电场作用对气固流化床颗粒流化特性的影响分析

冯海燕 郝贤贤 刘怀双

山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东 德州 253000

引言

在干燥颗粒化工生产过程中，会存在静电现象，流化床反应器很容易产生静电，该种设备称为静电流化床反应器，在该设备中带点颗粒，具备一定的粘附性，很容易出现结块的情况，在操作过程中不具备一定的稳定性，在此过程中颗粒的运动状态会受到静电的影响，而发生一定程度的改变，此时的传热传质会受到一定程度的强化。所以科学合理的对颗粒的运动情况进行控制是至关重要的，与此同时还要确保有利的部分得到很好的应用和强化。

1 极化与静电现象

介电颗粒的内部电荷不具备自由移动的特点，属于不导电的一种物质。在微观层面上对物质进行分析，那么其实是有原则和分子构成的，带正电的原子核以及核外带负电的电子能够构成原子在此过程中，原子对外呈现出电中静的状态。正负电荷在原子以及分子上的分布是比较分散的，但是其产生的影响可以当作点电荷，电荷的重心可以作为点电荷所在的位置。从原子和分子的结构角度进行分析，其可以当作电偶极子。电介质分子可以分为无极和有极，主要是根据等效正负点电荷重心是否重合来进行判断的，在此过程中如果出现了重心重合的情况，那么该种分子属于无极分子，否则则属于有机分子。很多分子电偶极子，在没有外电场的情况下，会出现趋向混乱的情况，在宏观的角度上去分析，其处于电中性的状态。如果存在外加电场并且分子出现了宏观电荷分布的情况，那么这种情况属于极化。

2 在外加电场的条件下，对气固流化床颗粒的流化特性进行分析

2.1 外加直流电场作用

2.1.1 局部电场效应和多重极化效应的影响。在临近的颗粒之间会存在局部电场效应以及多重计划效应，在此过程中，颗粒之间会出现相互作用的情况，在此过程中如果出现了颗粒距离比较远的情况，那么可以不考虑这两种因素[1]。颗粒周围的电场强度会随着颗粒的彼此接近而受到一定程度的影响，在此过程中数量级也会有所提升，颗粒之间的距离如果比较近，那么多重计划效应，在此过程中会产生比较强的作用。计算工作在开展过程中，阶段范围外的颗粒不会产生太大的电场效应，所以可以忽略。为了保证计算的简便，对于高阶的多重极化作用要进行忽略。

2.1.2 颗粒流动特性。在对不同电场强度下的流动特性进行分析时，主要探讨了电场强度对颗粒流动产生的作用规律，在此过程中设置了不同的电场强度，并且开展了具体的对照，在对颗粒之间的电极化力进行计算时，只要按照修正后的模型进行计算，在此过程中要考虑到局部电场效应以及多重极化效应。

2.1.3 颗粒受力特性。单个颗粒在外电场的作用下，会受到多种力的作用，包括电极化力以及接触力等。颗粒所受到的激化程度会受到不同电场强度的影响而发生一定程度的变化，最终颗粒之间的电极化力也会受到影响，其运动状态以及接触力会产生变化。

2.2 外加交流电场作用下的颗粒流化特性

在外加交流电场的作用下，正弦交流电场是竖直方向的，在具体计算过程中，电场强度幅值以及电场频率分别为 E0= 1.5 kV/mm， f = 1Hz、100Hz、1000Hz 。

2.2.1 颗粒旋转对动态极化的影响。该文章在具体计算过程中采用了 M-W 极化模型和修正模型，前者没有考虑颗粒旋转运动，后者考虑到了颗粒的旋转运动，是用两种模型能够很好地对颗粒旋转的动态计划影响进行计算。通过图1可以看出，如果使用修正模型，那么电场频率如果不同，最终所得到的颗粒电极化是小于 M-W 极化模型的，由此可以看出颗粒之间的电极化力能够通过旋转运动得到削弱。除此之外，颗粒之间的电极化力会随着交流电场频率的增加，而出现一定程度的减小，在颗粒旋转运动的影响下，两种模型之前具有很大的差异。颗粒的旋转运动与交流电场的叠加效应，在低频电场下具有比较弱的特点，在此过程中会出现可理解的电极化率削弱的情况。在高频电场条件下高速变化的电场，同样起到了削弱的作用。

图1 颗粒平均电极化力随时间的变化

2.2.2 不同电场频率下的颗粒流动特性。在对交流电场频率所产生的作用和影响进行分析时，主要探讨的对象是气固流化床颗粒运动，模拟计算所使用的修正模型是考虑可以旋转运动影响的。由图2可以看出颗粒的走向速度分布，云图在不同的交流电场频率作用下，有着微小的差别，但是大体上不具备很大的差异。通过图3可以看出，在不同的电场频率下，轴向速度的分布呈现出了V型。颗粒在壁面以及中心区域分别呈现出了向下运动和上升运动的状态。

图2 在电场频率(a) f=1Hz；(b) f=100Hz；(c) f=1000Hz 作用下颗粒轴向速度分布

图3 在不同电场频率下，颗粒轴向速度沿径向的分布

3 静电场作用下的气固流化床颗粒流化特性

3.1 单极荷电

颗粒在单极核电体系中带有同样的电荷，所以没有对极性进行区分。流化床中的颗粒如果是在单级核电体系中，那么其受到的静电作用属于库仑斥力。在此过程中对颗粒粒径差异以及颗粒和电量所产生的影响进行了相应的分析和探讨。

3.1.1 不同颗粒粒径对静电流化床的影响。在对不同颗粒粒径所产生的影响进行分析时，要按照控制变量法进行探讨和分析，在此过程中要确保电荷量是相同的。但是颗粒的大小如果不同，那么所受到的重力也是不同的，颗粒小的所受的库存率是比较大的，所以影响也比较大。

3.1.2 不同颗粒荷电量对颗粒流动特性的影响[2]。①颗粒的运动会受到耗电量的影响。颗粒在气固流化床内的分布不具备均匀性，会呈现出杂乱无章的状态，在此过程中还会出现气泡以及局部乳化等情况。流化床床层的高度在小的颗粒和电量状态下会出现流化床比较低的状态，在此过程中气泡的数量以及尺寸都会呈现出见效的情况，整体的颗粒分布具备一定的均匀性。床层上部的颗粒在大电荷量状态下会呈现出吸收的情况，长城的高度有一定程度的增加。在此过程中，颗粒之间存在的库伦力会呈现出排斥的状态，所以距离会增大，排斥力会减小，气泡的生成会受到抑制，排斥作用会随着颗粒和电量的增大而越来越明显。②颗粒浓度会受到核电量的影响。颗粒浓度比较高的区域在壁面附近，稀密两相分界线会随着核电量的增加而具备越来越低的凹陷度。颗粒浓度在低核电量状态下与普通的流化床相比较，床高是比较高的，并且在核电量增加的情况下，轻浓度有一定程度的减少。这主要是因为颗粒在分布过程中受到了库伦斥力的影响，而出现了均匀性的情况。气泡等结构的生成在低荷电电量状态下，同样会受到库伦斥力的影响，颗粒的浓度会随着床层空隙率的降低而有一定程度的增高。颗粒之间的距离在高荷电量状态下，较大的库仑斥力会导致其距离逐渐变大，最终导致颗粒浓度降低，颗粒稀疏。

3.1.3 不同颗粒荷电量对颗粒受力特性的影响。颗粒之间的库仑斥力会随着核电量的不同而发生一定程度的改变，颗粒的运动状态也会发生一定程度的变化，最终整体的流动形态会受到相应的影响。

4 结束语

综上所述，颗粒之间的相互作用会受到电场的影响，而出现一定程度的变化，内外电场是流化床中比较常见的两种存在形式，流化床内的气泡等非均匀结构会受到电场的影响，不能够正常的生成和演化。在外加电场条件下，要科学合理的对气固流化床进行分析和研究[3]。第一，颗粒在外电场的作用下会出现极化作用，在此过程中要考虑到局部电场效应以及多重极化效应，在此过程中影响比较大的是局部电场效应。第二，颗粒的速度分布以及浓度分布在颗粒的流动特性中，主要是受到电场强度的影响。颗粒之间存在着相互作用力在此过程中形成的颗粒粒儿长度会随着电场强度的升高而又一定程度地增加，在此基础上的组织结构，数量也会有所增加，气泡的生成以及颗粒的漩涡运动会受到阻碍，颗粒浓度的波动频率会受到一定程度的影响而出现增加的情况。第三，随着电场强度的升高，颗粒的受力特性分析中的电极化力会受到相应的影响而出现增大的情况，随着电场频率的增加，颗粒所受的电极化力是减小的。颗粒所受的径向接触力，在强电场的作用下是比较小的。颗粒如果被链状以及团簇状结构包围，那么电场强度在增加时，其不会受到大的曳力，受到大曳力的颗粒是处于游离状态的气道中的颗粒。