流态化过渡状态描述

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1、第 卷 第 期年 月化 工 学 附流 态 化 过 渡 状 态 描 述 刘 得 金 ” 李 洪 钟 李 连 轩 张 建 国中 国 科 学 院 化 工 冶 金 研 究 所 多 相 开 放 实 验 室 , 北 京 。 。摘 要 用 模 糊 集 合 描 述 流 化 床 的 状 态 , 从 流 化 床 空 隙 率 脉 动 谱 归 纳 出 其 不 均 匀 度 作 为模 糊 集 合 的 隶 属 函 数 。 流 化 床 在 任 何 状 态 下 的 不 均 匀 度 或 聚 式 化 度 都 可 用 。 之 间 的个 数 值 表 示 。 对 液 固 流 态 化 和 气 固 流 态 化 实 验 进 行 观 测 和 描

2、 述 说 明 , 模 糊 数 学 方 法 能 够 反映 流 化 床 两 相 结 构 的 存 在 、 漂 移 和 转 化 , 也 品 体 现 密 度 、 粘 度 、 粒 度 和 表 面 性 质 的 因 素 对 流态 化 状 态 的 影 响 。关 健 词 模 糊 集 合 流 态 化 状 态 空 隙 率 肪 动 谱引 言关 于 散 式 流 态 化 和 聚 式 流 态 化 的 区 分 , 目 前 已 经 有 了 一 系 列 判 据 一 。 来 指 导 生 产 和 科 研 。然 而 , 严 格 地 讲 , 这 些 与 经 典 的 二 值 逻 辑 相 对 应 的 判 据 并 不 能 划 分 均 匀 和 不

3、 均 匀 流 化 状 态 。 因为 在 流 态 化 中 , 过 渡 状 态 是 普 遍 存 在 的 。 首 先 , 无 论 是 液 固 流 态 化 还 是 气 固 流 态 化 , 其 本 身 都 是个 渐 变 的 过 程 , , 既 存 在 着 “ 均 匀 流 态 化 群 ” , 也 存 在 着 “ 不 均 匀 流 态 化 群 ” , 其 流 动 形 态 既 不具 有 稳 定 均 匀 流 态 化 的 性 状 , 也 不 具 有 完 全 不 均 匀 流 态 化 的 性 状 , 具 有 “ 亦 此 亦 彼 ” 和 “ 非 此 非彼 ” 的 性 质 。 其 次 , 聚 式 流 态 化 和 散 式 流

4、 态 化 之 间 的 转 换 , 也 是 个 过 渡 过 程 , 而 不 存 在 明 确 的分 界 线 。 已 有 一 些 预 测 幻 , 当 采 用 性 质 介 于 液 体 和 气 体 之 间 的 超 临 界 流 体 作 为 流 化 介 质 时 , 流化 床 的 状 态 将 表 现 为 处 于 聚 式 和 散 式 之 间 的 种 过 渡 状 态 。 再 次 , 流 态 化 的 影 响 因 素 繁 多 , 流体 及 颗 粒 特 性 、 设 备 结 构 和 操 作 参 数 等 都 对 流 化 床 中 两 相 结 构 的 构 成 有 重 要 影 响 , 而 迄 今 为 止的 研 究 结 果 , 还

5、 远 未 达 到 认 清 这 些 影 响 因 素 的 地 步 , 故 床 中 两 相 结 构 的 划 分 边 界 常 常 产 生 漂移 。由 此 可 见 , 与 传 统 二 值 逻 辑 相 对 应 的 精 确 数 学 , 并 不 能 很 好 地 反 映 流 态 化 的 这 些 特 征 。 作者 试 图 利 用 模 糊 数 学 适 合 于 描 述 过 渡 状 态 的 特 点 , 来 描 述 流 态 化 这 种 复 杂 的 多 相 流 , 力 求 澄 清影 响 流 态 化 状 态 的 模 糊 因 素 。数 学 描 述模 糊 集 合 理 论 是 在 年 创 立 的 。 近 年 来 , 模 糊 数 学

6、 在 工 程 科 学 领 域 的 应 用 也 相 当广 泛 ” 。 设 勇 产 、 少 分 别 为 论 域 “ 流 态 化 中 ” 上 的 均 匀 流 态 化 状 态 集 和 不 均 匀 流 态 化 状 态 集身 产 , 少 仁 必则 流 态 化 的 可 能 状 态 集 可 以 认 为 是 由 身 和 卿 中 任 意 搭 配 的 元 素 , 所 构 成 , 即 笛 卡 尔 乘积 集 , 记 为一 刃 收 到 初 稿 , , 一 一 收 到 修 改 稿 。, 中 国 石 油 化 学 工 业 总 公 司 发 展 部 资 助 项 目 。, 通 讯 联 系 人 。第 卷 第 期 流 态 化 过 渡 状

7、 态 描 述 乡 犷 少 兰 , 任 乡 罗 , 任 少任 一 流 态 化 , 与 虎 产 、 少 的 关 系 由 其 隶 属 函 数 产 叮 , 刃 和 , 刃 来 定 义 , 它 们 分 别 表示 , 在 多 大 程 度 上 属 于 免 产 、 少 对 于 任 雳 妇 和 任 少 , 均 有镇 只 犷 , 少 , 海 , 夕 簇式 取 值 范 围 既 体 现 了 边 界 的 游 移 情 况 , 也 比 较 全 面 地 概 括 了 流 态 化 是 过 渡 状 态 的 基 本 特征 , 即 某 一 流 态 化 与 上 述 两 种 流 化 形 式 不 再 是 简 单 的 “ 是 ” 与 “ 非

8、” 的 隶 属 关 系 , 而 可 以 是 同 时 包含 散 式 流 态 化 和 聚 式 流 态 化 而 边 界 尚 未 明 了 的 流 态 化 状 态 。 只 要 能 确 定 出 产 七 犷 和 脚 的解 析 式 , 便 可 对 流 态 化 中 的 均 匀 流 态 化 成 分 和 不 均 匀 流 态 化 成 分 做 理 论 估 计 。 然 而 , 做 到 这 一点 , 尚 有 待 于 对 现 有 实 验 结 果 进 行 系 统 的 分 析 。由 空 隙 率 波 动 谱 图 分 析 确 定 隶 属 函 数通 过 分 析 实 验 的 空 隙 率 光 纤 信 号 谱 图 , 求 得 其 标 准 差

9、 。 , 可 以 确 定 隶 属 函 数 。 如 图 所 示 ,设 床 层 中 密 相 和 稀 相 的 分 率 和 空 隙 率 分 别 为 、 和 。 。 、 。 。 , 则。 一 了 人 、 一 。 几 。 一图 所 示 为 完 全 不 均 匀 流 态 化 , 即 ,几 一 , 对 应 的 标 准 差 为 论 域 中 中 的 最 大 标准 差口 。 二 一 气而 图 所 示 的 均 匀 状 态 , 一 几 一 , 床 层 的空 隙 率 为 均 一 的 。 , 因 此 。 一 。 。 设 流 态 化 “ 的 空隙 率 谱 标 准 差 为 。 , 则 口 表 示 流 态 化 的 不 均匀 度 ,

10、 定 义 为 模 糊 集 合 少 “ 不 均 匀 流 态 化 ” 的 隶属 函 数光月几 ,几几 二 于 一 ,谈一之 一次 。 时 , 旬 。 甸 图 完 全 均 匀 与 完 全 不 均 匀 流 态 化脚 。 叮 翩 二式 表 示 流 态 化 “ 对 完 全 不 均 匀 流 态 化 少 的 隶 属 度 , 或 称 为 流 态 化 中 不 均 匀 成 分 所 占 的百 分 数 。 显 然 , 流 化 床 的 不 均 匀 度 可 用 。 之 间 的 个 数 来 表 征 , 若 脚 , 则 为 完 全 不 均匀 流 态 化 , 脚 则 表 示 流 态 化 是 完 全 均 匀 的 。 一 般 情 况

11、 下 , 流 动 中 只 有 均 匀 流 态 化 成 分 和不 均 匀 流 态 化 成 分 , 故 对 于 任 一 流 态 化 来 说 , 有产 劣 一 海由 此 得 到 “ 均 匀 流 态 化 群 ” 戌 卢 的 隶 属 函 数 。在 流 态 化 基 本 参 数 中 , 、 外 、 、 脚 、 件 体 现 了 影 响 流 态 化 状 态 的 静 态 因 素 , 而 流 化 数一 二 耐 则 反 映 了 动 态 因 素 。 故 定 义 准 数 压 只 刀 旷 为 模 糊 数 , 并 认 为 它 是 隶 属 函 数 脚 的自 变 量。 、 一 外 一 一 耐毖 刀 一 八 “ 尸 一 一 瓦 一

12、 一 一 下 丁 一 一 下 一 一 一 一 厄 呱 目 一 一本 文 拟 从 沁 与 昆 凡 矛 内 相 互 关 系 的 角 度 来 处 理 气 固 和 液 固 流 态 化 的 实 验 数 据 , 由 空 隙 率脉 动 谱 确 定 流 化 床 的 不 均 匀 度 脚 , 并 说 明 颗 粒 粒 度 、 流 固 密 度 差 、 流 体 粘 度 、 固 体 表 面 性 质等 因 素 在 隶 属 函 数 分 析 中 的 权 重 。化 工 学 报 年 月实 验 结 果 及 讨 论常 压 气 固 和 液 固 流 态 化 实 验 分 别 在 必 和 必 的 两 台 有 机 玻 璃 床 中 进 行 , 加

13、 压流 态 化 实 验 则 在 内 径 的 不 锈 钢 设 备 中 进 行 。 介 质 分 别 为 空 气 、 水 和 几 种 水 溶 液 。 图 为实 验 装 置 简 图 。 光 纤 探 头 有 效 截 面 积 为 , , 置 于 床 层 中 心 位 置 , 采 样 板 型 号 为, 采 样 频 率 为 , 用 微 机 处 理 信 号 。 实 验 颗 粒 、 介 质 的 物 性 分 别 见 附 表 。流 体五 。 动沪 ,昌是 ,盆一一 人目目一一了一飞飞流 体气 七 哆 尹图 实 验 装 置 简 图一 计 算 机 , 一 板 一 光 纤 探 头一 流 化 床 , 一 分 布 器 一 压 差

14、 计图 几 种 常 压 流 态 化 床 的 不 均 匀 度 曲 线一 催 化 剂 一 硅 胶 一 氧 化 铝实 验 颗 粒 和 介 质 的 物 性固 体 顺 粒 流 化 介 质名 称 饰 外 一 阮 一 名 称 一 产 一水甘 油 纬河 砂 写河 砂 肠河 砂河 砂 写硅 胶 纬石 英 砂石 英 砂铁 珠铁 珠 海 藻 酸 钠铁 珠离 子 交 换 树 指聚 苯 醚硅 胶 空 气,注 聚 乙 烯 醉 狡 甲 墓 纤 维 素 钠第 卷 第 期 流 态 化 过 渡 状 态 描 述 气 固 流 态 化常 压 下 气 固 流 态 化 体 系 的 流 化 颗 粒 催 化 剂 简 称 、 硅 胶 微球 和

15、氧 化 铝 粉 都 属 区 颗 粒 , 因 此 不 均 匀 度 变 化 趋 势 基 本 一 致 如 图 所 示 。 催 化 剂 低流 速 部 分 实 验 在 鼓 泡 床 进 行 , 高 流 速 段 则 在 内 径 相 同 的 快 速 床 完 成 。 因 此 可 以 看 出 与 散 式 膨 胀区 、 鼓 泡 流 态 化 、 湍 动 流 态 化 、 快 速 流 态 化 和 稀 相 输 送 相 对 应 的 不 均 匀 度 变 化 趋 势 。在 加 压 条 件 下 , 床 层 中 的 气 泡 分 率 明 显 下 降 , 均 匀 度 得 到 提 高 。 河 砂 分 别 在 、的 和 、 的 中 流 化

16、见 图 , 该 颗 粒 也 属 于 分 区 中的 区 , 随 着 流 化 介 质 压 力 、 流 体 密 度 和 粘 度 的 提 高 , 也 存 在 散 式 流 化 区 , 并 且 随 压 力 的 增 大 ,散 式 区 的 范 围 也 扩 大 。 图 还 显 示 随 着 操 作 压 力 的 增 大 , 床 层 的 气 泡 分 率 明 显 下 降 , 当 流 化介 质 为 的 时 , 在 操 作 范 围 内 已 几 乎 不 见 气 淘 产 生 。川如侧犷书 苏不 均 匀 度 一 气 泡 含 量图 高 压 流 化 床 的 不 均 匀 度 和 气 泡 含 量一 一 一 一液 固 流 态 化在 操 作 范 围 内 , 液 固 体 系 的 不 均 匀 度 都 在 以 内 , 基 本 上 都 保 持 在 比 较 均 匀 的 流 态 化 状态 下 , 而 且 没 有 进 入 非 均 匀 区 的 趋 势 。 因 此 一 般 的 液 固 流 态 化 体 系 都 被 当 作 散 式 流 态