青島能源所揭示磁場流化床反應器的流型轉變規律

　　磁場流化床反應器是將鼓泡流化床反應器和電磁場相結合的產物，常用來處理氣固非均相反應，尤其是固體顆粒具有磁性的情況。如果物料是由磁性和非磁性兩種顆粒組成的，被稱為混合物料磁場流化床。同傳統鼓泡流化床一樣，磁場流化床也存在許多流型，每個流型都有自己獨特的流體動力學特性，適用于解決不同的問題。為了充分利用這些流型的優勢，必須掌握磁場流化床存在的流型及其轉變規律。

圖1 混合物料磁場流化床的流型轉變規律　　 根據磁場和操作氣速施加的順序不同，磁場流化床有“先加磁場”和“后加磁場”這兩種操作模式。為了揭示這兩種操作模式下的流型及轉變規律，中國科學院青島生物能源與過程研究所多相反應工程研究組開展了詳細的研究工作。通過繪制操作相圖清晰地揭示了混合物料磁場流化床在兩種操作模式下的流型轉變規律，如圖1a和1b所示。同時研究發現：在兩種操作模式下，磁場流化床的流型轉變存在較大差異；在大多數操作區域內（圖1c中I、III和IV），磁場流化床反應器的狀態僅取決于操作氣速和磁場強度的大小，與操作模式無關；但在操作區域II內，磁場流化床的流動狀態不僅與操作氣速和磁場強度的大小相關，還與操作模式密切相關，在“先加磁場”操作模式下，混合物料磁場流化床會形成磁穩定流型（如圖1d所示），而在“后加磁場”操作模式下，混合物料磁場流化床中會發生兩種顆粒完全分級（如圖1e所示）。進一步的研究表明，存在上述差異是因為磁穩定狀態是一種亞穩定平衡狀態，只能在“先加磁場”操作模式下存在，無法通過“后加磁場”得到。處于磁穩定流型的磁場流化床兼具了鼓泡流化床反應器（壓降低）和固定床反應器（單程轉化率高）的優點，特別適用于處理各種氣固接觸傳質體系。該項研究明確了如何獲取磁穩定流型及其操作范圍，對磁場流化床的穩定操作具有極為重要的指導意義。

　　上述研究工作發表在化學工程領域國際期刊Chemical Engineering Journal(2019, 360: 686-700)上。該工作得到中科院院士李洪鐘的指導和國家自然科學基金（21808232）的資助。