超細(xì)粉在內(nèi)循環(huán)流化床中的流態(tài)化特性

張國杰，皮立強(qiáng)，楊興燦，周 勇

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065

超細(xì)粉一般指粒徑小于10 μm 的粉體材料，它處于微觀粒子和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，具有一系列獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在宇航、電子、冶金、化工、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于超細(xì)粉極強(qiáng)的粒間粘附力，極易團(tuán)聚，致使其在實(shí)際使用過程中失去了超細(xì)粉的許多優(yōu)越性，效能不能充分發(fā)揮。研究表明，解決超細(xì)粉分散性問題的最有效的方法是對超細(xì)粉進(jìn)行表面改性處理，經(jīng)過適當(dāng)表面改性處理的超細(xì)粉其分散性會(huì)大大提高，同時(shí)通過表面改性處理還可以提高其“親和性”和實(shí)用性，大大擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域和使用價(jià)值。而流態(tài)化技術(shù)作為一種強(qiáng)化氣固接觸的手段，在處理、制備超細(xì)粉顆粒方面都具有很大的優(yōu)越性，因此超細(xì)粉的流態(tài)化技術(shù)受到了人們的關(guān)注。

超細(xì)粉屬于難流化的C 類顆粒[1]，這類顆粒由于粘附性強(qiáng)，采用傳統(tǒng)方法流化時(shí)易形成溝流，難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流態(tài)化。Chaouki 等[2]發(fā)現(xiàn)，原生粒子粒徑只有幾個(gè)納米的Cu/Al2O3氣溶膠，在高氣速下能以聚團(tuán)的形式實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流化，隨后很多學(xué)者也都發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[3-9]，但大多數(shù)情況下，由于形成的聚團(tuán)粒度分布廣，流化質(zhì)量很差，粘附性很強(qiáng)的粉體如TiO2、CaCO3等[8,9]則會(huì)在床層底部形成大塊聚團(tuán)，即使很高的氣速、引入外力場、添加粗顆粒也難以將它們流態(tài)化。馬蘭等[10,11]采用導(dǎo)向管噴動(dòng)床來流化超細(xì)粉，發(fā)現(xiàn)高速射流可以將CaCO3超細(xì)粉分散成小聚團(tuán)，使超細(xì)粉在一定操作條件下能夠在導(dǎo)向管噴動(dòng)床內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流態(tài)化。

本研究擬在導(dǎo)向管噴動(dòng)床基礎(chǔ)上，在環(huán)隙區(qū)引入流化氣，構(gòu)成氣固內(nèi)循環(huán)體系。利用噴嘴噴出的高速射流破碎超細(xì)粉聚團(tuán)，利用流化氣使破碎后的小聚團(tuán)在環(huán)隙區(qū)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流態(tài)化，同時(shí)消除環(huán)隙死區(qū)，使粉體在環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流管之間穩(wěn)定循環(huán)。并實(shí)驗(yàn)考察不同流化方式下的流化特性，定量分析射流氣速對超細(xì)粉聚團(tuán)尺寸的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。流化床體由有機(jī)玻璃制成，為方便觀察，流化床床體、導(dǎo)流管和噴嘴均為半圓柱型。流化床內(nèi)徑為120 mm，高度為1 000 mm；導(dǎo)流管內(nèi)徑為30 mm，長度為400 mm，通過套絲固定在半圓柱的平面上，安裝高度可以調(diào)節(jié)；噴嘴直徑為3 mm。分布板為錐形，錐角為90 °，開孔率為3.67%，小孔直徑為1 mm，孔間距為5 mm。

來自壓縮機(jī)的空氣經(jīng)過濾器過濾、硅膠干燥器干燥后分為兩路，一路經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，由底部噴嘴進(jìn)入床內(nèi)，為射流氣；另一路經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入環(huán)隙氣體分布器，再由錐形分布板進(jìn)入床內(nèi)，為流化氣；兩股氣體在床層上部匯合，最后經(jīng)過布袋過濾排空。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

圖2 二氧化鈦顆粒粒徑分布Fig.2 Size distribution of TiO2

1.2 實(shí)驗(yàn)物料和方法

實(shí)驗(yàn)物料采用平均粒徑為387 nm 的TiO2超細(xì)粉，粒度由納米激光粒度儀測量，粒徑分布如圖2所示。實(shí)驗(yàn)前，先將物料置于烘箱中，在100 ℃烘干1 h，再放入干燥皿中冷卻至室溫后備用。

實(shí)驗(yàn)中，靜止床層高度為160 mm，導(dǎo)流管距離噴嘴高度為60 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過控制流化氣與射流氣的流量，實(shí)現(xiàn)三種不同的流化方式，即普通流化床、導(dǎo)向管噴動(dòng)床與內(nèi)循環(huán)流化床。床層中聚團(tuán)由高速攝像機(jī)（型號為COOKE PCO 1200S）拍照后，再用DT2000 圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行分析得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 只通入流化氣時(shí)超細(xì)粉的流化特性

圖3 不同流化方式下TiO2 的流化Fig.3 TiO2 fluidization with different fluidization gases

只通入流化氣時(shí)，床層為普通流化床。TiO2的流化經(jīng)歷了活塞流、過渡區(qū)、聚團(tuán)流化三個(gè)階段。氣速很低時(shí)，粉體呈固定床。當(dāng)氣速增加至某一值時(shí)，粉體呈活塞狀上升，升至某一高度后趨于靜止，床層中出現(xiàn)傾斜裂紋；繼續(xù)增加氣速，活塞繼續(xù)上升，同時(shí)裂紋擴(kuò)展、增大，當(dāng)活塞升至某一高度后突然崩塌，此即為活塞流階段?；钊浪螅垠w落于分布板上，床層中出現(xiàn)溝流，隨氣速增加，粉體被氣流切割成聚團(tuán)進(jìn)入溝流中，大聚團(tuán)沉積于床底，小聚團(tuán)在上部流化，同時(shí)，有一些細(xì)粉被氣流帶出床層；氣速進(jìn)一步增加，更多粉體成為聚團(tuán)，流化區(qū)域擴(kuò)展，此即為過渡區(qū)。最后，全部粉體轉(zhuǎn)變成聚團(tuán)，大聚團(tuán)在床層底部形成固定床，上部為小聚團(tuán)流化床，如圖3(a)所示，此即為聚團(tuán)流化階段；當(dāng)氣速增大到0.074 m/s 時(shí)，底部大聚團(tuán)仍沒有流化，而上部小聚團(tuán)已經(jīng)湍動(dòng)流化，揚(yáng)析很嚴(yán)重，流化質(zhì)量很差。

2.2 只通入射流氣時(shí)超細(xì)粉的流化特性

只通入射流氣時(shí)，床層為導(dǎo)向管噴動(dòng)床。隨著射流氣速增大，噴嘴附近及導(dǎo)向管中粉體呈活塞狀上升，一部分粉體被推出導(dǎo)向管，另一部分破碎形成大塊狀落回噴嘴出口處，落回的粉體被射流分散成小聚團(tuán)，并被氣流帶出導(dǎo)向管后落入環(huán)隙區(qū)，導(dǎo)向管很快被吹空，氣流由導(dǎo)向管短路通過，環(huán)隙區(qū)則處于固定床，如圖3(b)所示。與文獻(xiàn)[10,11]中不同，即使射流氣速增加到200 m/s，環(huán)隙區(qū)粉體仍保持靜止。這是由于TiO2顆粒粘性較強(qiáng)、密度大，高速射流在噴嘴附近形成的負(fù)壓不能克服粉體與壁面間摩擦力，環(huán)隙區(qū)粉體不能進(jìn)入噴動(dòng)區(qū)。因此，在導(dǎo)向管噴動(dòng)床中，高速射流雖然能破碎聚團(tuán)，但是由于環(huán)隙區(qū)的粉體不能進(jìn)入噴動(dòng)區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)粉體的穩(wěn)定循環(huán)。

2.3 同時(shí)通入射流氣和流化氣時(shí)超細(xì)粉的流化特性

先通入流化氣，控制氣速為0.05 m/s，使環(huán)隙區(qū)進(jìn)入聚團(tuán)流化階段，床層底部大聚團(tuán)呈固定床；然后通入射流氣，當(dāng)氣速大于60 m/s 時(shí)，粉體可以被氣流帶出導(dǎo)流管出現(xiàn)噴泉。此時(shí)，可以看到，首先是噴嘴附近的大聚團(tuán)在射流作用下不斷被破碎成小聚團(tuán)，并被氣流經(jīng)導(dǎo)流管帶出，落入環(huán)隙區(qū)流化；隨著噴嘴附近大聚團(tuán)不斷減少，距離噴嘴較遠(yuǎn)的大聚團(tuán)在流化氣及射流卷吸作用下，也不斷進(jìn)入噴射區(qū)，被射流破碎后帶入環(huán)隙區(qū)。經(jīng)過一段時(shí)間后，床層底部大聚團(tuán)消失，形成的小聚團(tuán)一方面在環(huán)隙區(qū)流化氣的作用下處于平穩(wěn)流態(tài)化，同時(shí)在射流卷吸作用下，在導(dǎo)流管區(qū)與環(huán)隙之間形成穩(wěn)定的循環(huán)，如圖3(c)所示。因此，高速射流能夠有效地破碎超細(xì)粉聚團(tuán)，減小聚團(tuán)尺寸，流化氣可以避免環(huán)隙出現(xiàn)死區(qū)，并使破碎后的小聚團(tuán)能在環(huán)隙區(qū)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的流態(tài)化。

2.4 射流氣速對聚團(tuán)尺寸的影響

實(shí)驗(yàn)還考察了射流氣速對聚團(tuán)尺寸的影響，即在固定環(huán)隙氣速為0.05 m/s情況下，改變射流氣速，在導(dǎo)流管出口處測定聚團(tuán)尺寸分布，結(jié)果如圖4所示。圖中還給出了相應(yīng)射流氣速下聚團(tuán)尺寸的平均值?？梢钥闯?，隨著射流氣速的增大，聚團(tuán)的平均直徑減小，大聚團(tuán)所占比例逐漸減小，聚團(tuán)的尺寸分布更加集中。這是由于隨著射流氣速的增大，氣流提供的剪切力增大，破碎效果增強(qiáng)，聚團(tuán)的尺寸減小。并且隨射流氣速增大，大聚團(tuán)尺寸明顯減小，而小聚團(tuán)尺寸減小較少，所以尺寸分布范圍變窄。

圖4 不同射流氣速下床層中聚團(tuán)的粒度分布Fig.4 Size distribution of agglomerates under different jet gas velocity

3 結(jié) 論

a）通過對超細(xì)粉在內(nèi)循環(huán)流化床中三種不同流化方式下流化特性的實(shí)驗(yàn)研究表明，同時(shí)通入流化氣和射流氣時(shí)，流化氣能促進(jìn)粉體進(jìn)入噴射區(qū)，消除環(huán)隙死區(qū)；高速射流能有效的破碎聚團(tuán)，顯著減小其尺寸，從而使超細(xì)粉在環(huán)隙區(qū)與導(dǎo)流管之間形成穩(wěn)定循環(huán)，被破碎后的小聚團(tuán)在環(huán)隙區(qū)流化氣作用下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的流態(tài)化。

b）在固定的流化氣速下，射流氣速的增大，有利于聚團(tuán)尺寸減小，粒度分布變窄，但射流氣速達(dá)到一定值后，聚團(tuán)尺寸分布變化不大，而聚團(tuán)平均直徑仍會(huì)減小。

[1]Geldart D.Types of gas fluidization [J].Powder Technology, 1973, 7(5):285-292.

[2]Chaouki J, Chavarie C, Klvana D, et al.Effect of interparticle forces on the hydrodynamic behavior of fluidized aerogels [J].Powder Technology, 1985, 43(2):117-125.

[3]Wang Z L, Kwauk M, Li H Z.Fluidization of fine particles [J].Chemical Engineering Science, 1998, 53(3):377-395.

[4]周 濤.粘性 SiC 顆粒聚團(tuán)流態(tài)化特性 [J].化工學(xué)報(bào), 1998, 49(5):528-533.Zhou Tao.Fluidization behavior of agglomerates of SiC cohesive particles [J].Journal of Chemical Industry and Engineering, 1998,49(5):528-533.

[5]Morooka S, Kusakabe K, Kobata A, et al.Fluidization state of ultrafine powders [J].Journal of Chemical Engineering of Japan, 1988,21(1):41-46.

[6]周 勇, 梁華瓊, 石炎福.超細(xì)粉流化機(jī)理和團(tuán)聚現(xiàn)象的探討 [J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝, 2004, 19(4):289-294..Zhou Yong, Liang Huaqiong, Shi Yanfu.Study on fluidization mechanism and agglomerating behavior of ultrafine powders [J].Chemical Reaction Engineering and Technology, 2004, 19(4):289-294.

[7]Valverde J M, Quintanilla M A S, Castellanos A, et al.Fluidization of fine and ultrafine particles using nitrogen and neon as fluidizing gases [J].AIChE Journal, 2008, 54(1):86-103.

[8]Zhu C, Yu Q, Dave R N, et al.Gas fluidization characteristics of nanoparticle agglomerates [J].AIChE Journal, 2005, 51(2):426-439.

[9]Xu C B, Zhu J.Experimental and theoretical study on the agglomeration arising from fluidization of cohesive particles - effects of mechanical vibration [J].Chemical Engineering Science, 2005, 60(23):6529-6541.

[10]馬 蘭, 周 勇.超細(xì)粉在導(dǎo)向管噴動(dòng)床中的流化行為 [J].化工設(shè)計(jì), 2002, 12(1):15-17.Ma Lan, Zhou Yong.Fluidizing behaviors of ultra-fine powders in a spouted bed with a draft tube [J].Chemical Engineering Design,2002, 12(1):15-17.

[11]馬 蘭.超細(xì)粉在導(dǎo)向管噴動(dòng)床中的流化行為 [D].成都:四川大學(xué), 2001.