皮立强，高凯歌，杨兴灿，周 勇四川大学化学工程学院，四川 成都 610065



纳米TiO2颗粒在声场导向管喷动流化床中的流化特性

皮立强，高凯歌，杨兴灿，周 勇
四川大学化学工程学院，四川 成都 610065

摘要：在内径120 mm的半圆柱型声场导向管喷动流化床中，以平均粒径290 nm的TiO2颗粒为原料，高速空气射流为喷动气，考察了操作条件、声参数（频率和声压）对纳米颗粒在声场导向管喷流床中的流态化特性的影响。结果表明：声波可以有效抑制沟流，改善环隙流化质量，防止射流旁路，从而促使粉体稳定循环，加快循环速率；同时声波可以显著地降低纳米TiO2颗粒的最小喷动速度，声波频率一定时，最小喷动速度随声压的增加而减小；声压一定时，最小喷动速度在声波频率为80 Hz时达到最小值，低于或者高于80 Hz，最小喷动速度都会增大。

关键词：纳米颗粒 流态化 最小喷动速度 导向管喷动流化床 高速空气射流 声波

纳米颗粒由于具有许多优异性能而在众多领域有着广阔的应用前景[1]，流态化技术则因其在颗粒加工方面所具有的优势而在纳米颗粒的制备和处理方面表现出独特的优越性，因而纳米颗粒的流态化受到人们关注。然而，根据Geldart[2]的分类法，纳米颗粒属于C类颗粒，这类颗粒由于粘附性强，流化时易形成沟流、节涌，难以实现平稳流化。所以如何改善这类颗粒的流化性能成为人们研究的热点。

改善C类颗粒流化质量的方法很多，归纳起来有两大类：一类是采用添加较大的颗粒的方法来改善粉体结构特性以改善其流化质量[3]；另一类是向流化床引入各种力场，如振动场[4]、磁场[5]和声场[6]等，利用附加能量来削弱粒子间的粘附以改善其流化质量。其中声波具有不受颗粒物性限制，可以采用辐射方式引入流化床而不需要内部构件等优点。因此，引入声波来改善超细颗粒的流化质量是一种很有效的方法。Morse[7]首先利用声波来改善粘附性颗粒的流化质量，并预言了利用声能量来破坏颗粒聚团；梁华琼等[8，9]以纳米颗粒为原料，系统地考察了声波对超细颗粒流化特性的影响。结果表明，适当的低频强声波能很好地抑制沟流，消除节涌，显著地改善流化质量。声波及以上方法虽然能不同程度地抑制沟流，减轻颗粒间的团聚，改善其流化质量，但对于粘性较强，密度又较大的颗粒，如纳米TiO2和CaCO3等，改善效果却不明显。

马兰等[10]曾使用以高速射流为喷动气的导向管喷动床流化粒径5 μm的CaCO3超细粉，发现在一定床结构参数和操作条件下，超细粉能够在导向管喷动床内实现稳定流化，但由于超细粉黏附性强，易在环隙形成死区，阻碍粉体循环，甚至在底部负压作用下，在环隙形成向下的沟流，使物料循环停止。张国杰等[11]进一步在环隙引入流化气，发现流化气可以消除环隙死区，促进粉体循环，但循环量较大时射流易旁路进入环隙，导致导向管堵塞。

本工作拟利用声波在抑制沟流和节涌方面的优势，将声波引入导向管喷动流化床，以平均粒径290 nm 的TiO2颗粒为原料，研究纳米颗粒在声场导向管喷动流化床中的流化特性。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，主要由流化床、声波发生系统和测试系统构成。流化床由有机玻璃制成，为半圆柱形，内径120 mm，高1 200 mm；喷嘴直径3 mm，导向管内径30 mm，长300 mm，导喷距（喷嘴出口距导向管底部的距离）50 mm；环隙气体分布板为倒锥形，锥角90°，开孔率3.7%，孔径1 mm。

来自压缩机的空气经过滤干燥后分为两路，一路经转子流量计后由喷嘴进入床内，为喷动气；另外一路经转子流量计后通过锥形气体分布板进入床内，为流化气。两股气体在床层上部汇合，最后经布袋除尘后排空。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup 1-compressor； 2-dryer； 3-filter； 4-rotameter； 5-spouting gas；6-fluidizing gas；7-distributor； 8-draft tube； 9-sound meter；10-loudspeaker； 11-amplifier 12-sound generator； 13-pressure transmitter； 14-annulus； 15-jet nozzle

1.2 实验物料

流化物料为平均粒径290 nm的TiO2颗粒。其主要物性参数列于表1。实验前先把颗粒置于烘箱中，在100 ℃下烘焙1 h后，放入干燥皿中冷却至室温备用。

表1 纳米TiO2颗粒物料性能Table 1 Properties of TiO2nanoparticles

1.3 实验方法

实验操作条件列于表2。颗粒粒度由Palas Welas Digital 2000 粉尘激光粒度谱仪测量。气体流量由玻璃转子流量计测定，床层压降由CS50SB型智能压力变送器测定，测量点位置见图1，声压采用HS5660C型精密脉冲声级计测量。

表2 操作条件Table 2 Operating conditions

2 结果与讨论

2.1 流化特性

图2表示无流化气时床层压降与喷动气速的关系。

图2 无流化气时床层压降与喷动气速关系曲线Fig.2 Pressure drop curves at different spouting gas velocities without fluidizing gas

由图2可知，由于纳米TiO2颗粒透气性差，喷动气进入床层后，床层压降（△P）随喷动气速（us）增加而迅速增大，当气速增加至A点时，导向管中粉体即呈活塞状上升。活塞到达导向管顶部后，粉体一部分被推出导向管，另一部分破碎形成大聚团落回并堆积在喷嘴附近，床层中开始出现沟流，压降降低。到达B点后，因沟流壁面的粉体被气流剪切成聚团，进入沟流流化，压降上升；至C点，粉体发生明显的夹带，压降又迅速地下降；当气速升到D点时，导向管几乎被吹空。继续增加气速，由于射流从喷嘴进入导向管流通截面积增大，伯努利效应导致压降下降，随着气速进一步增加压降甚至出现负值。但由于纳米TiO2颗粒粘性较强，伯努利效应产生的抽吸力和粉体重力的合力难以克服粉体与壁面间的摩擦力，即使射流气速（uj）增加至200 m/s以上，环隙区仍然为固定床，如图3（a）所示。降低喷动气速时，随着伯努利效应的减弱，床层负压值逐渐减小。

图3 不同条件下的流态化示意Fig.3 Schematic diagrams of fluidization under different conditions

加入f为80 Hz，SPL为120 dB的声波后，床层压降与喷动气速关系曲线如图2b所示。由图可看出，随着喷动气速的增加，由于声波的引入，导向管内没有再出现活塞流和沟流，而是上部首先流化，然后逐步向下扩展，床层压降逐渐上升。至C点，导向管内粉体发生明显夹带，床层压降下降。与无声场时（图2a）不同，当喷动气速达到E点时，环隙粉体开始进入夹带区并被高速射流夹带进入导向管，粉体在导向管和环隙区之间形成循环；随喷动气速增加，粉体循环量增加，床层压降上升，此时流型如图3（b）所示。这是由于声波产生的声压，有助于推动环隙颗粒进入夹带区，但是声波在堆积颗粒中传播时衰减严重，导致该作用难以进入颗粒层内部，因而粉体循环量较小。

图4是uf为0.05 m/s时，床层压降与喷动气速关系曲线，此时环隙区出现沟流，大部分粉体静止不动。无声场时（图4a），随着喷动气速的增加，导向管内粉体同样经历了活塞流、沟流、聚团流化和粉体夹带等阶段，当床层压降降至最低点E后，进一步增大喷动气速，环隙中沟流附近的粉体被射流夹带进导向管，并在导向管和环隙区之间形成循环，且循环量随喷动气速增加而增大，流化状态如图3（c）所示，床层压降随喷动气速增加上升。逐渐降低uj时，先略有下降，当气速降低至F点时床层压降突跃式上升，此时导向管内的床层塌落，粉体循环停止，此点对应的喷动气速为颗粒的最小喷动速度（ums）。引入声场后（图4b），导向管内没有再出现活塞流和沟流，并且由于环隙沟流区转变为局部聚团流态化，且流化区域扩大，粉体流动性增加，因而最小喷动速度减小，粉体循环量增大。但由于流化气速较低，环隙仍有部分死区。

流化气速为0.20 m/s时的床层压降-喷动气速曲线如图5所示。此时，由于流化气速较高，环隙区颗粒已处于聚团流化状态。无声场时（图5a），增大喷动气速，导向管内颗粒仍然经历了活塞流、沟流、聚团流化、聚团夹带和粉体循环几个阶段，但由于此时环隙区处于聚团流态化，粉体流动性较好，且流化气旁路进入导向管的量增加，所以最小喷动速度下降，随着喷动气速的增大，粉体循环量增加，压降上升，流型如图3（d）所示。但当循环量较大时，导向管内粉体出现聚集偏析，颗粒浓度较高，射流不稳定，容易旁路进入环隙区，使导向管内粉体塌落，颗粒循环停止。引入声场后（图5b），由于强声波产生的声振动和声湍动效应，环隙流化更均匀平稳，导向管内粉体在气流中分布更均匀，射流稳定，所以最小喷动速度下降，颗粒循环稳定。

图5 流化气速为0.20 m/s时床层压降与喷动气速关系曲线Fig.5 Pressure drop curves at different spouting gas velocities at ufof 0.20 m/s

2.2 最小喷动速度

图6所示的是声压级为120 dB时，声波频率对纳米TiO2颗粒最小喷动速度的影响。从图中可以看出，声波可以显著地降低颗粒的最小喷动速度。最小喷动速度在80 Hz左右达到最小值，当频率低于或者高于80 Hz时，最小喷动速度都会增加。声波频率太低时，振动周期太长，致使颗粒在初始扰动之后又迅速恢复了粘结，环隙区颗粒流化质量没有得到明显改善。而频率太高时，由于声波的衰减系数与频率的平方成正比[12]，声波传播时衰减严重，大部分能量被上部颗粒吸收，难以渗透到床层下部，导致下部粉体聚集形成大聚团堆积在底部。

图6 声波频率对最小喷动速度的影响Fig.6 Effect of sound frequency on the minimum spouting velocity

图7 声压级对最小喷动速度的影响Fig.7 Effect of sound pressure level on the minimum spouting velocity

声场频率80 Hz时，声压级对不同流化气速下TiO2颗粒最小喷动速度的影响如图7所示。从图中可以看出，TiO2颗粒最小喷动速度随声压级的升高而变小。这是因为当声压级增加时，气流振动速率增大，湍流效应增强，有利于防止TiO2颗粒聚集团聚，改善环隙粉体的流化质量，提高其流动性。

3 结 论

a）纳米TiO2颗粒由于粘性较强，在导向管喷动流化床中只通射流气时，不能在导向管和环隙区形成循环。同时通入流化气，虽然可以促进循环但不稳定，当循环流量较大时，射流不稳定易进入环隙形成沟流，使循环停止。引入声波则可以有效抑制沟流，改善环隙流化质量，防止射流旁路，从而促进粉体稳定循环，提高粉体循环速率。

b）声波可以显著降低纳米TiO2颗粒的最小喷动速度：声波频率一定时，最小喷动速度随声压级的增大而减小；声压级一定时，存在一个最佳声波频率，此时最小喷动速度最低，本实验条件下，该最佳频率为80 Hz，低于或者高于这个频率，最小喷动速度都会增大。

参考文献：

[1] 李 勇， 申文杰. 多元醇法合成形貌可控的钴镍纳米材料[J]. 化学反应工程与工艺， 2013， 29（5）: 401-412. Li Yong， Shen Wenjie. Morphology-controlled synthesis of Co and Ni nanoparticles in polyol[J]. Chemical Reaction Engineering and Technology， 2013， 29（5）: 401-412.

[2] Geldart D. Types of gas fluidization[J]. Powder Technology， 1973， 7（5）: 285-292.

[3] Ajbar A， Bakhbakhi Y， Ali S， et al. Fluidization of nano-powders: effect of sound vibration and pre-mixing with group a particles[J]. Powder Technology， 2011， 206（3）: 327-337.

[4] Mawatari Y， Ikegami T， Tatemoto Y， et al. Prediction of agglomerate size for fine particles in a vibro-fluidized bed[J]. Journal ofChemical Engineering of Japan， 2003， 36（3）: 277-283.

[5] Taketomi S， Takahashi H， Inaba N， et al. Experimental and theoretical investigations on agglomeration of magnetic colloidal particles in magnetic fluids[J]. Journal of the Physical Society of Japan， 1991， 60（5）: 1689-1707.

[6] Guo Q， Wang M， Li Y， et al. Fluidization of ultrafine particles in a bubbling fluidized bed with sound assistance[J]. Chemical Engineering & Technology， 2005， 28（10）: 1117-1124.

[7] Morse R D. Sonic energy in granular solid fluidization[J]. Industrial & Engineering Chemistry， 1955， 47（6）: 1170-1175.

[8] 梁华琼， 周 勇， 李爱蓉， 等. 超细颗粒在声场流化床中的流化特性[J]. 高校化学工程学报， 2004， 18（5）: 579-584. Liang Huaqiong， Zhou Yong， Li Airong， et al. Fluidization characteristics of ultrafine particles in a sound-field fluidized bed[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2004， 18（5）: 579-584.

[9] 段蜀波， 梁华琼， 王 亮， 等. 纳米TiO2颗粒在声场流化床中的流化特性[J]. 化学反应工程与工艺， 2005， 21（1）: 6-11. Duan Shubo， Liang Huaqiong， Wang Liang， et al. Fluidization state of nano-particle TiO2in a sound-filed fluidized bed[J]. Chemical Reaction Engineering and Technology， 2005， 21（1）: 6-11.

[10] 马 兰. 超细粉在导向管喷动床中的流化行为[D]. 成都: 四川大学， 2001.

[11] 张国杰， 皮立强， 杨兴灿， 等. 超细粉在内循环流化床中的流态化特性[J]. 化学反应工程与工艺， 2015 （3）: 262-265. Zhang Guojie， Pi Liqiang， Yang Xingcan， et al. Fluidization behavior of ultrafine powders in an internal circulating fluidized bed[J]. Chemical Reaction Engineering and Technology， 2015， 31（3）: 262-265.

[12] Guo Q， Si C， Zhang J. Flow characteristics in a jetting fluidized bed with acoustic assistance[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2010， 49（16）: 7638-7645.

Fluidization Characteristics of TiO2Nanoparticles in an Acoustic Spouted-Fluidized Bed with a Draft Tube

Pi Liqiang， Gao Kaige， Yang Xingcan， Zhou Yong
Chemical Engineering Institute， Sichuan University， Chengdu 610065， China

Abstract:An experiment was conducted to investigate the effects of operating conditions， acoustic parameters（frequency and sound pressure） on nanoparticle fluidization behaviors in an acoustic spouted fluidized bed with a draft tube. An half-cylindrical column with a diameter of 120 mm and height of 1 200 mm was used as the column， TiO2nanoparticles with an average diameter of 290 nm was used as raw materials while the high-speed atmosphere jet was used as the spouting gas. It was found that the sonic could effectively inhibit the channelings and improved the quality of the annulus to prevent bypass of the high-speed atmosphere jet， thus contributing to a stable powder circulation and speed up the circulation rate between annulus and the draft tube. Furthermore， the minimum spouting velocity of the nano-TiO2particles was significantly reduced by introducing the sound wave. At a constant frequency， the minimum spouting velocity decreased as the sound pressure level increased. On the other hand， when the sound pressure level was fixed， the minimum spouting velocity was achieved with a critical frequency at 80 Hz， the frequency below or above 80 Hz resulted in higher velocity.

Key words:nanoparticles； fluidization； minimum spouting velocity； spouted-fluidized bed with draft tube；high-speed atmosphere jet； sound wave

作者简介：皮立强（1991—），男，硕士研究生；周 勇（1962—），男，教授，通讯联系人。E-mail: zhouyong@scu.edu.cn。基金项目：国家自然科学基金（21376151）。

收稿日期：2015-12-09；

修订日期：2016-03-07。

文章编号：1001—7631 （ 2016 ） 02—0114—06

中图分类号：TQ021.1

文献标识码：A