在不同溫度下、包覆有多聚物涂層的顆粒之間產(chǎn)生的吸引力。測量時，將兩顆包衣后的顆粒加熱到設(shè)定溫度t，然后以ImN的力擠壓I分鐘。在表面力儀上測量將兩個顆粒完全拉開所需要的拉脫力FP。進而采用式(I)計算出拉脫能即粘性能wadh。
權(quán)利要求
1.一種定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，其特征在于，該方法首先配置多聚物溶液并在包衣機中將所述多聚物溶液均勻噴涂于待研究的顆粒表面，形成多聚物涂層；然后在流化床中對包覆有多聚物涂層的顆粒進行流化實驗，通過改變顆粒表面溫度控制顆粒間的粘性力，同時觀測并記錄不同溫度下顆粒的流動形態(tài)；最后利用表面力儀測定所述顆粒表面的多聚物涂層在不同溫度下產(chǎn)生的吸引力，并與相同溫度下觀測到的流化形態(tài)相關(guān)聯(lián)，即建立粘性力值與相同溫度下的包括氣泡尺寸和分布，顆粒聚團，壓力信號波動特性在內(nèi)的流化形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，獲得不同粘性力值作用下的流化形態(tài)，達到定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，其特征在于，所述的多聚物溶液為苯基乙胺、聚甲基丙烯酸甲酯和水的混合物，所述苯基乙胺和聚甲基丙烯酸甲酯按2:1的體積比混合后，再與清水按1:2的質(zhì)量比混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，其特征在于，所述的包衣機為滾筒式包衣機，所述的顆粒屬于Geldart B/D類顆粒，所述顆粒表面的多聚物涂層厚度為0.2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，其特征在于，所述的流化實驗在二維可視化流化床上進行，通過電加熱器預熱空氣，調(diào)節(jié)流化床的溫度至室溫到100攝氏度范圍內(nèi)，進而調(diào)節(jié)顆粒間的粘性力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，其特征在于，所述流化床的床體四周布置保溫夾層，實驗時向夾層內(nèi)通入與流化風溫度相同的保溫風，阻止床內(nèi)的顆粒向周圍 散熱，保證在實驗過程中顆粒表面的溫度維持恒定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定量研究顆粒粘性力對流化床氣固流動影響的實驗方法，首先配置多聚物溶液并利用包衣機將其均勻噴涂于顆粒表面，然后測定多聚物涂層在不同溫度下的粘性力，在流化床中對包覆有多聚物涂層的顆粒進行流化實驗，通過改變床層溫度控制顆粒間的粘性力。本發(fā)明首次將包衣技術(shù)與多聚物特性相融合，制備粘性顆粒并開展流化實驗，具有粘性力定量準確，易于控制的優(yōu)點，可用于獲取不同粘性力作用下顆粒在流化床中的氣固流動特性。
文檔編號G09B23/10GK103236208SQ20131013856
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者劉道銀, 馬吉亮, 陳曉平 申請人:東南大學