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稀有金属 2015,39(07),617-622 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.07.008

高密度颗粒相HfO₂的流态化特性研究

刘坤 陈松 王力军

北京有色金属研究总院稀有金属冶金研究所

摘 要：

研究了高密度物料HfO2在流态化方面的特点。在物料类型的研究中,使用床层塌落法对粒度为74~100μm的HfO2颗粒进行研究,结果表明:粒度为74~100μm的Hf O2属于B类物料,适用于鼓泡床或者湍流床。使用公式计算和实际实验进行对比,结果表明:低密度物料的临界流化速度经验公式同样适用于高密度物料HfO2的临界流态化速度计算;74~100μm的HfO2颗粒物料在流化过程未形成散式流态化状态,直接从沟流状态进入聚式流化状态;在粒度为74~100μm的HfO2颗粒的冷态流态化实验中,气流速度小于5 m3·h-1时,床层局部出现气孔,气流速度为5~8 m3·h-1时,床层处于沟流和完全流态化的过渡态;气流速度大于8 m3·h-1后基本完成了流态化;气流速度大于12 m3·h-1时,底部死角区域开始流动;气流速度从12降到6 m3·h-1的过程中,床层保持了一个较为稳定的床高和压力波动,可以获得更多的稳态流态化操作范围。

关键词：

HfO2;鼓泡床;B类物料;起始流态化速度;

中图分类号： TQ134.13

作者简介：刘坤(1987-),男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向:冶金物理化学、冶金动力学;E-mail:liukun.qi@foxmail.com;;陈松,教授;电话:13366160081;E-mail:cpine8668_cn@sina.com;

收稿日期：2014-01-19

基金：国家科技部“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAB10B10)资助;

Fluidization Characteristics of High-Density Particles of HfO₂

Liu Kun Chen Song Wang Lijun

Rare Metals & Metallurgy Materials Research Institute,General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

The characteristics of high-density material HfO2 in the fluidized bed were studied through calculation and experiment. The bed collapse method was used to study the material types of HfO2 with diameter in the range of 74 ~ 100 μm. The results showed that HfO2 of 74 ~ 100 μm was Class B materials,applying to bubbling bed or turbulent bed. The comparison between theoretical calculations and actual experiments proved that the critical fluidization velocity empirical formula of low-density material could also be applied to that of high-density material; HfO2 with diameter in the range of 74 ~ 100 μm transformed into aggregative fluidization from channeling fluidized bed instead of dispersed fluidization; when the gas velocity was less than 5 m3·h- 1,stomata occurred in a small portion of HfO2particles; when the gas velocity was between 5 ~ 8 m3·h- 1,only part of the materials were fluidized; when the gas velocity was more than 8 m3·h- 1,most of the fluidized bed completed the fluidization; when the gas velocity was more than 12 m3·h- 1,the bottom dead area began to flow. With the gas velocity decreasing from 12 to 6 m3·h- 1,the bed kept relatively stable bed height and pressure fluctuations,which could get more steady-state and fluid operating ranges.

Keyword：

HfO2; bubbling fluidized bed; Class B materials; starting fluidized speed;

Received： 2014-01-19

铪材主要用于核工业和民用高科技领域^[1,2,3], Hf Cl₄是克劳尔法生产海绵铪的原料^[4,5],工业上Hf Cl₄的制备方法是用碳化氯化方法将Hf O₂和焦炭混合、压块、烧结后转入电炉中通入氯气加热^[6]。 根据使用设备和工艺条件的不同分为固定床氯化和流化床氯化法^[7,8,9]。随着现代工业对海绵铪需求的增加^[10,11],流化床氯化工艺以其简洁、高效、节能等优势将逐渐成为海绵铪生产的主要工艺过程之一。人们往往借用氧化锆的流态化氯化工艺^[12]进行氧化铪的氯化,但由于氧化铪的比重是氧化锆的1. 7倍,所以流态化性质也有较大的区别。

本文采用冷态试验的方法,研究氧化铪的流态化性质。采用低密度物料的临界流态化速度的经验关联式计算了Hf O₂的临界流化速度,为氧化铪的沸腾氯化工艺提供理论支持。

1实验

1.1设备

冷态流化床实验设备如图1所示,材质为有机玻璃,内径为 Ф200 mm,高度为1500 mm,在布气室和床体底部之间安装了U形管压力计检测压力, 在进气口处安装流量计检测流量。采用开孔率为0. 68% 的同心圆分布板进行Hf O₂流态化性质的研究,分布板上铺设200目网孔,网孔起到防止物料泄漏并且进一步均匀气体的作用。气体经过气泵进入床层底部布气室,流过分布板进入床层底部将物料吹起,床体上部安装有旋流分离器,用于回收物料。

1.2过程

实验选用的物 料是粒径 为74 ~ 100 μm的Hf O₂颗粒,将一定质量的物料装入流化床,逐渐增大气流速度至15 m³·h^{- 1},每隔0. 5 m³·h^{- 1}记录一次压降数据,作为升速压降数据。控制气流速度从15 m³·h^{- 1}降低至0,采用相同的方法得到降速压降数据。

充分流态化过程中突然停气,记录停气时间与床高的关系,进行床层塌落实验。

图1 流化床设备示意图 Fig.1 Schematic diagram of fluidized bed equipment

2结果与讨论

2.1物料种类分析

床层塌落实验^[13]是测定物料种类的经典方法,其原理是流态化过程中突然断气,气体从物料层中溢出,在此过程中床层高度发生变化,塌落实验数据如图2所示。

由图2可以看到,断气的瞬间料层高度快速下降,气泡中的气体迅速逸出物料层,这是脱气泡阶段,脱气泡阶段结束后有一段较为平滑的曲线,与物料均匀混合的气体逐渐脱出物料层,这是乳相脱气阶段,整个过程持续0. 5 min左右,这是B类物料的形态,由此可得到Hf O₂物料属于B类物料。但是物料颗粒密度较大,单位体积的重力与拽力的差比文献[13]中的要大很多,所以其浓相压缩阶段比文献中记载的要短。

2.2床层实验分析

将气流速度V_gas从0调到15 m³·h^{- 1},再调回0,发现气流速度小于5 m³·h^{- 1}时,床层出现沟流现象: 床层中出现气孔,气体带着物料从小孔中喷涌而出的高度可达到30 cm,压力呈现脉冲式波动,床层高度为13. 2 cm。出现这种状况的原因有物料的不均匀性、物料堆积疏密不均匀性等,容易导致床层在某些位置容易出现局部的气孔沟流。 此时床层压力较低,与此同时由于气孔周围的物料的流动堵塞气孔又会引起压力变大,随后的高压气流将物料夹带而出形成喷涌时又使床层压力降低,就形成了压力计的脉冲波动。

图2 随时间变化的床高曲线 Fig.2 Curve of bed height vs. time

在气流速度超过8 m³·h^{- 1}时分布板压力增大, 原来的死床区域开始出现气孔进而流化,在不断增多的气孔作用下产生大量横向移动产生气泡, 物料大部分流化形成中间向两边的环流。上部开始形成了气泡相和乳相,气泡在上升过程中不断地聚积并长大直到床尾破碎,少部分颗粒也随着气泡尾涡被带出,乳相中的颗粒下降,形成了物料在床内的循环,此时的床层高度稳定在17 ~ 19 cm,床层底部有少部分三角形区域未参与循环流动。

当气流速度超过13 m³·h^{- 1}时,床层开始向大气泡形式发展,床层高度在20 ~ 24 cm之间表面波动非常大,床底未发现不流化死角。

气流速度的变化对床层和料层高度的影响结果见表1和图3。当流化床 在气流速 度达到6 m³·h^{- 1}之后直接进入鼓泡床阶段,没有经历均匀膨胀的散式流态化阶段。在气流速度从高到低的减速过程中,出现了与增大速度不同的现象: 气流速度在6 ~ 12 m³·h^{- 1}时,床层稳定在17 ~ 19 cm。 稳定的气流速度范围比增速时更加宽广。由此可以得到74 ~ 100 μm的Hf O₂颗粒的临界流态化速度大致在6 ~ 7 m³·h^{- 1}范围内,换算成线速率为5. 3 × 10^{- 2}~ 6. 2 × 10^{- 2}m·s^{- 1}范围。

从图3可以看出,气流速度从小到大时,流化床在气流速度8 ~ 9 m³·h^{- 1}时床高开始达到了第一个平台,这个平稳阶段可以认为是无气泡或者小气泡的稳定流态化状态。气流速度超过11 m³·h^{- 1}时床层再次增长,在气流速度达到13 m³·h^{- 1}左右有大气泡生成,超过这个气流速度之后流化床处于大气泡的非稳定状态。气流速度从大到小降低时,稳定流化的气流速度区间为6 ~ 12 m³·h^{- 1},这是由于后者床层空隙率比较大而且在料层各处比较平均,气体可以很好地在物料内部分布,每一部分受到的拽力基本相同,所以床层充分流化。

2.3床层的不稳定流态化分析

本实验所使用的是高密度物料,床层开始时并没有出现均匀膨胀,而是如图4所示局部首先出现气流通道,可以看到在床壁上的气流通道,床层的空隙率没有增加,所以只有少量气体与物料混合,大部分气体从气孔通过。随着气流速度的增加,气流通道由局部向整体扩散,造成物料的横向移动之后物料充分流动才开始有气泡现象产生。 这是由于物料重力比较大,气体分布板需要较高的速度才能使分布板上每一个位置都达到足够的压力使物料流动。

从高气流速度向低气流速度的变化过程中, 如图3的降速曲线所示,床层的流态化平台期从原来的8 ~ 12 m³·h^{- 1}延长到6 ~ 12 m³·h^{- 1},这是由于气体从高速到低速变化时,物料是从充分流态化状态开始变化,决定床层流化状态的就是拽力与颗粒物料的重力平衡,而不必考虑沟流区存在造成的气体短路对初始流态化的影响。

表1 气流速度变化时的实验数据 Table1 Experimental data with different gas velocities  下载原图

表1 气流速度变化时的实验数据 Table1 Experimental data with different gas velocities

图3 升、降气流速度床高的变化 Fig.3 Bed height varying with gas velocity

图4 气孔和气流通道 Fig.4 Hole in bed and channel of air

2.4流型与临界流态化速度的计算

由于本实验所使用的Hf O₂是B类物料,根据Wilhelm和Kwauk提出的经典公式^[14],

散式流态化:

聚式流态化:

式中,U_mf为临界流化速度m·s^{- 1}; g为重力加速度m²·s^{- 1}; d_p为颗粒直径 μm。

根据公式( 1) ,( 2) 可以有效地来判断散式流态化和聚式流态化。计算得出其初始流化气流速度约为0. 05 m·s^{- 1},其最小F_rmf≈9,所以74 ~ 100 μm的Hf O₂不能形成散式流化床直接进入鼓泡流化床装态,这与实验结果相符。

分别选用Leva公式( 3) ,Pillai and Raja rao公式( 4) 和Sanexa and Vogelgo公式( 5)^[15]进行临界流态化速度的计算,计算的公式和参数如表2所示,其中 μ 代表气体的动力粘度,a,b是根据材料选择的参数,ρ_s代表固体密度,ρ_g代表气体密度。 带入空气和Hf O₂参数得到了图5所示的临界流化速度随粒径的变化曲线。

根据公式计算得到74 ~ 100 μm粒径的初始流态化速度为0. 0529 ~ 0. 0618 m·s^{- 1},换算成容积速率为5 ~ 6 m³·h^{- 1},这与实验得到的结果相吻合, 说明这3个公式都可以做Hf O₂临界流化速度的计算。Sanexa and Vogelgo公式与实验结果更加接近,可以用它作为Hf O₂临界流化 速度工程 计算的工具。

表2 3 种经验公式计算临界流态化速度 Table 2 Three empirical formulae to calculate critical fluidization velocity  下载原图

Note: d_p: μm; ρ_s= 9680 kg·m^{- 3}; ρ_g= 1. 2 kg·m^{- 3}; μ = 18. 4 × 10^{- 6}Pa·s; a = 25. 3; b = 0. 0571

表2 3 种经验公式计算临界流态化速度 Table 2 Three empirical formulae to calculate critical fluidization velocity

图5 3 种公式计算的 Hf O2颗粒的临界流态化速度 Fig.5 Critical fluidization velocity calculated by three empirical formulae

3结论

1. 塌落实验中发现存在脱气泡阶段和浓相压缩阶段,这与B类物料的塌落实验结果一致,故可判断所用的氧化铪为B类物料。

2. 冷态流态 化实验中, 气流速度 小于5 m³·h^{- 1}时,局部流化,床层未膨胀,床层中出现气孔; 气流速度为5 ~ 8 m³·h^{- 1}时,床层处于沟流和完全流态化的过渡态; 气流速度大于8 m³·h^{- 1}后, 基本上完成了流态化; 气流速度大于12 m³·h^{- 1}; 底部死角区域开始流动; 在降低气体速度的过程中,在气流速度为6 ~ 12 m³·h^{- 1}时,床层保持了一个较为稳定的床高和压力波动。所以在其降速操作条件下 可以获得 更多的稳 态流态化 操作范围。

3. Wilhelm和Kwauk提出的经典公式计算结果表明74 ~ 100 μm的Hf O₂颗粒物料的流型是聚式流态化,这与实验结果一致。用Leva公式,Pillai and Raja rao公式,Sanexa and Vogelgo公式计算的临界流态化速度范围为5 ~ 6 m³·h^{- 1},与实验过程中的流态化速度非常吻合,3个经典公式可用于下一步的工程计算。