气固分选流化床空间特征研究装置及特征研究方法与流程

1.本发明涉及气固分选系统分析测量技术领域，特别是涉及一种气固分选流化床空间特征研究装置及特征研究方法。


背景技术：

2.在传统化工研究中，气固流化床具有多种时空结构，存在不同尺度之间运动特性的强耦合，其包括气泡、聚集结构、气固流动、颗粒与颗粒之间运动特性的强耦合，是一种典型的复杂系统。气固两相、颗粒相之间以及颗粒相与床壁之间发生复杂的能量、质量和动量交换，这些交换显著影响流态化环境的稳定性和分离性能。造成气固分选流化床床层不稳定的因素主要有：原生不稳定性(流化介质和固相颗粒)和次生不稳定性(布风机制、固相颗粒物性设计等)。现阶段，针对气固分选流化床的研究主要集中于对不同操作域内颗粒物性、操作条件、气泡和外加能量对流化床层两相流结构的影响等方面，所述颗粒物性主要包括：颗粒尺寸、颗粒密度、堆积密度、颗粒形状、颗粒膨胀函数、加重质级配等，所述操作条件主要包括温度、压力、流速、临界流化速度。即使在相同操作条件下，由于颗粒浓度的分布不均，气固两相的流动结构与状态也随着床层的位置、空间不同发生渐变，具有不同的空间特征，局部和整体不均匀性的相互关联成为影响气固两相流行为的重要特征。虽然目前的研究手段及方法较多，但针对气固流态化分选性能空间特性，床层局部与整体系统协同机制方面的研究还比较薄弱，尚不能综合多个影响因子定量分析其交互作用对气固流态化空间特征的作用规律。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种气固分选流化床空间特征研究装置，该装置结构合理，操作简单，通过三个可更换的预布风板可有针对性的对布风情况、流化床死区和流化床空间特征影响进行分别研究，为复杂气固分选流化床空间机理研究提供了新的思路。
4.为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种气固分选流化床空间特征研究装置，其特征在于，包括：供风系统和流化床系统，所述供风系统与流化床系统相连通；
5.所述流化床系统包括：床体、布风室和气体分布装置，所述布风室设置在床体的下方，所述气体分布装置设置在布风室与床体之间，所述布风室、气体分布装置和床体通过紧固件可拆卸的依次连接在一起，
6.所述气体分布装置包括：上层布风装置和三个可更换的预布风板，所述上层布风装置上均匀开设有布风孔，所述布风孔的孔径为200目～900目；
7.所述三个可更换的预布风板包括：第一预布风板、第二预布风板和第三预布风板，所述第一预布风板上均匀布设有多个第一预布风板布风孔，所述第一预布风板布风孔的面积之和占第一预布风板面积的10％～25％；
8.所述第二预布风板上开设有多个第二预布风板布风孔，所述多个第二预布风板布
风孔均匀布设在第二预布风板以其直径为轴的左侧一半上，所述多个第二预布风板布风孔的数量占第一预布风板上开设第一预布风板布风孔数量的100％；
9.所述第三预布风板上开设有多个第三预布风板布风孔，所述多个第三预布风板布风孔以第三预布风板直径为轴分别设置在第三预布风板左侧和右侧，左侧第三预布风板布风孔的数量占第一预布风板上开设第一预布风板布风孔数量的75％，右侧第三预布风板布风孔的数量占第一预布风板上开设第一预布风板布风孔数量的25％；
10.所述第一预布风板布风孔、第二预布风板布风孔和第三预布风板布风孔均为孔径为1mm～4mm的圆形孔。
11.上述的气固分选流化床空间特征研究装置，其特征在于，所述供风系统包括罗茨鼓风机、风包和转子流量计，所述罗茨鼓风机的出风口与风包的入口端相连通，所述转子流量计设置在风包出风口处且一端与风包出风口相连通，所述转子流量计的另一端通过进气管与布风室的进风口相连通。
12.上述的气固分选流化床空间特征研究装置，其特征在于，所述床体为圆柱形有机玻璃床体，所述床体的床壁面设有传感器安装小孔。
13.上述的气固分选流化床空间特征研究装置，其特征在于，所述进气管与布风室连接的一端伸入布风室内且在布风室沿水平方向弯折预定的角度。
14.本发明还公开了一种利用上述装置对进行气固分选流化床空间特征定量化的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
15.步骤一、将0.15
‑
0.175mm的磁铁矿粉放进流化床中，打开罗茨鼓风机，压缩空气通过风包和转子流量计经过进气管进入布风室，压缩空气在布风室内通过气体分布装置进入流化床床体，通过调整转子流量计控制气速，在保证能够充分流化的条件下维持3
‑
5min；
16.步骤二、通过取样采集点取样，每次取样时间设定为5s，且都重复3次，最终取其平均值；
17.步骤三、改变外在操作条件，研究不同因素对气固悬浮特征的影响规律；
18.步骤四、对无量纲气速、无量纲床层高度、气体分布装置性质数据进行离散化处理，采用地理探测器分析各单影响因子以及多影响因子交互作用对气固分选流化床空间特征的影响进行定量分析。
19.上述的气固分选流化床空间特征定量化的研究方法，其特征在于，步骤三中所述的操作条件包括气速、床层物料高度和气体分布装置。
20.本发明与现有技术相比具有以下优点：
21.1、本发明气固分选流化床装置设计合理，可拆卸式布风板可根据研究需求不同进行多样化设计，体现主要功能部件组装灵活以及一体化的特点，整个装置易于加工生产，操作简单方便、维护费用低。
22.2、本发明首次提出气固流态化系统分选性能的空间特征科学思想，用于揭示气固分选系统复杂性与差异性，从而建立时间
‑
空间域上动态平衡的高稳定性气固流态化分选系统。
23.3、本发明提供的气固分选流化床空间特征研究方法，在能够实现单影响因子对空间特征影响定量评价的同时，又将不同影响因子的交互作用纳入考虑，为实现揭示复杂气固分选流化床复杂机理的研究与精准调控空间特征提供了充分理论与技术支持。
24.4、本发明的研究方法涉及生态系统与地理学科，计算机科学，属于多学科交叉融合，采用python对数据进行离散化处理，利用地理探测器定量分析了气固分选系统空间特性形成的驱动因素，使各个影响因子的影响力更加可信，准确性更高。
25.下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为本发明气固分选流化床空间特征研究装置的结构示意图。
27.图2为本发明第一预布风板的结构示意图。
28.图3为本发明第二预布风板的结构示意图。
29.图4为本发明第三预布风板的结构示意图。
30.图5为本发明流化床径向取点的设计示意图。
31.图6为本发明流化床轴向取点的设计示意图。
32.附图标记说明:
33.10
‑
床体；11
‑
传感器安装小孔；
34.20
‑
布风室；30
‑
气体分布装置；31
‑
上层布风装置；
35.32
‑
布风孔；33
‑
第一预布风板；34
‑
第二预布风板；
36.35
‑
第三预布风板；36
‑
第一预布风板布风孔；
37.37
‑
第二预布风板布风孔；38
‑
第三预布风板布风孔；
38.41
‑
罗茨鼓风机；42
‑
风包；43
‑
转子流量计；
39.44
‑
进气管。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
41.需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
42.如图1至图4所示，本发明公开了一种气固分选流化床空间特征研究装置，包括：供风系统和流化床系统，所述供风系统与流化床系统相连通；所述流化床系统包括：床体10、布风室20和气体分布装置30，所述布风室20设置在床体10的下方，所述气体分布装置30设置在布风室20与床体10之间，所述布风室20、气体分布装置30和床体10通过紧固件可拆卸的依次连接在一起，
43.所述气体分布装置30包括：上层布风装置31和三个可更换的预布风板，所述上层布风装置31上均匀开设有布风孔32，所述布风孔32的孔径为200目～900目；
44.本实施例中，预布风板可根据实验需求设计为三种，其包括第一预布风板33、第二预布风板34和第三预布风板35，
45.所述第一预布风板33上均匀布设有多个第一预布风板布风孔36，开孔形式如图2所示，以中心对称线分割为2个部分，ph代表分割区域孔数占总开孔数的比例，第一预布风
板33采用ph＝50％和ph＝50％的开孔形式，即第一预布风板33均匀开孔，且开孔率介于10％～25％。
46.第二预布风板34采用ph＝100％和ph＝0％开孔形式，即所述以其直径为轴左侧一半均匀布设有预布风板布风孔36，右侧一半不开设预布风板布风孔36，左侧开孔数占第一预布风板33开孔总数的100％，右侧开孔数占第一预布风板33开孔总数的0％。
47.第三预布风板35采用ph＝75％和ph＝25％开孔形式，即所述第三预布风板35以其直径为轴分成左侧和右侧，左侧开设预布风板布风孔36的孔数占第一预布风板33开孔总数的75％，右侧开设预布风板布风孔36的孔数占第一预布风板33开孔总数的25％。
48.所述第一预布风板布风孔36、第二预布风板布风孔37和第三预布风板布风孔38均为孔径为1mm～4mm的圆形孔。
49.预布风板上添加2层325目的滤布作为上层布风装置，三种预布风板分别标记为a1、a2、a3。所述预布风板在研究均匀布风情况时，在保证开孔率的前提下采用a1即第一预布风板33的方式，预布风板布风孔36均匀布风设计，开孔数占比为100％；所述可拆卸布风板在诱导分选流化床死区产生时，采用a2即第二预布风板34的方式，以直径为轴采用一半开孔和一半不开孔设计，左右开孔数分别占100％和0％；所述可拆卸布风板在研究不均匀开孔对分选流化床空间特征影响时，采用a3即第三预布风板35的方式，以直径为轴左右开孔数分别占75％和25％；
50.本发明采用多样化设计的可拆卸式布风板，一方面能够简化模型诱导产生不同的空间特征，一方面与均布布风系统形成对比，为复杂气固分选流化床空间机理研究提供了新的思路。
51.如图1所示，所述供风系统包括罗茨鼓风机41、风包42和转子流量计43，所述罗茨鼓风机41的出风口与风包42的入口端相连通，所述转子流量计43设置在风包42出风口处且一端与风包42出风口相连通，另一端通过进气管44与布风室20的进风口相连通。
52.本实施例中，所述床体10为圆柱形有机玻璃床体，所述床体10的床壁面设有传感器安装小孔11。
53.本实施例中，所述进气管44与布风室20连接的一端伸入布风室20内且在布风室20沿水平方向弯折预定的角度。进气管44在布风室20内采用弯管设计可以保证布风室20进气均匀。
54.本发明还公开了一种利用上述装置对进行气固分选流化床空间特征定量化的研究方法。
55.实施例1
56.该方法包括以下步骤：
57.步骤一、将0.15
‑
0.175mm的磁铁矿粉放进流化床中，静床高设置为150mmm～250mm，采用整体开孔率为10％的均匀开孔布风板，打开罗茨鼓风机41，压缩空气通过风包42、转子流量计43、进气管44依次进入布风室20，压缩空气在布风室内通过气体分布装置30进入流化床床体10，试验所采用的预布风板为a1。
58.步骤二、为了尽可能表征气固分选流化床不同位置固相颗粒的空间分布特征，设计具有代表性的取样点通过床层三维空间采样来研究其固体颗粒质量流率的分布特征，取样点如图5和图6所示。颗粒物料在流动的过程中，会因粒度、密度不同而产生一定程度的分
离和偏析。为尽量减小实验的误差，每次取样时间设定为5s，且都重复3次，最终取其平均值。
59.根据试验所得数据特点可采用python编程序对因变量y(固体质量流率)和自变量x(轴向空间位置)数据进行离散化处理。其中以10为间距将固体质量流率划分为6个部分：0
‑
10、10
‑
20、20
‑
30、30
‑
40、40
‑
50、>50，分别记作1、2、3、4、5、6。自变量x根据采样点的设计划分为6部分，记为1、2、3、4、5、6，对应h/h分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。
60.步骤三、基于颗粒的似流体性质，采用地理探测器技术研究相同操作条件下，气固流态化轴向空间是否存在分异特征。
61.以上研究得出因子探测结果：q＝0.989536，证明了气固分选流化床在轴向空间位置存在明显的空间分异特征。
62.实施例2
63.结合图1，进一步研究不同因素作用对气固分选流化床空间特征的影响机制，本实施例利用上述装置对气固分选流化床空间特征的研究包括以下步骤：
64.步骤一、将0.15
‑
0.175mm的磁铁矿粉放进流化床中，静床高设置为200mm，采用整体开孔率为20％的均匀开孔布风板，打开罗茨鼓风机41，压缩空气通过风包42、转子流量计43、进气管44依次进入布风室20，压缩空气在布风室内首先经过一个预布风，然后依次通过气体分布装置30进入流化床床体10。根据实验需求设计三种气体分布装置，预布风板孔型为圆形，孔径均为3mm，开孔形式如图2至图4所示，以中心对称线分割为2个部分，ph代表分割区域孔数占总开孔数的比例，采用ph＝50％和ph＝50％、ph＝75％和ph＝25％、ph＝100％和ph＝0％开孔形式，预布风装置上添加2层325目的滤布作为上层布风装置，三种气体分布装置分别标记为a1、a2、a3。
65.步骤二、基于颗粒的似流体性质，研究不同操作条件(气速、空间位置、气体分布装置)，对气固流态化空间特性的影响规律。
66.步骤三、根据试验设计特点，气速按大小划分为1、2、3分别对应流化数1.2、1.6、1.8；气体分布装置设置为1、2、3，对应a1、a2、a3；径向空间位置设置为1、2、3、4、5、6对应径向角度β分别为0
°
、60
°
、120
°
、180
°
、240
°
、300
°
；轴向空间位置设置为1、2、3、4、5、6，对应测量高度和床层静床高比值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。
67.步骤四、采用地理探测器技术对试验所得数据进行分析，证实气固分选流化床存在的空间分异现象以及揭示各参数条件之间相互作用对颗粒固体质量流率影响规律。
68.表1实施例2中交互作用探测结果
[0069][0070][0071]
表2实施例2中因子探测结果
[0072] 气速气体分布装置径向轴向
q statistic0.0198760.0002130.0007830.942287
[0073]
表3实施例2生态探测结果
[0074]
影响因素气速气体分布装置径向轴向气速
ꢀꢀꢀꢀ
气体分布装置n
ꢀꢀꢀ
径向nn
ꢀꢀ
轴向yyy [0075]
表4实施例2中风险探测结果
[0076][0077]
通过以上探测结果分析可知：因子探测结果表明各影响因子对颗粒固体质量流率空间分异影响大小分别为：轴向空间位置>径向空间位置>气体分布装置>气速，轴向空间位置对颗粒固体质量流率的影响最大。预布风装置和上层布风装置孔径差距较大，推测其弱化了气体分布装置对空间特征的影响。交互作用探测结果表明：气速和气体分布装置、气速和径向空间位置、气速和轴向空间位置、气体分布装置和径向空间位置、气体分布装置和轴向空间位置以及轴向空间位置和径向空间位置的交互作用对颗粒固体质量流率的影响呈现非线性增强趋势，两种因子之间的交互作用对颗粒固体质量流率的影响大于其单独对颗粒固体质量流率影响的加和，气速与轴向位置的交互作用最大。生态探测结果表明轴向空间位置和气速、气体分布装置、径向空间位置对固体质量流率的影响存在显著差异。风险探测结果展示了各影响因子对应的平均固体质量流率间是否存在显著差异，流化数n＝1.2(1)与流化数n＝1.8(3)对应的固体质量流率、以及轴向不同高度之间均存在显著差异，其他影响因子之间未存在显著差异。综上研究表明：气速和轴向/径向空间位置、轴向和径向空间位置、气体分布装置和轴向空间位置的交互作用是影响气固空间特征分布异质性的关键因素。
[0078]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。