黃正梁，張鵬，楊遙，任聰靜，王靖岱，陽永榮

（1 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2 浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，浙江杭州 310027；3 浙江省化工高效制造技術(shù)重點實驗室，浙江杭州 310027；4 浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100）

引言

流化床因具有高的熱質(zhì)傳遞效率，被廣泛應(yīng)用于烯烴聚合、煤燃燒、生物質(zhì)燃燒、造粒及干燥等工業(yè)過程。在流化床中，流化氣使顆粒懸浮[1]，顆粒的運動特征顯著影響著床層內(nèi)的流體力學(xué)參數(shù)，如顆粒溫度、顆粒停留時間、氣固接觸效率等[2]。因此，研究流化床內(nèi)的顆粒運動行為，建立顆粒運動行為的調(diào)控方法具有重要意義。

在鼓泡流化床中，顆粒運動的動力主要來自于氣泡，顆粒運動的強度受到氣泡尺寸與氣泡速度的顯著影響[1]。一旦氣泡的運動行為發(fā)生改變，顆粒運動也隨之改變?，F(xiàn)有研究表明，外加電場具有調(diào)控氣泡尺寸的能力。Wittmann 等[3-4]發(fā)現(xiàn)二維流化床中的氣泡會在外加直流電場作用下發(fā)生變形，van Willigen 等[5-7]發(fā)現(xiàn)二維/三維流化床中的氣泡尺寸會在外加交流電場作用下顯著降低。本團隊的前期研究結(jié)果表明，在有靜電存在的流化床中（簡稱靜電流化床），外加直流電場對氣泡尺寸的影響與場強有關(guān)[8]。在高場強條件下，與前人的研究結(jié)果一致，直流電場會導(dǎo)致氣泡尺寸減??；而在低場強條件下，帶有靜電的顆粒會受到庫侖力的影響發(fā)生定向遷移，從而使得氣泡尺寸增加。然而，目前鮮有研究在上述研究的基礎(chǔ)上進一步揭示外加電場對靜電流化床中顆粒運動行為的影響機制。

此外，在靜電流化床中，靜電的存在可能會導(dǎo)致出現(xiàn)嚴重的床層粘壁現(xiàn)象[9]。以流化床聚乙烯過程為例，過量的靜電累積會導(dǎo)致顆粒與反應(yīng)器壁面之間存在高的靜電力，進而引發(fā)粘壁。這些黏附的顆粒多為活性較高的催化劑細顆粒[10]，粘壁發(fā)生后，這些細顆粒將在壁面繼續(xù)聚合，產(chǎn)生局部熱點，最終導(dǎo)致黏附的聚乙烯顆粒熔融并與其他顆粒黏附形成大的結(jié)塊，嚴重時甚至引發(fā)反應(yīng)器停車[9,11]。因此，控制顆粒粘壁對工業(yè)聚乙烯流化床的穩(wěn)定運行十分重要。前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對器壁進行處理[11]、改變反應(yīng)條件[12]、加入細顆粒[13]、增加氣體濕度[14-15]、添加抗靜電劑[16]、加入極性相反的電荷[14-15,17-18]等方法都有可能消除靜電以避免床層粘壁。然而，這些方法因?qū)嵤淼母鞣N問題目前仍難以直接應(yīng)用于工業(yè)反應(yīng)器，靜電導(dǎo)致的床層粘壁仍然廣泛存在于工業(yè)反應(yīng)器中[9]。分析粘壁過程中顆粒行為的變化可以發(fā)現(xiàn)，粘壁的本質(zhì)是靜電力作用下顆粒由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止。因此，若改變壁面附近的顆粒運動行為，增加顆粒的脈動程度或?qū)︻w粒施加遠離壁面的徑向作用力將有可能達到預(yù)防床層粘壁的效果。而如上文所述[8]，靜電與外加電場之間的相互作用可以導(dǎo)致顆粒的徑向遷移。因此，外加電場還有可能具備調(diào)控床層粘壁的能力。

綜上，前人關(guān)于外加電場的研究多集中于探究外加電場對氣泡尺寸的影響，鮮有研究進一步探究外加電場對影響氣泡尺寸的顆粒運動行為的影響。因此，本文系統(tǒng)探究了外加直流/交流電場對靜電流化床中顆粒運動的影響規(guī)律，并結(jié)合外加電場力分析揭示了外加電場在不同強度下的作用機制。此外，還在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種可以有效防止床層粘壁的方法。本文的研究結(jié)果可為流化床反應(yīng)器的過程強化和穩(wěn)定運行提供指導(dǎo)。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置與物料

本文所用的實驗裝置如圖1 所示，與本團隊前期工作所用的裝置幾乎相同[8]，因此該部分僅對實驗裝置進行簡單描述。實驗裝置的主體部分為有機玻璃制成的流化床，其內(nèi)徑為80 mm，床高為1200 mm。流化床的底部設(shè)有氣體分布板及空氣混合室，其中分布板開有直徑為1 mm 的均勻小孔，開孔率為2%。在實驗時，流化氣體由壓縮機提供，流化氣量由轉(zhuǎn)子流量計控制。

圖1 外加電場靜電流化床冷模實驗裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of the external electric field enhanced gas-solid fluidized bed

實驗過程中，顆粒運動行為的檢測主要依賴于聲發(fā)射檢測[19-22]。如圖1所示，沿流化床軸向設(shè)置了四個聲信號檢測點。最低的檢測點在氣體分布器上方50 mm，每兩個檢測點之間的距離為100 mm。預(yù)實驗結(jié)果表明，流化高度約為350 mm，因此這些檢測點（50、150、250、350 mm）可以覆蓋全流化區(qū)域。本文采用的聲信號檢測與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)（UNIAE-2003）由浙江大學(xué)聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所自行研發(fā)。由于外加電場的存在，聲信號傳感器不可直接貼于壁面，因此在實驗中采用導(dǎo)波桿（圓柱狀有機玻璃桿，直徑8 mm，長150 mm）使聲波傳感器遠離床層壁面[23]。除了聲發(fā)射檢測，本工作使用的檢測方法還包含壓力脈動檢測與荷質(zhì)比檢測。壓力脈動的測量點分別位于氣體分布器上方10 mm和200 mm 處。荷質(zhì)比檢測的取樣口（直徑9 mm）分別位于氣體分布器上方15 mm 和150 mm 處。關(guān)于上述檢測系統(tǒng)的詳細描述可見本團隊前期工作[8]。

外加直流/交流電場通過直流/交流電源（大連鼎通科技發(fā)展有限公司）與兩電極實現(xiàn)。電極由兩部分組成，分別為固定于流化床中心且與流化床等高的直徑3 mm 的銅線及緊貼于流化床內(nèi)壁面的厚度0.2 mm 的鋁箔。本文所采用的交流電源為50 Hz的正弦交流電源，其輸出波形為正弦波，頻率為50 Hz。

本文所采用的顆粒為聚乙烯顆粒，其平均粒徑為666 μm，密度為918 kg/m3，屬于Geldart B類顆粒，起始流化速度為0.24 m/s。流化氣體為濕度低于10%的干燥空氣。本文采用AtmerTM163 作為抗靜電劑（主要成分為烷基胺聚氧乙烯醚，密度為0.86 g/cm3，沸點為380～400 K）。在需要消除床內(nèi)靜電時，通過注射器將AtmerTM163 經(jīng)預(yù)留的注入口（直徑2 mm，位于分布板上方5 mm）緩慢注入床層。

1.2 實驗方法

本文考察了三種不同形式外加電場對流化床內(nèi)顆粒運動的影響，分別為由床層壁面指向床層中心的直流電場、由床層中心指向床層壁面的直流電場和50 Hz 的正弦交流電場。不同方向的直流電場由不同的電極連接方式?jīng)Q定，當(dāng)產(chǎn)生由床層壁面指向床層中心的直流電場時，將鋁箔電極連接于高壓直流電源的高壓輸出端，而床層中心的銅線電極則接地。而當(dāng)產(chǎn)生由床層中心指向床層壁面的直流電場時，電極連接方式則與上述連接方式相反。當(dāng)產(chǎn)生交流電場時，銅線電極與鋁箔電極分別連接于高壓交流電源的兩個輸出端。除了外加電場有所不同，其余的實驗操作則基本一致。每次實驗前均先采用干燥空氣吹掃流化床10 min，并將聚乙烯顆粒在烘箱中干燥12 h。這些操作保證了相對干燥的操作環(huán)境以便于產(chǎn)生靜電。然后，在流化床內(nèi)加入0.5 kg預(yù)先干燥過的聚乙烯顆粒（靜床高為247 mm），同時調(diào)節(jié)表觀氣速為0.55 m/s。聲信號的采集頻率為500 kHz，采集時長為2 s/5 min。此外，當(dāng)需要采集壓力脈動信號時，其采樣頻率為400 Hz。

為了研究外加電場對靜電流化床內(nèi)顆粒運動的影響，首先使流化床內(nèi)的顆粒在指定氣速下流化30 min 以達到飽和帶電，然后調(diào)整電源至指定電壓值，使飽和荷電的流化床層在此電壓下繼續(xù)流化30 min，并在此期間連續(xù)采集外加電場作用下流化床層各位置的聲信號（采樣時間為2 s/5 min）。實驗過程中的指定電場強度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 與2.5 kV/cm。聲信號測量完畢后，立即關(guān)閉流化氣體并除去顆粒。然后收集黏附在流化床內(nèi)表面上的顆粒并稱重，以分析外加電場對顆粒粘壁的影響。

為了驗證實驗方法具有可重復(fù)性，按照上述方法在同一氣速、無外加電場時重復(fù)進行了3次實驗，3 次實驗所得的床層粘壁情況如圖2 所示，3 次實驗中粘壁顆粒幾乎布滿整個流化床壁面，高度均約為300 mm。進一步，將收集到的粘壁顆粒稱重得到其質(zhì)量分別為57.8、60.7 及55.4 g，相對偏差僅為5%。采用馬爾文激光粒度儀對收集得到的粘壁顆粒的粒徑進行檢測，可知3 次收集得到的粘壁顆粒的粒徑分布也較為一致。因此，在本實驗中，床層粘壁具有可重復(fù)性，本文所用的收集粘壁的方法具有可行性。

圖2 無外加電場流化床中粘壁顆粒的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of wall sheeting in the fluidized bed without electric fields

2 結(jié)果與討論

2.1 外加直流電場對顆粒運動的影響

聲能量可以直接表征流化床內(nèi)顆粒的運動強度[24-25]，聲能量越大，顆粒運動強度越大，反之亦然。圖3為不同方向外加直流電場作用下不同軸向高度標(biāo)準(zhǔn)化聲能量隨電場強度的變化（以電場強度為0 kV/cm 為基準(zhǔn)）。圖3 的結(jié)果表明，外加直流電場的方向不同，其對流化床內(nèi)不同位置顆粒運動強度的影響不同。當(dāng)外加電場的方向由床層壁面指向床層中心[圖3(a)]時，流化床內(nèi)四個檢測位置的顆粒運動強度均隨著電場強度的增加而逐漸降低。然而，當(dāng)外加電場的方向由床層中心指向床層壁面[圖3(b)]時，流化床內(nèi)顆粒運動強度隨著電場強度的增加先增后減，在0～1.0 kV/cm 的電場強度范圍內(nèi)，顆粒運動強度隨著場強的增加而增加，但當(dāng)電場強度大于1.0 kV/cm 時，顆粒運動強度則隨著場強的繼續(xù)增加而逐漸降低。

在鼓泡流化床中，顆粒運動主要受到上升氣泡的影響，顆粒運動強度取決于氣泡尺寸[26]。因此，為了對圖3 中的結(jié)果進行解釋，需要探究直流電場對氣泡尺寸的影響。氣泡尺寸可由床層壓力脈動的標(biāo)準(zhǔn)差進行表征，圖4 給出了不同方向外加直流電場作用下床層H=200 mm 處的壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)差。對比圖3 與圖4 可以發(fā)現(xiàn)，聲能量與壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化趨勢幾乎相同。在床層中心指向床層壁面的外加直流電場作用下，氣泡尺寸在電場強度小于1.0 kV/cm時相比于無外加電場時顯著增大，導(dǎo)致了顆粒運動強度的增加；而在電場強度大于1.0 kV/cm時氣泡尺寸隨場強增加而減小，顆粒運動強度也相應(yīng)減小。在床層壁面指向床層中心的外加直流電場作用下，氣泡尺寸隨著電場強度的強加持續(xù)降低，導(dǎo)致顆粒運動強度持續(xù)減弱。

圖3 不同軸向高度聲能量隨外加直流電場強度的變化Fig.3 Variations of acoustic energies with the field strength under effects of DC electric field with different directions

圖4 不同方向外加直流電場作用下床層H=200 mm處壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Variations of the standard deviation of pressure fluctuations with the field strength under effects of DC electric field with different directions(H=200 mm)

本團隊前期工作表明，直流電場對靜電流化床的影響由外加電場力決定[8]。在低場強條件下，庫侖力主導(dǎo)外加直流電場的作用，使得顆粒發(fā)生定向遷移；而在高場強條件下，極化力起主要作用誘發(fā)顆粒團聚。在本文的操作條件下，庫侖力與極化力占主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變點位于1.0～1.5 kV/cm 之間?；谏鲜龇治?，不同方向的外加直流電場對顆粒運動強度的影響可進一步解釋如下。

當(dāng)場強低于臨界場強，靜電與外加電場相互作用產(chǎn)生的庫侖力占主導(dǎo)，使得顆粒沿電場方向發(fā)生定向遷移，而庫侖力的方向則取決于電場方向與顆粒帶電極性。在本文的操作條件下，荷質(zhì)比檢測表明流化后的聚乙烯顆粒主要帶負電，而這一結(jié)果也與Rokkam 等[27]的結(jié)果相同。因此，庫侖力對顆粒運動的影響可以通過圖5進行示意。在由床層壁面指向床層中心的外加直流電場中，流化床內(nèi)大多數(shù)帶負電的流化顆粒在由床層中心指向床層壁面的庫侖力作用下向壁面移動并在壁面附近聚集，最終使得流化床層中心區(qū)域乳化相的顆粒濃度降低[圖5(a)]。結(jié)合兩相理論，當(dāng)流化床中心流化區(qū)的顆粒濃度降低，則乳化相的空隙率增加，更多的流化氣體進入乳化相使得氣泡尺寸減小，顆粒運動強度降低。而在由床層中心指向床層壁面的外加直流電場中，流化床內(nèi)大多數(shù)帶負電的流化顆粒將受到由床層壁面指向床層中心的庫侖力，從而往床層中心移動，使得流化床層被壓縮，床層中心區(qū)域乳化相的顆粒濃度增加[圖5(b)]。考慮到流化床內(nèi)的氣泡在上升的過程中，總是向床層中心區(qū)運動并發(fā)生聚并，因此由兩相理論可知，當(dāng)床層中心區(qū)域乳化相顆粒濃度增加時，則乳化相的空隙率降低，更多的流化氣體進入氣泡相使得氣泡尺寸變大，顆粒運動強度增加。當(dāng)場強大于臨界場強，無論電場方向如何，極化力均占據(jù)主導(dǎo)。依據(jù)文獻，極化力會誘發(fā)顆粒團聚，并使氣泡尺寸減小[7,28]。

圖5 庫侖力作用下的顆粒遷移Fig.5 Particles migration under the effects of Coulombic forces

He等[20]與Dong等[22]發(fā)現(xiàn)氣固體系內(nèi)的聲信號可在頻域上分成兩部分：顆粒-壁面碰撞（0～60 kHz）與顆粒-壁面摩擦（60～120 kHz）。顯然，在流化床中，顆粒-壁面碰撞主要來自顆粒的徑向運動，而顆粒-壁面摩擦則是主要來自顆粒的軸向運動。因此，本文采用與He 等及Dong 等相同的方式，通過對聲信號進行小波分解，從原始信號中分別獲取顆粒-壁面碰撞與摩擦的能量分率，進一步對外加電場作用下靜電流化床內(nèi)的顆粒運動方式進行研究。

分析時，首先對聲信號進行5尺度小波分解，各個小波尺度所對應(yīng)的頻率范圍見表1。由表1可知，5尺度小波分解后，第1、2小波尺度所對應(yīng)的頻域范圍為250～62.5 kHz，第3、4小波尺度所對應(yīng)的頻域范圍為62.5～15.6 kHz，因此可以認為第1、2小波尺度所對應(yīng)的信號代表了顆粒與壁面的碰撞，而第3、4小波尺度所對應(yīng)的信號代表了顆粒與壁面的摩擦。即顆粒-壁面碰撞能量分率為第1、2小波尺度能量分率之和（Dc），顆粒-壁面摩擦能量分率為第3、4 小波尺度能量分率之和（D）f，而Dc/Df則表征了顆粒-壁面碰撞與顆粒-壁面摩擦之比。當(dāng)Dc/Df大于1，表明顆粒-壁面碰撞占主導(dǎo)；反之，則顆粒-壁面摩擦占主導(dǎo)。

表1 聲信號5尺度小波分解對應(yīng)的頻率范圍Table 1 The frequency range of various levels after 5 scales wavelet decomposition

圖6 給出了不同方向、不同強度外加直流電場作用下，顆粒-壁面碰撞與顆粒-壁面摩擦的能量分率之比。由圖可知，無論是否施加外加直流電場，流化顆粒與壁面的主要接觸方式均為顆粒-壁面摩擦，顆粒的主要運動方式始終為軸向運動。這是由于在鼓泡流化床中，顆粒運動的主要動力來源于氣泡的上升，因此顆粒的主要運動方向為與流化床壁面平行的豎直方向，即顆粒與壁面接觸始終由摩擦主導(dǎo)。添加外加直流電場后，不同位置處Dc/Df隨場強的變化規(guī)律不同。在床層上部（距分布板250 mm與350 mm 處），Dc/Df并未受到外加電場的顯著影響，這可能是因為流化床上部顆粒運動的混亂程度較底部更強，其顆粒-壁面作用方式不易受外場的影響。而在床層中下部（距分布板50 mm 與150 mm處），外加直流電場顯著改變了Dc/Df，且電場方向不同，外加電場的作用不同。在由床層壁面指向床層中心的外加直流電場中，床層中下部Dc/Df隨著電場強度的增加而增加，顆粒的徑向運動增強，而軸向運動減弱，且當(dāng)場強大于1.0 kV/cm 時，Dc/Df顯著增加。在由床層中心指向床層壁面的外加直流電場作用下，當(dāng)電場強度小于或等于1.0 kV/cm 時，床層中下部Dc/Df隨著外加電場強度的增加而逐漸降低。而當(dāng)電場強度大于1.0 kV/cm時，這一變化趨勢發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，床層中下部Dc/Df隨著外加電場強度的繼續(xù)增加而逐漸增加?？梢钥闯觯鲜鲎兓厔菖c上文對于直流電場的作用機理分析是一致的。

圖6 不同位置顆粒-壁面碰撞摩擦能量分率比隨外加直流電場強度的變化Fig.6 Variations of Dc/Df with the field strength of DC electric field at different axial positions

根據(jù)上文所述的作用機理，在場強低于1.0 kV/cm時，庫侖力占主導(dǎo)并使氣泡尺寸在床層壁面指向床層中心的直流電場作用下減小、在床層中心指向床層壁面的直流電場作用下增大。由于顆粒的軸向運動與氣泡尺寸直接相關(guān)，因此在床層壁面指向床層中心的直流電場作用下顆粒-壁面摩擦?xí)p小（Dc/Df增加），而在床層中心指向床層壁面的直流電場作用下顆粒-壁面摩擦?xí)黾樱―c/Df減?。?。當(dāng)場強大于1.0 kV/cm時，極化力占主導(dǎo)并會導(dǎo)致顆粒聚團。當(dāng)顆粒聚團在極化力的作用下形成，氣泡尺寸在顯著降低，床層中下部顆粒的軸向運動減弱，Dc/Df增加。

綜上，外加直流電場對靜電流化床中的顆粒運動的作用機制同樣遵循庫侖力與極化力的競爭機制。在低場強條件下，庫侖力占主導(dǎo)，直流電場的方向會影響其對顆粒運動的影響。施加由床層壁面指向床層中心的外加直流電場使得氣泡減小，顆粒運動強度減弱，顆粒-壁面的摩擦減弱；施加由床層中心指向床層壁面的外加直流電場則使得氣泡增大，顆粒運動強度增強，顆粒-壁面摩擦增強。在高場強條件下，電場作用不再受直流電場的方向影響，極化力導(dǎo)致的顆粒聚團總是使得氣泡減小，顆粒運動強度減弱，顆粒的軸向運動減弱。

2.2 外加交流電場對顆粒運動的影響

進一步研究外加交流電場對顆粒運動的影響，圖7為不同軸向高度聲能量隨外加交流電場強度的變化?？梢钥闯?，在交流電場的作用下，流化床不同位置的聲能量均隨著外加電場強度的增加而增加，但床層上部（250 mm 與350 mm）顆粒運動強度的增加幅度小于床層中下部（50 mm與150 mm）。

考慮到氣泡是顆粒運動的主要動力來源，本工作進一步檢測了外加交流電場作用下靜電流化床內(nèi)氣泡尺寸的變化規(guī)律，以解釋圖7 所示的結(jié)果。但遺憾的是，在不同場強的外加交流電場作用下，壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)差均在155～170 Pa 之間波動，并沒有顯示出與圖7較為一致的規(guī)律。

圖7 不同軸向聲能量隨外加交流電場強度的變化Fig.7 Variations of acoustic energy with the field strength of AC electric field at different axial positions

為了進一步探究造成這種差異的原因，借鑒本團隊前期工作，本文通過注射抗靜電劑，消除顆粒靜電，在排除庫侖力干擾的條件下單獨研究了交流電場中極化力的影響。圖8(a)給出了消除靜電后外加交流電場對壓力脈動的影響?？梢钥闯觯o電后（注射0.1 ml Atmer 163），壓力脈動信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸上升，并最終穩(wěn)定在某一值；同時，高場強條件下的極化力使壓力脈動信號的標(biāo)準(zhǔn)差減小，表明氣泡尺寸減小。這些結(jié)果與Dong 等[16]和van Willigen 等[5-7]的研究結(jié)果一致。圖8(b)為消除靜電后外加交流電場對聲能量的影響。可以看出，當(dāng)氣泡尺寸在高場強條件下顯著減小時，聲能量顯著降低，顆粒運動強度顯著降低。綜上，圖8 的結(jié)果表明，僅存在極化力時，外加交流電場作用與外加直流電場一致，均使氣泡尺寸減小，顆粒運動強度減弱。

圖8 消除靜電后外加交流電場對壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)差與聲能量的影響Fig.8 Variation of standard deviations of pressure fluctuations and the acoustic energy at different heights with the field strength when electrostatics were eliminated

考慮到在外加電場作用下，庫侖力與極化力是影響顆粒運動的唯二作用力，而消除靜電（即排除庫侖力作用）的實驗表明，極化力并不會使得顆粒運動強度增強，因此可以推測在本文的實驗條件下，引起如圖7 所示的顆粒運動強度的增強只可能是庫侖力的影響。本文采用的交流電場為頻率為50 Hz 的正弦交流電場，即外加電場會以50 Hz 的頻率改變電場大小與方向。由于庫侖力的方向與外加電場方向直接相關(guān)，交流電場方向的周期性變化會導(dǎo)致庫侖力的方向同樣呈周期性。這種顆粒運動的周期性變化并不會使顆粒發(fā)生定向遷移，也不會改變氣泡的尺寸，而是會使顆粒在某一位置處呈周期性擺動，從而顆粒運動的強度增加。由于顆粒的這種周期性擺動與鐘擺類似，將外加交流電場下庫侖力對顆粒運動的影響命名為“鐘擺效應(yīng)”。此外，由于交流電場的場強亦以50 Hz 的頻率周期性改變，盡管設(shè)定場強為2.5 kV/cm，但在場強周期性改變的過程中極化力并不是始終大于庫侖力的。因此，即便在2.5 kV/cm 的場強條件下，極化力也不能抑制庫侖力的“鐘擺效應(yīng)”。

圖9進一步給出了不同位置Dc/Df隨外加交流電場強度的變化。可以看出，由于外加交流電場未對氣泡尺寸產(chǎn)生顯著影響，顆粒-壁面作用方式亦未發(fā)生顯著改變。但由于庫侖力的“鐘擺效應(yīng)”，顆粒的軸向運動與Dc/Df仍有小幅度的增加。

圖9 不同位置Dc/Df隨外加交流電場強度的變化Fig.9 Variations of Dc/Df with the field strength of AC electric field at different axial positions

2.3 基于外加電場調(diào)控床層粘壁

上述研究結(jié)果表明，外加電場會改變顆粒運動強度和顆粒-壁面的接觸方式，而床層粘壁正是由顆粒運動所決定，因此本文考察了不同強度、不同方式外加電場對床層粘壁的影響，見圖10。圖10的結(jié)果表明，由于外加交流電場使得顆粒運動顯著增強，因此外加交流電場作用下，顆粒粘壁量顯著降低，且在本文的實驗條件下，粘壁量隨場強增加持續(xù)降低（2.5 kV/cm、50 Hz 的正弦交流電場使得床層粘壁下降76%）。在外加直流電場作用下的靜電流化床中，床層粘壁情況與外加電場的強度和方向有關(guān)，在由床層中心指向床層壁面的靜電流化床中，低強度的外加直流電場使得氣泡尺寸增加，顆粒運動強度增加，因此床層粘壁減小；但在其他強度和方向的外加直流電場中，則由于顆粒運動受到抑制，床層粘壁增加。

圖10 不同方式外加電場作用下床層粘壁量(Ws)隨電場強度的變化Fig.10 Variations of Ws with the field strengths in the fluidized bed with different electric fields supplied

3 結(jié)論

本文探究了外加直流/交流電場對靜電流化床中顆粒運動的影響，并基于外加電場力分析揭示了其影響機制。同時，本文還提出了一種利用外加電場消除床層粘壁的方法。具體結(jié)論如下。

（1）外加直流電場對靜電流化床中顆粒運動的影響機制為庫侖力與極化力的競爭機制。在低場強的庫侖力作用區(qū)，床層壁面指向床層中心的外加直流電場使得顆粒運動強度與顆粒-壁面摩擦（顆粒軸向運動）分率均會降低；而床層中心指向床層壁面的外加直流電場則使得顆粒運動強度和顆粒-壁面摩擦（顆粒軸向運動）分率增加。在高場強的極化力作用區(qū)，外加電場對顆粒的影響與電場方向無關(guān)，極化力導(dǎo)致的顆粒聚團總是使得顆粒運動強度降低，流化床底部的顆粒-壁面摩擦分率降低。

（2）外加交流電場對靜電流化床中顆粒運動的影響機制同樣為庫侖力與極化力的競爭機制。在低場強的庫侖力作用區(qū)，電場方向與強度的周期性改變使顆粒在一定位置周期擺動，顆粒運動強度增強，顆粒-壁面碰撞分率略增加。但在高場強的極化力作用區(qū)，與外加直流電場類似，顆粒團聚始終使得顆粒運動強度降低。在本文的實驗條件下，外加交流電場中顆粒的極化力受到了庫侖力的顯著影響，在0～2.5 kV/cm 的場強范圍內(nèi)，庫侖力始終使得顆粒運動強度隨電場強度的增加而增加。

（3）外加交流電場和低強度、由床層中心指向床層壁面的外加直流電場是控制床層粘壁的理想電場方式。在這兩種電場作用下，顆粒運動強度顯著增加，床層粘壁顯著降低。在2.5 kV/cm、50 Hz的外加交流電場作用下，床層粘壁量降低76%。