湿颗粒体系的流态化行为及机理研究

Liquid addition is common in industrial fluidization-based processes， however, most studies on fluidization have focused on dry system. The influence of liquid on fluidized beds is almost an open problem. Therefore, in the present project we will focuse on the characteristics and mechanisms of fluidization of wet particles. Both micro behaviros of particle collision with the presence of liquid and macro behaviors of wet partlcie fluidization are studied. On the particle collision, the effect of liquid content on energy dissipation of particle collision both in the normal and tangential directions are investigated, while in the literaute studies are limited to normal collision. The comprehensive collision data will provide a solid base for developing wet particle collision model. On the macro fluidization behaviors of wet particles, systematic tests are performed in a fluidized bed to clarify transition among different flow patterns by analyzing pressure fluctuations and instantaneous fluidization images. In addition, numerical simulations are carried out. By analyzing wet particle collision using Stokes non-dimensional number, the contacting force and liquid bridge force are coupled to build a novel contact force model of wet particle collision. The collision model is then coupled with discrete element method (DEM) for simulating the wet particle system. Based on the DEM simulation results, instantaneous and micro characteristics of the fluidization of wet particles are explored further. Based on this, the behaviors on different scales,that particle collision, meso-scale phenomena such as bubbles, and fluidizaton patterns, are related by inter-scale analysis. To this end, the present project will provide a solid base for understanding behaviors and mechcanims of wet particle fluidization. It also might motivate the future studies in this exciting but mostly unexplored field.

湿颗粒流态化存在于多种流化床物理和化学工艺过程中，而流态化学科经过半个多世纪的发展，主要针对干燥颗粒体系，对于湿颗粒流态化的认识远未成熟。为此，本项目提炼出湿颗粒流态化基础问题，开展专题研究。结合微观层面的湿颗粒碰撞和宏观层面的湿颗粒体系流化，逐层推进研究。颗粒层面上，采用横向风实现颗粒与含液膜覆盖的平板的斜向碰撞实验方法，同时研究湿颗粒法向和切向碰撞能量耗损，弥补了现有研究局限于法向碰撞的缺点，为湿颗粒碰撞模型的建立提供全面的数据；颗粒体系层面上，基于湿颗粒流化床的床层压力波动和瞬时流化形态分析，揭示湿颗粒流化形态的转变规律。进一步，基于Stokes无量纲数耦合液桥力与接触力，建立湿颗粒碰撞模型，发展湿颗粒体系DEM模型。再根据DEM模拟结果获取湿颗粒流化床的瞬时和细观结构，建立"颗粒碰撞-气泡等介观特征-流化形态"不同尺度间的关联，深入揭示湿颗粒流态化的机理。

流化床反应器因其高效的传热传质与连续处理大量颗粒的能力，在不同工业领域中得到了广泛的应用。由于流化床处理对象与手段的多样化，颗粒性质经常发生改变，其中较为常见的是由于少量液体加入到气固流化床中，引起颗粒间以液桥力为代表的粘性力。本项目在颗粒层面和颗粒体系层面上分别开展了粘性力作用下颗粒的碰撞及流态化机理研究：.（1）颗粒层面上，设计并搭建颗粒-平板含液膜碰撞系统，其中颗粒与平板间的粘性力通过调节液膜的性质和厚度实现，提出了采用横向扰动风赋予颗粒水平运动速度，实现颗粒与覆盖液膜的平板进行斜向碰撞的目标，克服了传统的倾斜平板法只能应用高粘度、低厚度液膜的缺点。液桥力对于反弹颗粒在法向方向上的动能损耗影响较大，而对切向方向的影响较小。在法向方向上，颗粒的能量耗损随液膜粘度和厚度的增加而增加，却随碰撞速度的增加而减小；在切向方向上，能量耗损过程主要由液膜厚度主导：厚度较大时，液体主要起阻力作用，而当厚度较小时，液体的作用更倾向于“润滑”。进一步，结合液体弹性动力学理论和经典的流体力学理论首次提出了用于判断颗粒是否反弹的临界Stokes数模型以及用于衡量颗粒能量耗损的碰撞恢复系数模型，获得了较为准确的预测结果。.（2）颗粒体系层面上，利用“多聚物涂层”法引入颗粒间粘性力，通过调节温度，改变多聚物粘性，从而实现调节颗粒间粘性力的目标。与无粘颗粒体系相比，粘性力的存在抑制了床内中心区域的气泡合并过程，促进了气泡在床层顶部区域的分裂过程。粘性力对床内整体的流化特性呈阶段式影响：在粘性力增加的初始阶段，乳化相的持气能力提高，气泡通过频繁的纵向合并从近似圆形过渡到竖椭圆形，减弱了床两侧颗粒的运动强度，导致当粘性力继续增大时，颗粒率先向床两侧粘结，床层膨胀比迅速降低，并最终以沟流的形式造成流化失效。进一步，应用迟滞碰撞模型分别在颗粒碰撞的加载和卸载阶段考虑液体粘弹阻力（lubrication force）和液桥力引起的动能耗损，建立湿颗粒流化床CFD-DEM模型。对湿颗粒流化床进行数值模拟研究，比较了不同粘性条件下颗粒的流动及混合特性。发现随着颗粒粘性的增大，颗粒聚团加剧，气泡边界变得粗糙并逐渐转变为气体沟流，最终导致流化失效。随着颗粒粘性的增大，颗粒的相对运动被阻碍，颗粒速度降低，床层压降逐渐减小，颗粒混合速度减慢。

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