磁场强化鼓泡流化床中气体与B类非磁性颗粒相间传质的研究

The magnetic field is often used to reduce the size of bubbles in bubbling fluidized beds and intensify the gas-solid interphase mass transfer, forming the magnetized fluidized bed. However, most particles in nature are nonmagnetizable, severely limiting the application of this technology. Previous research indicates that for the admixture of Geldart-B magnetizable and nonmagnetizable particles, the magnetic field could also effectively improve the bubbling fluidization quality and enhance the mass transfer between the fluidization gas and the binary mixture. Therefore, this project proposes to intensify the interphase mass transfer between gas and Geldart-B nonmagnetizable particles in the bubbling fluidized bed by introducing magnetizable particles. The principal research contents include: 1) investigating effects of the magnetic field intensity, the property and adding amount of magnetizable particles on the intensification performance of the magnetic field, exploring the optimal magnetizable particles for nonmagnetizable particles with different properties and establishing an empirical correlation between their minimum fluidization velocities via regression analysis; 2) under the action of the magnetic field the magnetizable particles exist in the form of magnetic chains; therefore analyzing effects of the chain property on the magnetic field intensification performance and revealing the mechanism by which different magnetizable particles have different abilities to transfer the intensification effect of the magnetic field; 3) establishing a particle-matching mathematical model and providing a theoretical basis on how to scientifically explore the optimal mangetizable particles according to the property of Geldart-B nonmagnetizable particles. The successful implementation of this project can deepen our understanding of the basic theory of the magnetized fluidized bed and broaden the application range of the magnetized fluidization technology in the industrial field.

磁场常用来减小鼓泡流化床中气泡的尺寸，强化气固相间传质，形成磁场流化床。然而，自然界中大多数颗粒都不具有磁性，严重限制了该技术的推广应用。前期研究表明对于B类磁性和非磁性颗粒组成的二元混合物料，磁场也可有效改善鼓泡流化质量，强化流化气体和混合颗粒之间的质量传递。基于此，本项目拟通过添加磁性颗粒方法，实现鼓泡床中气体与B类非磁性颗粒相间传质的磁场强化，主要研究内容包括：1）考察磁场强度、磁性颗粒性质和添加量对磁场强化效果的影响，获取不同非磁性颗粒所需的最优磁性颗粒，建立两者最小流化速度之间的经验关联式；2）分析磁性颗粒形成磁链的性质对磁场强化效果的影响，揭示不同磁性颗粒传递磁场强化作用的能力存在差异的机理；3）建立颗粒匹配数学模型，为如何根据非磁性颗粒性质科学获取最优磁性颗粒提供理论依据。本项目的成功实施可加深人们对磁场流化床基础理论方面的认识，拓展磁场流态化技术在工业领域内的应用。

磁场常用来强化鼓泡流化床中气体和磁性颗粒之间的接触传质，形成著名的磁场流化床。然而，自然界中只有少数颗粒具有磁性，严重限制了磁场流态化技术的应用范围。本课题的目的即在于将该技术推广应用到非磁性颗粒，提出的方法是在非磁性颗粒中掺混一定比例的磁性颗粒来传递磁场的稳定作用。首先研究引入磁性颗粒后，磁场强度对气体和非磁性颗粒之间接触传质的影响，明确提出方法的可行性；之后研究磁性颗粒的添加量和性质对磁场强化效果的影响；最后研究不同的磁性颗粒传递磁场强化作用的能力存在差异的机理，以期指导如何为给定的非磁性颗粒匹配合适的磁性颗粒。研究表明，通过上述方法可以实现鼓泡流化床中气体和B类非磁性颗粒相间传质的磁场强化，但是这种强化效果只存在于“先加磁场”操作模式下的磁稳定流型内。当磁场流化床处于其它流型，或者采用“后加磁场”模式操作时，相间传质都得不到磁场的强化。折中考量非磁性颗粒的减少和传递磁场作用的需要，磁性颗粒的体积分数应控制在40%。对于给定的非磁性颗粒，所引入磁性颗粒的性质会对磁场的强化效果产生重要影响。维持体积分数为40%，为了使磁场的强化效果最好，所引入的磁性颗粒具有最佳的粒径和密度；维持质量分数为77%，磁性颗粒越轻越有利于发挥磁场的强化作用。所引入磁性颗粒的性质对磁场强化效果的影响主要依赖于其对磁场流化床流体力学方面的影响。只有当磁性颗粒可以使得到的混合颗粒磁场流化床处于磁稳定流型时，磁场才会有显著的强化效果；并且得到的磁稳定状态越稳定，磁场对相间传质的强化效果越好。实验证实磁稳定状态处于亚稳定平衡。这种亚稳定平衡态不同于水的过冷或过热等亚稳态，而是类似于非晶态或者玻璃态。只有在持续的扰动下，它才会缓慢地向着对应的稳定平衡态转变。正是因为磁稳定状态的这种抗扰动性能，其在充满扰动的现实世界里在才具有实际的应用价值。这些研究发现对拓展磁场流态化技术的应用范围、推进其工业应用都具有重要的意义。