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磁场协助作用下纳米颗粒的流态化研究

作　者: 刁润丽
导　师: 周涛
学　校: 中南大学
专　业: 化学工艺
关键词: 纳米颗粒流态化磁场流化床磁性大颗粒聚团
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

纳米颗粒属于Geldart颗粒分类中的C类颗粒,通常是指粒径在0.1～100 nm范围内的固体颗粒,这类颗粒具有许多优异的物理和化学性能,因而在许多领域具有广阔的应用前景。但是由于粒径较小而导致颗粒间作用力巨大,易团聚,使其应用受到限制。可以采用流态化技术来改善上述状况,流态化技术作为一种强化气固接触的手段,在超细颗粒制备、处理和应用方面都具有独特的优越性。本实验以非磁性纳米SiO₂、ZnO、TiO₂、Al₂O₃及磁性纳米Fe₃O₄、Fe、Ni为原料,首先考察他们在直径为5 cm的圆柱型有机玻璃流化床中的流化性能,发现在低气速下床层易形成活塞、沟流和大聚团,压降波动较大,增加气速,鼓泡加剧,床中出现分层和扬析现象,聚团尺寸大,固定床较高,床层膨胀较小,流化效果较差。采用外加能量（磁场）的方法来改善纳米颗粒的流化性能,轴向磁场由电磁线圈产生,添加直径2 mm的钢珠作为磁响应性物质,磁性大颗粒在磁场的作用下振动,并且颗粒群可以成链排列,类似于具有一定强度的沿磁力线方向排列的链状结构物,从而可以破碎大聚团、活塞和沟流,使气体更均匀地流过床层,抑制鼓泡和扬析的发生,促进流化效果的改善。实验中所用的磁场强度范围是0.0477T—0.0715T,磁性大颗粒的添加量在20%—70%之间,考察了表观气速、磁性大颗粒的添加量及磁场强度对纳米颗粒流化性能的影响。首先研究纳米颗粒单组分在磁场作用下的流化,发现非磁性及磁性纳米颗粒的流化性能均有所改善,但具体情况不同,纳米SiO₂的流化性能改善较明显,聚团尺寸减小,最小流化速度降低,床层膨胀比增大,可以达到APF流态化类型,ZnO及TiO₂的流化性能有所改善,但不是很理想,Al₂O₃及磁性Fe₃O₄的密度较大、透气性较差,流化性能的改善不明显。采用颗粒混合的方法进一步进行研究,把ZnO、TiO₂、Al₂O₃与流化性能较好的SiO₂混合,流化性能较差的磁性Fe₃O₄与非磁性纳米颗粒混合。实验发现在磁场的协助作用下,不同种类的纳米颗粒混合后流化性能得到改善,混合较均匀,一定添加量、磁场强度和气速共同作用下床层达均匀流化,压降平稳,膨胀比较大,其中非磁性颗粒组合中ZnO达60%时流化仍较好,TiO₂、Al₂O₃的添加量则不易超过50%,最后对纳米颗粒流化中的协同作用进行了分析。运用Richardson-Zaki方程对混合体系的散式化程度进行了验证、分析。床层静力分析与Ergun公式相结合得到最小流化速度公式,然后提出了APF与ABF两种流态化类型的纳米颗粒混合后其最小流速的计算模型。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章实验背景和文献综述  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 纳米颗粒  10-11
    1.2.1 颗粒分类  10-11
    1.2.2 纳米颗粒的定义及其应用  11
  1.3 磁场流态化  11-16
    1.3.1 磁场流态化的发展历史  12-13
    1.3.2 磁场对床层流态化行为的影响  13-16
  1.4 磁场流态化的模型及应用研究  16-21
    1.4.1 磁场强度与气泡大小模型的基本假设  16-17
    1.4.2 气泡顶部针状结构的受力分析  17-18
    1.4.3 磁场流化床的稳定性判据  18-19
    1.4.4 强磁场下铁磁性物质发生凝聚的判定  19
    1.4.5 磁场流态化的应用研究  19-21
  1.5 选题的意义  21-23
第二章实验体系  23-27
  2.1 实验机理  23-24
  2.2 实验装置  24
  2.3 实验物料  24-25
  2.4 实验方法  25-27
第三章纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  27-58
  3.1 纳米颗粒在传统流化床中的流态化  27-33
    3.1.1 非磁性纳米SiO_2的流态化  27-28
    3.1.2 非磁性纳米ZnO的流态化  28-29
    3.1.3 非磁性纳米TiO_2的流态化  29-30
    3.1.4 非磁性纳米Al_2O_3的流态化  30
    3.1.5 磁性纳米Fe_3O_4的流态化  30-31
    3.1.6 磁性纳米Fe的流态化  31-32
    3.1.7 磁性纳米Ni的流态化  32-33
  3.2 磁性和非磁性混合纳米颗粒在传统流化床中的流态化  33-35
    3.2.1 纳米Fe_3O_4与纳米SiO_2的混合流态化  33
    3.2.2 纳米Fe_3O_4与纳米ZnO的混合流态化  33-34
    3.2.3 纳米Fe_3O_4与纳米TiO_2的混合流态化  34-35
    3.2.4 纳米Fe_3O_4与纳米Al_2O_3的混合流态化  35
  3.3 纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  35-47
    3.3.1 磁响应性物质的选择  35-36
    3.3.2 非磁性纳米SiO_2在磁场协助作用下的流态化  36-39
    3.3.3 非磁性纳米ZnO在磁场协助作用下的流态化  39-41
    3.3.4 非磁性纳米TiO_2在磁场协助作用下的流态化  41-43
    3.3.5 非磁性纳米Al_2O_3在磁场协助作用下的流态化  43-44
    3.3.6 磁性纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  44-47
  3.4 磁场强度对纳米颗粒最高床层膨胀的影响  47
  3.5 混合纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  47-56
    3.5.1 非磁性混合纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  48-51
    3.5.2 非磁性和磁性混合纳米颗粒在磁场协助作用下的流态化  51-53
    3.5.3 纳米颗粒添加量及磁场强度对混合颗粒床层膨胀的影响  53-56
  3.6 纳米颗粒流化中的协同作用  56
  3.7 小结  56-58
第四章纳米颗粒的最小流化速度  58-63
  4.1 混合纳米颗粒的散式化分析  58-60
  4.2 混合纳米颗粒的最小流化速度  60-62
  4.3 小结  62-63
第五章结论  63-65
展望  65-66
符号说明  66-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
攻读学位期间主要的研究成果  74

磁场协助作用下纳米颗粒的流态化研究

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