振动流化床中依赖于振动幅度的反密度分级机理

《Powder Technology》：Mechanisms of reverse density segregation dependent on vibration amplitude in vibrated fluidized beds

　　

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  密度分选对振动幅度的敏感性远大于对振动频率的敏感性。
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  引发整体反向分选的振动幅度阈值是存在的。
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  较高的空隙率和更强的接触力可实现整体分选。
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  与高度相关的颗粒运动决定了床层膨胀和空隙率转变。

引言

振动流化床将机械振动与气流相结合，以实现流化、混合、分选、干燥等颗粒处理操作，已广泛应用于化工、制药、食品和能源相关工业[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。与传统的气固流化床相比，引入机械振动可促进颗粒床中孔隙的形成，改善气体分布均匀性，并提升流化质量[7]，[8]，[9]。由于振动为颗粒运动提供了额外的驱动力并改变了床层空隙结构，它还增加了多组分颗粒混合物中分选行为的复杂性，导致产生多种分选模式和分选状态之间的转变[8]，[9]，[10]。颗粒分选通常表现为两种形式：同密度但不同尺寸的颗粒间的尺寸分选，以巴西栗效应为例[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]；以及等尺寸但不同密度颗粒间的密度分选[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。密度分选受两组操作参数的共同控制：气体入口条件（包括入口模式[23]，[24]，[25]，[26]、方向[25]，[26]，[27]和速度[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[28]）和振动参数（包括振动强度[16]，[17]，[18]，[19]，[29]，[30]、幅度[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[28]，[29]，[30]和频率[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[28]，[29]，[30]）。值得注意的是，单独的气体流动或机械振动均无法有效诱导密度分选[16]，[20]，[30]，[31]，[32]，表明分选行为源于两者的耦合作用。因此，明确这些操作参数各自的贡献及其耦合机制，对于揭示其内在物理原理并优化工业颗粒分离过程至关重要[16]，[33]。

在这些参数中，气体入口被认为是控制分选模式和效率的关键因素。研究表明，当气体入口速度低于轻质颗粒的最小流化速度（u₀ ?< u_mf,L）时，等尺寸二元混合物表现出反向密度分选，重颗粒在轻颗粒上方聚集[17]，[18]。随着气体入口速度接近u_mf,L，分选模式逐渐转变为正向密度分选[17]，[18]。进一步的研究表明，在反向分选区域内增加气体入口速度会降低床层空隙率[20]，同时促进气泡生长和气体的携粒能力，从而促进颗粒混合[16]，[34]。这些发现表明，气体入口同时影响分选过程中的床层结构和颗粒传输。机械振动是影响振动流化床中颗粒行为的另一个关键因素。先前的研究已确认振动可以降低颗粒的最小流化速度[9]，[35]，并且在不同的气体流动条件下可显著影响分选效率[19]，[36]，[37]。此外，对振动颗粒混合物的实验研究表明，增加振动强度可调节床层动力学和颗粒运动特性[38]。近期研究表明，在气相流化床中，垂直和水平振动或振荡或分段气体注入可调节法拉第波、结构化气泡、颗粒混合以及尺寸和密度分选[39]，[40]，[41]，[42]。这些观察结果表明，振动不仅影响宏观分选行为，还影响其底层的颗粒动力学。

尽管已有大量关于振动调制颗粒分选的研究，但振动幅度和频率对密度分选的独立影响尚未完全解决。大多数先前的研究使用无量纲振动强度[43]，[44]，[45]，[46]来量化振动效应。不同的幅度-频率组合可以实现相同的振动强度，而这可能产生明显不同的分选结果。

高速成像、颗粒图像测速仪（PIV）和压力测量等实验技术为了解振动流化床中的颗粒运动、流场结构和床层动力学提供了宝贵的见解[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，[52]。同时，数值方法包括两相流模型（TFM）和耦合的离散单元法与计算流体力学（DEM-CFD）被广泛用于研究不同空间尺度下的气固流行为[25]，[53]，[54]，[55]，[56]。特别是，粗粒化DEM-CFD方法[56]，[57]在计算效率和颗粒尺度分辨率之间取得了平衡，使其适用于研究大型颗粒系统中的分选动力学及其内在机制[58]。

本研究采用非惯性粗粒化DEM-CFD模型[56]，研究低气体速度下振动流化床中等尺寸二元颗粒的密度分选。考察了振动幅度和频率对分选行为的独立影响，并阐明了振动幅度影响分选行为的机制。研究结果有望为振动流化床过程的精确调控和优化提供指导。

章节摘要

数值模型与方法

本研究采用我们先前工作[56]中开发的非惯性粗粒化耦合离散单元法（DEM）与计算流体力学（CFD）模型，研究振动流化床中等尺寸不同密度二元混合物的动力学行为。为突出机械振动的作用，整个模拟过程中保持相对较低的气体入口速度，同时改变振动条件。该模型采用非惯性

振动参数敏感性

由公式(11)定义的量纲振动强度Γ，反映了振动幅度A_z和振动频率f的综合效应。尽管振动强度被广泛认为是控制振动流化床中密度分选的主要振动参数[16]，[19]，[48]，[62]，[63]，但不同的幅度-频率组合（如低幅度高频率或高幅度低频率）可以获得相同的振动强度值。

结论

本研究调查了振动参数对低气体入口速度下振动流化床中等尺寸不同密度二元颗粒分选行为的影响，该气体速度低于轻质颗粒的最小流化速度。采用非惯性粗粒化耦合DEM-CFD模型，观察了不同振动参数下的分选行为，并阐明了这些行为背后的机制。

数值结果表明，

CRediT作者贡献声明

江昭华：写作 – 审阅与编辑，概念化。杨晴晓：写作 – 原稿撰写，调查研究。辻卓也：验证，方法论。车汉桥：资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了重庆市教委科学技术研究项目（项目编号：KJQN202400744）和重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-GPX0905）的资助。

Zhaohua Jiang|Qingxiao Yang|Takuya Tsuji|Hanqiao Che