電場作用對氣固流化床顆粒流化特性的影響分析

馮海燕 郝賢賢 劉懷雙

山東華魯恒升化工股份有限公司 山東 德州 253000

引言

在干燥顆粒化工生產過程中，會存在靜電現象，流化床反應器很容易產生靜電，該種設備稱為靜電流化床反應器，在該設備中帶點顆粒，具備一定的粘附性，很容易出現結塊的情況，在操作過程中不具備一定的穩定性，在此過程中顆粒的運動狀態會受到靜電的影響，而發生一定程度的改變，此時的傳熱傳質會受到一定程度的強化。所以科學合理的對顆粒的運動情況進行控制是至關重要的，與此同時還要確保有利的部分得到很好的應用和強化。

1 極化與靜電現象

介電顆粒的內部電荷不具備自由移動的特點，屬于不導電的一種物質。在微觀層面上對物質進行分析，那么其實是有原則和分子構成的，帶正電的原子核以及核外帶負電的電子能夠構成原子在此過程中，原子對外呈現出電中靜的狀態。正負電荷在原子以及分子上的分布是比較分散的，但是其產生的影響可以當作點電荷，電荷的重心可以作為點電荷所在的位置。從原子和分子的結構角度進行分析，其可以當作電偶極子。電介質分子可以分為無極和有極，主要是根據等效正負點電荷重心是否重合來進行判斷的，在此過程中如果出現了重心重合的情況，那么該種分子屬于無極分子，否則則屬于有機分子。很多分子電偶極子，在沒有外電場的情況下，會出現趨向混亂的情況，在宏觀的角度上去分析，其處于電中性的狀態。如果存在外加電場并且分子出現了宏觀電荷分布的情況，那么這種情況屬于極化。

2 在外加電場的條件下，對氣固流化床顆粒的流化特性進行分析

2.1 外加直流電場作用

2.1.1 局部電場效應和多重極化效應的影響。在臨近的顆粒之間會存在局部電場效應以及多重計劃效應，在此過程中，顆粒之間會出現相互作用的情況，在此過程中如果出現了顆粒距離比較遠的情況，那么可以不考慮這兩種因素[1]。顆粒周圍的電場強度會隨著顆粒的彼此接近而受到一定程度的影響，在此過程中數量級也會有所提升，顆粒之間的距離如果比較近，那么多重計劃效應，在此過程中會產生比較強的作用。計算工作在開展過程中，階段范圍外的顆粒不會產生太大的電場效應，所以可以忽略。為了保證計算的簡便，對于高階的多重極化作用要進行忽略。

2.1.2 顆粒流動特性。在對不同電場強度下的流動特性進行分析時，主要探討了電場強度對顆粒流動產生的作用規律，在此過程中設置了不同的電場強度，并且開展了具體的對照，在對顆粒之間的電極化力進行計算時，只要按照修正后的模型進行計算，在此過程中要考慮到局部電場效應以及多重極化效應。

2.1.3 顆粒受力特性。單個顆粒在外電場的作用下，會受到多種力的作用，包括電極化力以及接觸力等。顆粒所受到的激化程度會受到不同電場強度的影響而發生一定程度的變化，最終顆粒之間的電極化力也會受到影響，其運動狀態以及接觸力會產生變化。

2.2 外加交流電場作用下的顆粒流化特性

在外加交流電場的作用下，正弦交流電場是豎直方向的，在具體計算過程中，電場強度幅值以及電場頻率分別為 E0= 1.5 kV/mm， f = 1Hz、100Hz、1000Hz 。

2.2.1 顆粒旋轉對動態極化的影響。該文章在具體計算過程中采用了 M-W 極化模型和修正模型，前者沒有考慮顆粒旋轉運動，后者考慮到了顆粒的旋轉運動，是用兩種模型能夠很好地對顆粒旋轉的動態計劃影響進行計算。通過圖1可以看出，如果使用修正模型，那么電場頻率如果不同，最終所得到的顆粒電極化是小于 M-W 極化模型的，由此可以看出顆粒之間的電極化力能夠通過旋轉運動得到削弱。除此之外，顆粒之間的電極化力會隨著交流電場頻率的增加，而出現一定程度的減小，在顆粒旋轉運動的影響下，兩種模型之前具有很大的差異。顆粒的旋轉運動與交流電場的疊加效應，在低頻電場下具有比較弱的特點，在此過程中會出現可理解的電極化率削弱的情況。在高頻電場條件下高速變化的電場，同樣起到了削弱的作用。

圖1 顆粒平均電極化力隨時間的變化

2.2.2 不同電場頻率下的顆粒流動特性。在對交流電場頻率所產生的作用和影響進行分析時，主要探討的對象是氣固流化床顆粒運動，模擬計算所使用的修正模型是考慮可以旋轉運動影響的。由圖2可以看出顆粒的走向速度分布，云圖在不同的交流電場頻率作用下，有著微小的差別，但是大體上不具備很大的差異。通過圖3可以看出，在不同的電場頻率下，軸向速度的分布呈現出了V型。顆粒在壁面以及中心區域分別呈現出了向下運動和上升運動的狀態。

圖2 在電場頻率(a) f=1Hz；(b) f=100Hz；(c) f=1000Hz 作用下顆粒軸向速度分布

圖3 在不同電場頻率下，顆粒軸向速度沿徑向的分布

3 靜電場作用下的氣固流化床顆粒流化特性

3.1 單極荷電

顆粒在單極核電體系中帶有同樣的電荷，所以沒有對極性進行區分。流化床中的顆粒如果是在單級核電體系中，那么其受到的靜電作用屬于庫侖斥力。在此過程中對顆粒粒徑差異以及顆粒和電量所產生的影響進行了相應的分析和探討。

3.1.1 不同顆粒粒徑對靜電流化床的影響。在對不同顆粒粒徑所產生的影響進行分析時，要按照控制變量法進行探討和分析，在此過程中要確保電荷量是相同的。但是顆粒的大小如果不同，那么所受到的重力也是不同的，顆粒小的所受的庫存率是比較大的，所以影響也比較大。

3.1.2 不同顆粒荷電量對顆粒流動特性的影響[2]。①顆粒的運動會受到耗電量的影響。顆粒在氣固流化床內的分布不具備均勻性，會呈現出雜亂無章的狀態，在此過程中還會出現氣泡以及局部乳化等情況。流化床床層的高度在小的顆粒和電量狀態下會出現流化床比較低的狀態，在此過程中氣泡的數量以及尺寸都會呈現出見效的情況，整體的顆粒分布具備一定的均勻性。床層上部的顆粒在大電荷量狀態下會呈現出吸收的情況，長城的高度有一定程度的增加。在此過程中，顆粒之間存在的庫倫力會呈現出排斥的狀態，所以距離會增大，排斥力會減小，氣泡的生成會受到抑制，排斥作用會隨著顆粒和電量的增大而越來越明顯。②顆粒濃度會受到核電量的影響。顆粒濃度比較高的區域在壁面附近，稀密兩相分界線會隨著核電量的增加而具備越來越低的凹陷度。顆粒濃度在低核電量狀態下與普通的流化床相比較，床高是比較高的，并且在核電量增加的情況下，輕濃度有一定程度的減少。這主要是因為顆粒在分布過程中受到了庫倫斥力的影響，而出現了均勻性的情況。氣泡等結構的生成在低荷電電量狀態下，同樣會受到庫倫斥力的影響，顆粒的濃度會隨著床層空隙率的降低而有一定程度的增高。顆粒之間的距離在高荷電量狀態下，較大的庫侖斥力會導致其距離逐漸變大，最終導致顆粒濃度降低，顆粒稀疏。

3.1.3 不同顆粒荷電量對顆粒受力特性的影響。顆粒之間的庫侖斥力會隨著核電量的不同而發生一定程度的改變，顆粒的運動狀態也會發生一定程度的變化，最終整體的流動形態會受到相應的影響。

4 結束語

綜上所述，顆粒之間的相互作用會受到電場的影響，而出現一定程度的變化，內外電場是流化床中比較常見的兩種存在形式，流化床內的氣泡等非均勻結構會受到電場的影響，不能夠正常的生成和演化。在外加電場條件下，要科學合理的對氣固流化床進行分析和研究[3]。第一，顆粒在外電場的作用下會出現極化作用，在此過程中要考慮到局部電場效應以及多重極化效應，在此過程中影響比較大的是局部電場效應。第二，顆粒的速度分布以及濃度分布在顆粒的流動特性中，主要是受到電場強度的影響。顆粒之間存在著相互作用力在此過程中形成的顆粒粒兒長度會隨著電場強度的升高而又一定程度地增加，在此基礎上的組織結構，數量也會有所增加，氣泡的生成以及顆粒的漩渦運動會受到阻礙，顆粒濃度的波動頻率會受到一定程度的影響而出現增加的情況。第三，隨著電場強度的升高，顆粒的受力特性分析中的電極化力會受到相應的影響而出現增大的情況，隨著電場頻率的增加，顆粒所受的電極化力是減小的。顆粒所受的徑向接觸力，在強電場的作用下是比較小的。顆粒如果被鏈狀以及團簇狀結構包圍，那么電場強度在增加時，其不會受到大的曳力，受到大曳力的顆粒是處于游離狀態的氣道中的顆粒。