第15卷第1期
化学反应工程与工艺
Vol 15,No 11999年3月
Chemical Reaction Engineering and Technology
March ,1999
Ξ
靳海波 张 锴 张济宇 张碧江
ΞΞ
(中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,030001)
摘 要 研究了振动流化床中颗粒的轴向浓度分布及最小流化速度，根据不同操作条件下最小流化速度
的实验值，定义了最小流化速度的计算式；同时考察双组分颗粒混合与分离情况，根据实验结果，修正了
Nienow 定义的双组分颗粒的转变气速，并与实验值相符。
关键词：振动流化床 颗粒分离 最小流化速度 转变气速
1 前 言
振动流化床因其独特的优点，而被广泛地应用于固体颗粒的混合与分离过程中[1,2]。
就分离而言，目前采用床层形式基本为振动床，即无气源的振动流化床。这种操作过程与有图1 实验装置Fig 1 Schematic diagram of the experimental set up
12压缩机;22转子流量计;32压力表;
42压力进气室;52床层;62差压计;72振动器
气源的振动流化床分离操作有着根本性的差别。到目前为止，尚未见到有关振动流化床双组分颗粒分离的有关文献。为此，本文选择普通流化床系统的不同的双组分体系，较详细地研究振动条件下双组
分颗粒混合与分离情况，提出振动条件下最小流化速度与转变气速的计算式，为振动流化床的操作与设计提供一定的参考依据。
2 实验部分
2.1 实验设备
振动流化床是一内径为 148mm ，分布板的开孔率为9.16%，孔径为2mm ，并且上层铺有两层织布以利于气体分布均匀，同时防止细小物料落入分布板的下方。压缩空气经过过滤和稳压罐后，由放空阀和流量控制阀调节气体的压力和流量，在经转子流量计计量后，进入流化床的气室，经由气体分布板均匀地进入床内。
ΞΞΞ中国科学院院长特别基金资助。
1998-04-06收到初稿,1998-06-26收到修改稿。
联系人及第一作者：靳海波，男,29岁，博士，现在北京石油化工学院化工系工作。
在振动流化床底部按有一台四级偏心振动电机，这种激振形式只需调节电机的转速和
偏心的程度即可调节振动的频率和振幅。为使床体产生垂直往复运动，在床体的两侧安有导杆，以防止床体产生水平振动。
振动频率的调节采用日本Sanken 电气株式会社的SSF 2552型高性能马达变频调速器；振幅采用光学读数显微镜的方法来测量垂直方向的位移，误差范围在±0.02mm ；压降和气速分别采用U 型管压差计和空气流量计测量。2.2 实验条件
试验过程采用砂子、玻璃珠、硅胶等物料，物性参数见表1。选用两种床层高度，不同浓度条件下来进行双组分颗粒的混合与分离实验。具体条件见表2。
表1 物性参数
T able 1 Properties of experimental materials
颗粒物性颗粒密度/kg ・m -3
粒径/mm
颗粒物性颗粒密度/kg ・m -3
粒径/mm
砂子125600.16玻璃珠22660 2.20砂子2
25600.32硅胶1
1365 1.33砂子325410.72硅胶21375 3.00铁粉146570.17硅胶31318 4.50铁粉2
4657
0.32
玻璃珠1
2660
0.94
表2 实验条件
T able 2 Experimental conditions
物系(浮升+沉积)床高/mm
振幅/mm
振动频率/Hz
沉积组份浓度
〗砂子1+砂子3100,150,200
0.75,1.010.0,15,20,250.15,0.26砂子2+砂子3
1000.750.0,15,20,25,300.26玻璃珠1+玻璃珠2100,1500.75,1.010.0,15,20,25,30,350.15,0.25铁粉1+铁粉21000.750.0,15,20,25,300.15硅胶1+硅胶31000.75,1.010.0,15,20,25,300.24硅胶1+硅胶2
100
0.75
0.0,15,20,25,30
0.28
2.3 分离系数的选择[3]
本文是在普通流化床基础上探讨振动能量的引入对双组分颗粒分离的影响，选用适宜的分离指数来考察沉积组分的混合与分离的情形，定义了一个振动条件下的分离系数
S v =1-M (1)式中:M 为Rowe [4]定义的混合系数,M =x j /x 0，其中x j 为沉积组份在床层上部的重量浓
度;x 0为沉积组份在床层中的平均浓度。有关分离系数的详细内容参见文献[3]。2.4 实验方法
实验开始时，将该混合物(双组分和介质)装入流化床中。首先通入空气使床层处于完全流化状态(u >u tf )，保持此混合状态至少5分钟以使床层内不同位置的物料混合均匀，而后启动变频器使电机在一恒定的振动频率下工作，迅速降低气速到指定气速，流化15分钟,
3
5第1期靳海波等1 振动流化床双组分颗粒的混合与分离
最后突然停气、停振，逐层筛分。分析浮升组分和沉积组分在床层中的分布。对不同的振动条件下进行两次测量，给出平均结果。由于实验是在室温下进行，仅对气体流量进行压力校正。
图2 混合物最小流化速度的
计算值与实验值的比较Fig 2 Comparison of calculating value
with experimental value
3 实验结果与讨论
3.1 最小流化速度
双组分颗粒体系的流化曲线可分为三种类型[5]：完全混合；部分混合与分离；完全分离.但都是由固定床线与流化床线的交点对应的气速来确定混合物的最小流化速度。Cheung [6]曾给出普通流化床双组分最小流化速度的计算式，此计算式已被许多学者所证实。本文在振动条件下研究双组分体系的最小流化速度，根据计算值与实验值的差别，给出了振动条件下混合物最小流化速度的计算式
(u mf ,m )v =(u mf ,f )v
(u mf ,j )v (u mf ,f )v
x 2
j
(2)
实验室流化床
从图2中可以看出，计算值与实验值基本相符，最大偏差为±20%。图3 双组分颗粒的轴向浓度分布
Fig 3 The axial concentration distributions of binary particles
3.2 轴向浓度分布
振动流化床在振动条件下的轴向浓度分布，如图3(a ,b ,c )所示，在图3(a )中，气速影响着分离效率，轴向浓度的分布随着气速的增大，更趋向于混合曲线的分布，所以选择适合的气速操作是颗粒分离的必要条件。由图3(b ,c )可以看出，振动的引入在小振动强度条件下是有利于颗粒的分离，随着振动强度的增大，分离的趋势越来越不明显，但更有利于颗粒的混合。
4
5 化学反应工程与工艺 1999年
3.3 转变气速
为与普通流化床中双组分混合物的混合与分离特性的研究结果相比较，在对转变气速的研究时，选择了等密度体系及沉积组分的质量浓度小于50%的情形。
大量的实验报道了普通流化床颗粒混合与分离的情况，并定量地给出床层混合与分离的程度。在检验等密度体系的混合与分离时,Nienow [7]曾根据混合物的最小流化速度建议了一个转变气速的计算式
图4 转变气速的计算值与实验值的比较Fig 4 Comparison of calculating value of take 2off velocity with experimental value
u to =u mf ,m
u j u mf ,m
0.5
(3)
但在振动流化床中发现，振动的引入，转变速度有所下降。根据实验结果，将振动强度引入到上式中，并给出实验条件下的关联式
u to ,v =(u mf ,m )v
u j ,v (u mf ,m )v
0.5
(1+K )
-0.1
(4)
式中:K 为振动强度,K =a
ω2/g ，其中ω为振动角频率。
转变气速的计算结果与实验结果的比较如图4所示，最大误差范围在±25%。
由(4)式计算出来的转变速度，代入Nienow [7]
所定义的(5)式中，即可计算出分离系数来。
S v =1-1
1+exp (-F )
(5)
式中F 定义为F =
u -u to ,v u -(u mf ,m )v exp
u
u to ,v
图5 硅胶1+硅胶2混合物的分离系数的计算值与实验值的比较
Fig 5 Comparison of calculating value of separation index with experimental value for Silica G el
(a ):K =0; (b )K =0.68; (c ):K =1.21
图5和图6为随着气速变化，混合物的分离系数的计算值与实验值的比较，从图中不同
5
5第1期靳海波等1 振动流化床双组分颗粒的混合与分离
粒径的硅胶和不同粒径的玻璃珠两种体系可以看出，预测值与实验值吻合得比较好，从而可由(5)式来粗略地估计等密度体系混合物分离气速的操作范围
。
图6 玻璃珠1+玻璃珠2混合物的分离系数的计算值与实验值的比较
Fig 6 Comparison of calculating value of separation index with experimental value for G lass Beads
(a ):K =0; (b )K =0.68; (c ):K =1.21
4 结 论
在尚未有有关文献报道的情况下，对振动体系下双组分颗粒的分离与混合进行了研究，从实验结果可以得出
1 在振动流化床中应用普通流化床的原理，由流化曲线确定了振动条件下最小流化速
度，并给出最小流化速度的计算式;
2 通过分析颗粒的轴向浓度分布，指出在小振动强度条件下，有利于颗粒的分离，否则
有利于混合;
3 根据振动条件下转变气速的实验结果，提出了转变气速的计算式，并与实验值基本
吻合，这对指导振动条件下颗粒的混合与分离具有一定的意义。
符号说明
F
K M S v u
u to x
———无因次速度———振动强度———混合系数———分离系数———气速,m/s ———转变气速,m/s ———组分的质量分数
下标c f
j
m mf v
———普通流化床———浮升组份———沉积组份———混合物———最小流化状态———振动流化床
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