magnetically stabilized bed

fixed bed

transition

unstable bed magnetically stabilized bed

Fig. 5-13. The phase diagram of various fluids solution, (a) water, (b) 0.03 wt% CMC, (c) 0.1 wt% CMC and (d) 0.2 wt%

CMC.

在於液相流體之性質對於流態之區域行為是有影響的，當液相溶液濃

5-3-1 牛頓流體之軸向分散實驗

在本實驗中分別以0.0085、0.0129、0.0191 與 0.0268 m/s 流體速度下進行分析，而 Table 5-4 所示為真實滯留時間與理想滯留時間，

及不同流速與磁場強度下的軸向分散係數與床體區域。由 Table 5-4 顯示出，部分流速下真實滯留時間稍大於理想滯留時間，此不合理行為應為實驗上之誤差，來源大概為注入追蹤劑的時間無法均一。

Fig.5-14 所示為軸向分散係數與流速關係、及先前壓力曲線圖所得之相圖。從 Fig. 5-14(a)可瞭解到軸向分散係數與流速成正比關係，在相同流速下軸向分散係數隨磁場強度增加而下降，該原因為粒子在流體化床區或不穩定區時之行為，粒子間碰撞程度增大進而使追蹤劑與粒子接觸面積增大，以致於在流體化床區或不安定區會有較大的軸向分散係數，此結果與Nishio et al. (1991)、Sajc et al. (1994)、Goto et al.

(1995)、柯(1995)和陳(2000)是相符合的。Siegell et al. (1987) 、Goto et al. (1995)與陳(2000)以他們的實驗提出當床體在磁穩定區下，軸向分散係數均不受磁場強度影響。本實驗所得之軸向分散係數，在0.0085 m/s 與 0.0129 m/s 流速下，在這兩個磁場強度下均相同，並沒有受到磁場強度增大導致軸向分散係數的下降。磁穩定區下，軸向分散係數較不受制於磁場強度影響，其原因為床體粒子受到磁場穩定的作用下性質類似於膨脹的固定床區，而在5425 與 9013 A/m 磁場強度下，追

Table 5-4. Comparison of

t

_ideal,

t

_real and D

_a

in magnetic fluidized beds at various water velocities.

H(A/m) F：fluidized, M：magnetically stabilized , Tran.：transition, U : unstable

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

D a (m

2 /s)

0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014

0.0085 m/s 0.0129 m/s 0.0191 m/s 0.0268 m/s

Fig. 5-14. (a) The D

_a

vs. magnetic field intensity with various velocities for water.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

wa ter v elo cit y (m /s)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

Ut(P) Umf(DH) Umf(L)

unstable bed

fixed bed

transition

Fig. 5-14. (b) The phase diagram of water.

蹤劑所接觸粒子的表面積大致上是相同的(可參考 Fig. 5-8 空隙度與流速在不同磁場下之關係)，由此推論可知在這兩各磁場強度下床體性質是相近的，以致於磁場影響軸向分散係數的效果並不明顯。上述結果用於 0.0085 m/s 流速下會產生些許的差異，以當時床體流態觀察，如 Fig. 5-14(b)所示，在兩磁場強度下分別為過渡區，而不為前述學者所提之磁穩定區，不過早先對於過渡區的區域流態應相近於固定床區或磁穩定區，而在此過渡區下軸向分散係數均相同，由此驗證吾人先前對於過渡區的論述應是合理的。

最後將 Nishio et al. (1991)、Sajc et al. (1994)、柯(1995)及陳 (2000)，採用 open-open 系統所得之傳統流體化床和磁流體化床軸向分散係數結果，與本實驗採用 closed-closed 系統的軸向分散係數結果比較，如 Fig. 5-15 所示，軸向分散係數與流速成正比，與磁場強度成反比。

Re (-)

10 100 1000 10000

D

(m

2 /s

)

0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

Chen (0 A/m) Chen (9750 A/m) Ke (0 A/m) Ke (7960 A/m) Nishio (0 A/m) Nishio (5370 A/m) Sajc (0 A/m) Sajc (14000 A/m) This work (0 A/m) This work (9013 A/m)

Fig. 5-15. Comparison of axial dispersion coefficient.

5-3-2 非牛頓之軸向分散實驗

Table 5-5. Comparison of

t

_ideal,

t

_real and D

_a

in magnetic fluidized beds with various fluid(CMC) velocities and concentrations.

fluid 0.03 wt% CMC 0.1 wt% CMC 0.2 wt% CMC H(A/m)

_l

(m/s)

0 5425 9013 0 5425 9013 0 5425 9013

ideal

t

(s) 22.4

real

t

(s) 22 21 23 23 23 22.5 22.9 22.5 21 D

_a

²

/s)×10

⁴

14.1 10.1 10.3 14.2 14.4 11.2 14.4 14.5 12.7 0.0268

regime F U M F U U F U U F: fluidized, Tran.: transition, M: magnetically stabilized, U: unstable

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

D a (m

2 /s)

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014

0.0085 m/s 0.0129 m/s 0.0191 m/s 0.0268 m/s

Fig. 5-16. (a) The D

_a

vs. magnetic field intensity with various velocities for 0.03 wt% CMC solution.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

li qui d vel oci ty ( m /s )

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Ut(P) Umf(DH) Umf(L)

unstable bed magnetically stabilized bed

fixed bed

transition

Fig. 5-16. (b) The phase diagram of 0.03 wt% CMC solution.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

D a (m

2 /s)

0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014

0.0085 m/s 0.0129 m/s 0.0191 m/s 0.0268 m/s

Fig. 5-17. (a) The D

_a

vs. magnetic field intensity with various velocities for 0.1 wt% CMC solution.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

li qu id ve lo cit y (m /s)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Ut(P) Umf(DH) Umf(L)

unstable bed

magnetically stabilized bed

fixed bed

transition

Fig. 5-17. (b) The phase diagram of 0.1 wt% CMC solution.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

D a

(m 2 /s)

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

0.0085 m/s 0.0129 m/s 0.0191 m/s 0.0268 m/s

Fig. 5-18. (a) The D

_a

vs. magnetic field intensity with various velocities for 0.2 wt% CMC solution.

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

li qui d vel oci ty ( m /s )

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

Ut(P) Umf(DH) Umf(L)

unstable bed

magnetically stabilized bed

fixed bed

transition

Fig. 5-18. (b) The phase diagram of 0.2 wt% CMC solution.

間，故磁穩定的效果不太明顯，進而導致0.2 wt% CMC 與其結果較不符合。另外0.2 wt% CMC 在高流速時磁場強度無法有效降低其軸向分散係數，需以更大的磁場強度方能有效控制床體，以降低軸向分散係數。Fig. 5-19 為水與不同濃度下磁場強度與軸向分散係數的關係。在傳統流體化床操作下，可以發現到隨著液相溶液濃度上升，軸向分散係數不會有太大變化。以磁流體化床操作下，當液相濃度越高，伴隨著作用力(黏滯力、向上拖曳力)效果遂逐漸增加，其作用力均會使床體更不安定，即粒子運動性、擾動與碰撞效果增大，導致磁場影響床體粒子的效果逐漸變弱，此時所得之軸向分散係數受磁場影響是有限的。另外，再將軸向分散係數與床體區域範圍比較分析(對照Fig. 5-13 與 Fig. 5-19)後，遂可發現到過渡區與磁穩定區的軸向分散行為相近，不穩定區與流體化床區則明顯高於上述兩者，即顯示出過渡區或磁穩定區下，床體粒子受到外加磁場的作用力，導致床體粒子排列整齊而無紊流之行為，進而降低床體內部軸向分散行為；而床體區域的範圍雖會受流體濃度產生變化，但床體區域的性質則不受流體濃度所影響。

water

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

Da(m

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

Da(m

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

Da(m

magnetic field intensity (A/m)

0 2000 4000 6000 8000 10000

Da(m

Fig. 5-19. Comparison of D

_a

and of magnetic field intensity in various fluids solution.

在文檔中利用磁場促進生物流体化床反應器性能之探討 (頁 81-100)