锥形流化床内垂直阵列碳纳米管的流态化特性分析

楚电明 白文娟 董乾鹏 何 燕

（青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061）

0 引言

碳纳米管（CNT）是一种具有独特的化学、物理、机械和功能性能的优良材料，受到了不同领域科学家和工程师的关注[1]。流化床反应器因其具有流体与颗粒相有效接触、热均匀性好、混合能力强、传热传质速度快等优点，在CNT的规模化制备中得到了广泛应用[2-3]。众所周知，分布板是使气体在流化床内均匀分布的关键内构件，但对聚团的黏性纳米颗粒的生长却具有负面作用。CNT是具有三维网状结构的聚团的黏性纳米颗粒，在其生长过程中容易堵塞分布板，造成死区，而且由于CNT的制备是在高温（一般大于600℃）下进行，长期连续使用会造成分布板的烧结和疲劳断裂。床层在上升的过程中，气流受到较大的阻碍，导致气源短缺和分布不均。这些问题最终导致反应器性能下降，CNT的质量和产量严重降低，不利于工业化。因此，笔者提出了一种无分布板式的锥形流化床进行CNT的制备[4]。并通过采用多角度分析方法、多尺度分析和均匀指数分析来深入理解气体-CNT颗粒的流动特性。该文详细研究了在无分布板式TFB中，不同操作条件（如表观气速、静态床高、压力探针位置）下的流动特性。

1 实验部分

1.1 实验设备

实验在室温和环境压力下进行。图1为无分布板式TFB的实验设备图。该装置采用树脂玻璃制成，包括直管段、膨胀段、锥角段和布袋除尘器，其内径为50 mm，高度为1430mm。其为倒锥形，顶部扩大段和滤网用于减少细小CNT颗粒的夹带，并与布袋除尘器相连。气体通过垂直向下的喷嘴，从锥角段的侧壁注入TFB中，由转子流量计控制。为了获取该气固系统的动态特性，利用压差传感器（CYG-1219）在TFB中测量压力波动信号。取样探头内径为4 mm，长度为100 mm，用于连接压力传感器和TFB。采样频率为200 Hz，采样时间为120 s。数据采集系统包括数据采集模块（USB-6002）和计算机系统。取样时，在直管侧壁的不同高度安装压力探针。第一端口位于锥形壁上，其余5个端口均匀分布在TFB的直管壁上，间距为150 mm，压力探针与系统内颗粒接触的部分黏结了一个筛网，用于防止微粒进入传感器，每组实验数据重复5次，以保证测量结果的可靠性。

图1 无分布板式TFB的实验示意图

1.2 床层材料

垂直阵列碳纳米管（VACNT）以蛭石为催化剂制备，其粒径范围为0.15 mm～1.25 mm，平均粒径尺寸为0.7 mm，颗粒密度为57.35 kg/m3，静态床层高度分别为15 cm、20 cm以及25 cm，表观气速（实验测得）在0.00424 m/s～0.0354 m/s，最小流态化速度（实验测得）为0.009 m/s。

1.3 分析方法

该文采用压差法、偏度、峰度、小波法、均匀指数等分析方法对压力信号进行详细的分析[4-8]。

2 结果与讨论

2.1 标准差分析

如图2所示，在无分布板式TFB中，VACNT颗粒的振幅随着Ug的增大而减小，压力波动的标准差分布在11Pa以下。从图2中可以看出，在床层高度H=15cm时，压力探针point1（P1）处测得的压力波动的标准差小于压力探针point2（P2）处，而在H=20cm和H=25cm时，P1处压力波动的标准差大于P2处。因此，不同测量位置的压力波动标准差趋势为P1H=15cm＜P1H=25cm＜P1H=20cm，P2H=25cm＜P2H=20cm＜P2H=15cm。这些差异是由压力波动的不同来源造成的。无分布板式TFB直管段上部的压力波动是由各种气泡通过压力探针时产生的，而下部分压力波动主要由于气泡在床面喷出时引起的床层颗粒振动产生的。对H=15cm时，压力波动的振幅在P1大于在P2的原因是床面和压力探针之间的距离相对较远，且大气泡与压力探头间歇性接触或接触较少，导致较低的标准偏差。结果表明，随着气速的增加，大气泡破碎成小气泡引起床体质量的振荡是引起床面压力波动的根源。因此，可知VACNT颗粒对静态床层高度、气体速度和测量位置敏感。

图2 VACN颗粒在不同静态床高和两轴向位置随表观 气速变化的压力波动的标准差

2.2 偏度和峰度分析

从图3（a）可以看出，随着气速的增加，轴向不同位置的偏度呈正态分布趋势。一方面，在H=15cm时P1处的数据集和在H=25cm时的数据集都在0附近波动，说明在两个位置的偏度近似于正态分布。另一方面，在H=20cm时的P2处压力波动数据的偏度为右，而在H=15cm时的P2处、H=25cm时的P2处和在H=20cm时的P1处的压力波动数据的偏度为左。偏度的最大值（右）和最小值（左）分别出现在H=20cm时的P2和P1处。该结果证实了通过压力探头的气泡对压力波动有显著影响，低气速时的部分流态化的时间序列呈不对称分布。图3（b）所示的峰度分布随着表观气速的增加，在不同静止床高和2个轴向位置上也有高斯分布的趋势。除了H=20cm时的P2处和H=25cm时的P1处外，峰度分布的数据集都有正峰。定性的来说，实验结果说明VACNT颗粒在气固系统中产生的压力波动信号几乎是不均匀分布的，在H=20cm时的P2处和在H=25cm时的P1处分布较为平坦。

图3 VACNT颗粒在不同静态床高和两轴向位置随表观气速变化的压力波动的偏度和峰度

2.3 小波分析

在整个流态化过程中，经小波分析可知，由气体-VACNT颗粒产生的压力波动信号的介尺度结构（气泡）的能量贡献占主导地位，微尺度结构（单颗粒）的能量贡献可忽略。在图4（a）中，介尺度结构的能量贡献随着表观气速的增加呈下降趋势，而宏观结构的能量贡献随着表观气速的增加呈上升趋势。在Ug= 0.01 m/s后，介尺度结构的能量占比呈显著下降趋势，在不同床层高度下，随着表观气速（Ug）的增加，P2处的能量占比下降到90%以下。如图4（b）所示，不同测量位置和静止床高的能量贡献有明显差异。因此，在无分布板式TFB中，VACNT颗粒本身产生的的介、宏观结构的能量贡献的敏感性（即对能量贡献的显著响应Q）要弱于其他影响因素（如测量位置、静态床层高度和气速）。

图4 压力波动信号在不同静态床层高度和两轴向位置

2.4 均匀指数分析

如图5所示，在H=15cm时，气体-VACNT颗粒产生的压力波动信号的均匀指数（HI）在P1和P2之间呈对称分布，此外，气体-VACNT颗粒产生的压力波动信号的HI呈正弦分布，然而，对VACNT颗粒的HI，在不同静态床高下没有简单清晰的边界。结果表明，在部分流态化阶段，不同静止床高下VACNT颗粒的压力波动的HI为HIP1＞HIP2，即P1处的微尺度结构比P2处的较明显，P1处的介尺度结构比P2处的弱，P1处颗粒运动机制稍强，P2处则以气泡运动机制为主。

图5 压力波动在不同静态床高度和两轴向位置随表观气速变化的均匀指数

3 结论

在无分布板式的锥形流化床（TFB）中，采用了标准差、偏度、峰度、小波分解和均匀指数等多角度、多尺度分析方法，详细研究了垂直阵列碳纳米管（VACNT）流态化的动态特性。根据实验结果，可以得出以下结论：1）压力波动是由不同来源造成的，VACNT颗粒的压力波动的根源在于床内的大气泡破碎成小气泡引起床体质量的振荡。2）随着气速的增加，轴向不同位置的偏度呈正态分布趋势。3）气体-VACNT颗粒系统产生的压力波动信号的介尺度结构的能量贡献占主导地位，微尺度结构的能量贡献可以忽略。4）在部分流态化阶段，不同静止床高下VACNT颗粒（微观尺度）运动在P1处的压力波动较明显，在P2处主要以气泡（介观尺度）运动为主。