1、英文原文英文翻译关于流体速度对颗粒在液固流化床分离过程中作用实验与模拟研究A.K. Mukherjeea B.K. Mishraba印度詹谢普尔塔塔钢铁公司研发部，印度b印度坎普尔理工大学，印度收稿 2006.2.28; 审核通过 2006.11.29网上公布2007.616摘要：流化技术已经应用于微细物料分选许多年。流化床技术被广泛认为比按密度和粒度分选的颗粒组成的控制分离有效。在这篇论文中，证明了当要改善分离效率时，流体速度在流化作用中起到非常重要的作用。首先通过实验分析简单颗粒群体确立这个理论，然后模拟来推广于范围更广的颗粒。这种数值方案认为独立元素分析方法（动力效应模型），是固体和液体
2、动力的交互作用，这种方案是理解微细颗粒在二元态的分离行为非常重要的方法。仅仅利用流化床不能精确的保证最佳的分离已经被证实，尤其是当颗粒的密度和颗粒的分布比较广的时候。2006爱思唯尔版权所有关键字：固液流化床；流体速度；颗粒分离流化床技术被广泛的应用于工业分离不同有用矿物。首先流化床技术在化工中被用于加强反应，氧化，和传热的混合过程。在矿业类中这项技术被用于不同物理性质的矿物颗粒的分离。跳汰机，水力分级机，和浮选机是流化床技术被广泛应用于矿物分离的机器的例子。最近的几年里，据最新的调查研究中( Steiner, 1996; Mishra and Mehrotra, 2001; Galvinet
3、 al., 2002 )在更详细的了解颗粒在流化床的行为状态，从而去改善颗粒分选效率。在流体流化包括液体和固体颗粒的交互作用并且没有析出气泡的自然状态。液体和固体颗粒交互作用可以被解释为球形颗粒在液体介质中沉淀，并且他们相互孤立。固体颗粒的受力平衡导致最终的沉降速度ut ,就如导出公式 (1)公式中CD是阻力系数，d是颗粒的直径，g是重力加速度并且，f和s分别是液体和颗粒的密度。单个颗粒与流体的交互作用可以非常清楚的区别和联系取值范围较大的雷诺数，Re。然而，分选的过程包括多样颗粒多样聚集由于复杂的流体流动属性使得用数字精确表示这些颗粒体系变得非常困难。首要的任务处理颗粒的组合问题已经被Ric
4、hardson and Zaki(1954)解决了。他们提议表层速度u与最终速度ut与孔隙率在多元颗粒流化床里的关系，就如下面的公式= (2)指数n的取值与雷诺数有着函数关系。许多论文曾在指出粒度组成有关，理查德与扎理的总结出不同的意见展现出颗粒在流化床中与液体的交互作用。预测流化行为时需要预先对运动颗粒进行受力分析。颗粒主要受力是重力，浮力，颗粒之间的碰撞力以及摩擦阻力。然而预测摩擦阻力是非常困难的。我们可以通过“空隙率函数”来估计颗粒在复杂状态下的摩擦受力，孔隙率函数f（），与摩擦阻力的关系如下：FD=FD0f（） （3）FD是当考虑进去临近颗粒的作用时的摩擦阻力，公式中FD0是相同的颗粒
5、当在只受浮力和重力的自由沉降过程中受到的摩擦阻力。函数f（），我们所用的空隙率函数的表示如下：f（）= （4）是固体的体积分数，是与颗粒性质和雷诺数紧密相关的参数。在许多学术报告中这个孔隙率被假设为是常数或者与颗粒物理性质相关的函数。本论文中遵循的是迪菲利斯在1994,1995年确立的确定的的多元颗粒体系规律，这个规律能够很好的描述我们液体和固体体系。在液体和颗粒的流化分选过程中，摩擦阻力是颗粒混合和分离的以主导作用的力。摩擦阻力依赖与孔隙率，粒度特性和流体速度，并且摩擦阻力可以用来预测最小流化速。高德等人1999年曾声称最小流化速度通过颗粒的高斯分布规律比二元颗粒体系更为准确。这表示二态化的
6、混合颗粒分选过程是一个非常复杂的水力分级行为。阿西夫和易卜拉欣（2002）学术论文中阐述二态颗粒分离体系中的水力分级行为决定着最小流化速度。他们还发现二态化颗粒体系在最小流化速度下的流化状态依赖于颗粒的物理特性和粒度比和密度比。然而还没有量化密度和粒度比重对于在二态体系中发生的混合和分离状态的要求。此外，控制流体速度的情况是复杂的；我们获得非常少的信息关于通过提高流体的速度来改变流化状态。所以我们甚至对于简单的二态体系我们都很难基于最小流体速度预测流化状态。拉苏尔等人（2000）较好阐明各种简单颗粒在流化作用和床层倒置的简单分离机制。他们表示对于二元态的颗粒混合物可以依赖于物料粒度比和密度比两
7、个因素分为混合物和分离物两个组分。颗粒群被分为混合的和另一部分分离的本文中分别为二元态颗粒体系中的状态和状态。此外，一些中间颗粒既可以是分离的又可以是混合的将被称为二元态体系状态。这些组分对于流体速度非常的敏感。图1按照拉苏尔等人的理论展示在二元态颗粒体系中的混合和分离状态。这个图表显示颗粒按照某一确定密度比和粒度比将要混合状态然而增加密度，比和粒度比将要处于分离状态（状态）。此外，一些中间颗粒群体（状态）在图一中已经被标出。明显，对于任何固定密度比，状态的颗粒有着比较大的粒度比。拉苏尔等人向其他学者已经利用实验的方法定义了状态和状态在二元态颗粒体系的范围。这项研究，由于使得通过密度和粒度预测
8、颗粒的分选有了可能性，所以对于煤炭分选有着非常重要的意义。例如，只要让二元态颗粒体系在流化床中处于状态，从而可以高密度的矿物中分选低密度的脉石。然而，这种方法预测，严格的说，不能紧紧单独考虑颗粒特性，而没有严格的考虑考流体的速度作用。论文中截止到这主要研究关于液固流化床的两个问题。一个是我们发现基于流化的颗粒群的分级的影响中明确的包括流体的速度。第二个问题是我们还意识到以前的研究成果局限于少量颗粒群体由于过程参数操作范围的固有缺陷使得只能停留在各种各样的实验上。在这篇论文中的分析我们利用流体速度和颗粒物理属性去预测流化床状态。我们也利用离散单元法的模拟工具，使得我们可以预测一系列二元态颗粒体系
9、在不同的流体速度下的流化状态。在离散单元法的理论框架下，流体行为通过迪利菲斯系数和弹簧缓冲器式接触模型描述颗粒和颗粒碰撞被描述出来。离散单元法分析大量颗粒在任何形式下的接触形式。这个信息被用在任何颗粒周围的空隙率。空隙率轮流应用到流体模型中计算摩擦阻力。因此，以这种方式颗粒系统的完全的水力行为被标记出来。这种模型被验证与实验结果相反和继而推出用于预测多元颗粒体系在不同流体速度下的流化状态。最后，通过这篇论文中可以提供矿物分选的特殊单元操作的内容。2实验流体化测试实验包括1m高直径为6.0cm的圆柱形有机玻璃管，如图2所示。一个均匀装置安装在流化管的下部来保证液体流均匀的通过横截面。水利用泵通过
10、底端的流量计打到流化管里面。一个手控阀固定在浮子流量计和旁通管路是用来控制水流量进入流态化柱。实验的建立还需要测定流化状态下流量，流化柱的高度和通过流化柱的压力。浮子流量计用于测量流体流量。流化柱的高度可以通过柱子旁边的尺子读取出来。通过流化柱底端压力可以通过压力计来测量。不同空隙率的二元体系的颗粒类型成份测量。然后，基于水的表面的流体速度，物料浆的体积密度，和流化动态孔隙率的基础上对试验结果进行比较并分析。二元混合物的颗粒，就如实际和人造的，相应于I-型，型II和III型类进行了测试。玻璃珠的空隙率远高于磁铁矿作为是特殊情况IV型二元体系颗粒，在流态状态中按照粒度分层进行了研究。IV型是一个
11、纯粹的尺寸变化系统，而在另一些系统，颗粒成分不同的大小，以及密度。这些类型颗粒混合物的构成属性，已经在表1中给出。所有的实验实施都是有两个步。在第一步骤中，单种类型的颗粒被放置在流化管里面中，并单独测试。该悬浮液的密度和压力降，在不同的流体的速度测定组份1（两个组分中较重的那部分）。然后用颗粒组份2将上述颗粒取代并独立测试。在第二步骤中，两种成分作为二元的系统进行测试，在实验开始时保持组分1，在流化柱的底部。二元混合物的颗粒在不同的流速，预计将显示，不同的流化状态，分层和混合。因此，在这种方式中，我们是可能的密切观察和分析的在不同的流体速度流化状态下，所有四种类型的二元系统。3结果和探讨在流化
12、床中，流化床颗粒的堆积密度随流体的速度而变化，它的初始值对应于一个静态的状态，通过动态状态，直到完全流化。图3示出III型二元体系每个组份（磁铁矿和玻璃珠）的堆积密度的增加，随着流体的速度为的变化。可以看出，磁铁矿该浆料堆积密度是高于在一个较低的流体速度作用下的玻璃珠料浆。换言之，较重的磁铁矿颗粒将分布在流化管的底部而较轻的玻璃珠分布在流化管的顶部。随着流体的速度增加，二元的微粒系统将显示完全混合。在更高的速度，流化柱呈现相反分层，即，较轻的玻璃珠在底部和较重的磁铁矿颗粒在流化柱的顶部。上述现象可以通过考虑动态空隙率和其上的摩擦阻力的影响来解释。我们的实验结果已经表明，玻璃珠的空隙率是远远高于
13、磁铁矿颗粒。从文献我们知道，一个系统的粒子摩擦阻力，由于有较高的空隙率会少。因此，增加流体的速度，玻璃珠相比磁铁矿颗粒，经历较小的摩擦阻力。这导致更多的磁铁矿颗粒床膨胀，导致磁铁矿颗粒比玻璃珠以更高的速率减小该浆料的体积密度。其中一个阶段达到当这两个组成部分的浆料体积密度为都是一样的，显示混合均匀。后来，在更高的流体速度，该浆料的体积密度由于磁铁矿颗粒下降速度低于玻璃珠，导致反分层。为了获取反分层的直接证据，把导致反分层的整个过程都被拍摄下来。图四展示物料层在不同流化状态的照片，从正常分层（图4a）通过混合（图4），直到反向分层（图4e）。图.4e的流化状态，相比，它们的初始位置，这两种类型的
14、粒子的相对位置已经翻转。在这个阶段流体的速度瞬间减小到零。颗粒立即沉淀，形成分离的颗粒的静态床（图4h）。然而，现在的分层相比初始状态（图4a） 是相反。在类似的方式中，流体的速度可以调整，以产生一种分离的床层，其中轻的颗粒位于重颗粒上面的流化状态。因此很显然，流体的速度在确定二元微粒系统的流化状态，起着重要的作用。人们已经发现，III型的二元混合物的颗粒仅通过在逐步增加流体的流速会从正常化分层状态到混合状态，然后达到反向分层状态。与此相反，I型和II型的颗粒化测试结果表明它是不可以简单地通过改变速度，能使改变流化床的状态从正常到混合或者相反分层。然而，流体速度的效果，在混合或隔离过程中是显然
15、。在流态化研究中，固定床监控压降程度是一种常见做法。图.5示出了流体的流速和压降下的混合物的颗粒的尺寸和密度比接近统一性的典型曲线图，它遵循了理想趋势。在流体速度达到初始流态化状态下的压力降，P，是简单的颗粒的重量减去的向上的推力和床层的横截面面积比。它的具体定义是：P= （5）上述关系式表明，整个床层高度的压力降，P，是粒子的密度，微粒系统中的空隙率，和流体的密度的函数。因此，一个二进制系统示于图4a将通过磁铁矿颗粒的床层的压降比隔着玻璃颗粒层的压降大。这是由于不两种不同的粒群有着不同的空隙率和颗粒密度。事实上，在磁铁矿/玻璃体系，据观察，在磁铁矿上面的玻璃珠的流化颗粒导致的流体改变。因此，
16、压降和流体速度之间的关系对于这种类型的二元体系（III型）会与理想的情况下有所不同。应当提到的是大部分的二元系统的研究没有依照理想的压降的流体的速度的关系，因此本研究结果没有更详细地考虑分析此属性。实验研究表明，某些二元混合物颗粒混床的良好分层是可以通过适当设计的流体的流速剖面来实现。流体速度对颗粒分离操作有显着的影响，并且在提高分离效率发挥重要的作用。虽然最佳的流体速度（或速度分布）对于一个给定的分离程度，可以通过实验确定，在很多情况下，相对于它处理的粒径，流化柱尺寸，流速等实验装都有其自身的局限性。因此，尝试了开发一个数学模型，用于研究液体/颗粒系统流态化体系仿真的工具，特别是预测流体在任何速度颗粒分离的的程度。4数值模拟液体/颗粒流化
