关于剪切作用下充气双峰颗粒-气体混合物分离的实验研究见解

《Powder Technology》：Experimental insights into the segregation of aerated bimodal particle-gas mixtures under shear

　　娜塔莉娅·利佩伊科 | 托马斯·J·琼斯
兰卡斯特环境中心，兰卡斯特大学，图书馆大道，贝尔里格，兰卡斯特，LA1 4YQ，英国

**摘要**
气体-颗粒混合物存在于许多地球物理现象和工业过程中，然而描述和理解它们的流动特性仍然是一个挑战。建模颗粒混合物的难度在于需要考虑单个颗粒的特性、充气气体的性质以及复杂的气体-颗粒相互作用，这些因素通常会在时间和空间上发生变化。在这里，我们进行了实验研究，探讨了在不同充气水平下剪切的单分散和双峰颗粒混合物的性质，并分析了施加剪切对颗粒分离的影响。在足够高的空气流速下，单分散颗粒柱表现出沸腾流化现象，而双峰颗粒柱则分离成一层较粗的玻璃珠和一层较细的颗粒。我们的实验数据表明，施加剪切可以抑制气泡的形成并促进单分散颗粒柱中的均匀非沸腾流化；而对于双峰颗粒柱，剪切则延缓并抑制了颗粒分离，使颗粒柱保持混合状态。

**引言**
流化床是颗粒-气体混合物，其中固体颗粒悬浮在流体介质中，从而使颗粒混合物表现出类似流体的特性。理解流化床的行为对许多工业过程至关重要，因为原材料通常以颗粒形式存在。这些过程包括药品生产（例如[1]、[2]、[3]）、食品配方（例如[4]、[5]、[6]）、二氧化碳捕获[7]、[8]以及生物质替代燃料的利用（例如[9]、[10]、[11]）。在自然环境中，更好地理解颗粒-气体混合物对于预测雪崩、碎屑流和火山碎屑流等地球物理流动的传播距离和危险管理也是必要的（例如[12]、[13]、[14]、[15]）。鉴于其在工业产品和自然过程中的广泛存在，流化颗粒床是颗粒物理学领域的一个重要研究方向（例如[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]）。

实验上，可以通过向干颗粒柱底部引入空气来生成流化床。当气体流速足够高时，颗粒的总重量会被气体通过柱子时产生的向上拖曳力所平衡。颗粒的内部摩擦力减小，柱子变得流化[22]。使柱子流化的具体气体速度称为最小流化速度，记为umf。在高于umf的气体速度下，颗粒柱底部可能会形成气泡，并表现出沸腾流化[12]、[22]、[23]。先前的研究表明，如果在流化过程中对颗粒柱施加剪切，剪切可以抑制气泡的形成并促进均匀的非沸腾流化[12]、[23]、[24]。

在自然界和工业界的许多情况下，完全均匀的单分散颗粒大小和密度分布是罕见的。此外，在流化过程中，颗粒间的碰撞会产生细粒（称为磨损[8]、[25]、[26]、[27]），并形成双峰粒径分布[28]、[29]。在这种情况下，当颗粒混合物由不同大小和密度的颗粒组成时，颗粒可能在某些气体速度下发生分离。颗粒分离是指不同大小或密度的颗粒从混合物中分离出来的过程，导致分布不均匀[17]、[21]、[30]。在沸腾流化柱中，随着气泡上升，它们会将较小、较轻的颗粒带到柱表面，而较大、较重的颗粒会沉到底部，从而在柱子的轴向方向上形成颗粒的垂直循环[21]、[30]、[32]。分离后的颗粒柱的不均匀分布和异质性显著影响了诸如流变性和流动模式等关键特性，进而影响柱子在传热和化学反应等方面的性能[21]。因此，了解导致颗粒分离的机制及其分离过程至关重要。此外，在大多数工业和自然应用中，颗粒混合物通常是动态现象，参数（如剪切率）可能在空间和时间上发生变化，从而影响颗粒分离过程。

**研究动机**
本研究的目的是探讨施加的剪切如何影响颗粒分离，以及充气过程中的颗粒分离如何改变颗粒柱的流动特性。本研究通过实验研究了由不同尺寸的球形玻璃珠组成的充气双峰颗粒混合物的动力学特性。颗粒混合物在已知的气体流速下同时受到剪切和充气作用，并测量了剪切应力。在本文中，我们展示了所测剪切应力的分析结果，以及对气泡形成和分离过程的定性分析。

**实验细节**
实验中使用的颗粒材料为Ballotini玻璃珠，直径分别为355–500 μm和63–90 μm（由Kuhmichel Abrasiv Limited提供）。这两种尺寸分别用名义粒径表示为355 μm和63 μm。对于355 μm的颗粒，d50 = 450 μm，d32 = 458 μm；对于63 μm的颗粒，d50 = 68 μm，d32 = 68 μm。

**最小流化速度**
图2显示了所有研究颗粒混合物的颗粒柱压力降Δp与空气流速u的关系。对于所有颗粒柱，Δp随u的增加而线性增加，直到达到最大值。对于单分散颗粒柱，在Δp达到最大值后趋于平稳。这发生在柱子的重量被向上气体流动的阻力平衡且柱子流化的时刻。然而，对于双峰颗粒柱……

**结论**
本文报告了一项关于剪切对充气双峰颗粒柱颗粒分离影响的实验研究。这些颗粒柱由名义直径分别为63 μm和355 μm的Ballotini玻璃珠组成，按不同比例混合。分别将质量占比为50%、40%、25%和10%的63 μm颗粒柱与两个单分散颗粒柱（分别由100%的355 μm和100%的63 μm组成）的结果进行了比较。颗粒混合物在8 s?1的剪切率下进行了剪切。

**作者贡献声明**
娜塔莉娅·利佩伊科：撰写原始草稿、可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。
托马斯·J·琼斯：撰写审查与编辑、项目管理、方法论设计、资金争取、概念构建。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们感谢自然环境研究委员会（NERC）对这项研究的资助（资助编号：NE/W006286/1）。TJJ还获得了英国研究与创新署（UKRI）未来领导人奖学金的支持（资助编号：MR/W009781/1）。