聲波測量和流化床聚合反應(yīng)器多尺度結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、氣固流化床聚合反應(yīng)器中流化床層的傳遞特性參數(shù)、反應(yīng)效果、以及聚合物產(chǎn)品均受到流化床內(nèi)顆粒性質(zhì)及其運動狀態(tài)的影響，而顆粒的性質(zhì)又是隨著反應(yīng)的變化而變化的。因此，研究流化床聚合反應(yīng)器的流體力學(xué)行為是化學(xué)反應(yīng)工程研究領(lǐng)域的前沿，極富有挑戰(zhàn)性。本研究論文以聲波的測量和分析為研究手段，從多尺度的角度對流化床聚合反應(yīng)器中的顆粒生長及其粒徑分布、結(jié)塊狀況、起始流化速度、流動模式和料位等參數(shù)的變化進行了研究。不僅建立了新的測量和分析方法，而且發(fā)現(xiàn)了新的

2、實驗現(xiàn)象，提出了新的概念和理論，研究結(jié)果具有重要的理論意義，對于工業(yè)反應(yīng)器的安全生產(chǎn)、優(yōu)化操作和產(chǎn)品開發(fā)也具有重要的實用價值。 顆粒流態(tài)化時會產(chǎn)生各種各樣的信號，它們往往是時空多尺度結(jié)構(gòu)的綜合反映。由于各尺度信號相互混雜，妨礙了對過程的了解。雖然傳統(tǒng)的流化床參數(shù)測量手段，如壓力、激光、溫度、射線衰減、超聲、電導(dǎo)等技術(shù)被廣泛地應(yīng)用，但測量信號中所包含的豐富內(nèi)涵還遠(yuǎn)未被人們所理解，更何況許多測量手段還由于對測量環(huán)境的要求苛刻，對流場

3、的破壞以及對人體的危害，而受到限制。受古人“聽音辨琴”的啟發(fā)，本文將具有檢測靈敏、綠色環(huán)保、非侵入性和實時監(jiān)測等特點的聲波測量技術(shù)應(yīng)用于流化床各參數(shù)的測量。進一步，通過小波分析和R/S分形分析對聲波測量信號進行多尺度的分解，論文主要開展了以下四個方面的研究工作： 1.研究比較了聲波信號和壓力脈動信號的多尺度結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)各小波尺度下波動信號的Hurst指數(shù)變化規(guī)律(均小于0.5、均大于0.5或兩者都有的)，建立了聲波信號的尺度劃

4、分的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為可將聲波信號劃分為微尺度(1-5小波尺度)、介尺度(6-7小波)和宏尺度(8-10小波尺度)，分別反映顆粒行為、氣泡和顆粒團聚物行為、以及平均流動行為等。與壓力脈動信號多尺度結(jié)構(gòu)的比較表明，聲波信號主要反映微尺度的顆粒信息，而壓力信號主要反映介尺度的氣泡信息。至于處于介尺度的顆粒團聚物的信號，由于信號強度較弱，其變化只能在聲波的介尺度頻段得到較明顯的體現(xiàn)。 2.研究了流化床聚合反應(yīng)器在微尺度的特性。在直徑分別為10

5、0mm和150mm流化床冷模實驗裝置(帶加熱裝置)中，以及Ф1000的HDPE中試流化床聚合反應(yīng)器、Ф3500的LLDPE、Ф3500的HDPE和Ф5000的Bi-modePE工業(yè)流化床聚合反應(yīng)器裝置中，測量了顆粒流態(tài)化產(chǎn)生的聲波信號。通過對聲波微尺度信號的分析，分別建立了反映顆粒性質(zhì)、運動和主頻關(guān)系的顆粒頻率模型、反映顆粒粒徑分布與聲波信號關(guān)系的Hou-Yang方程，并建立了判斷顆粒起始流態(tài)化的新標(biāo)準(zhǔn)。 (a)根據(jù)顆粒碰撞壁面

6、產(chǎn)生聲波的機理，建立了如下描述流化顆粒碰撞壁面的頻率模型 f=1/τ=2/5.7v-5/D2/5dpρ2/5s冷模實驗發(fā)現(xiàn)，氣速的增加、顆粒直徑的減小、顆粒密度的減少將導(dǎo)致聲波信號的主頻增加。頻率模型的計算值與聲波主頻的實際測量值之間的最大誤差小于8.3％，表現(xiàn)良好的一致性；將該模型應(yīng)用于工業(yè)聚合反應(yīng)器中預(yù)測LLDPE、HDPE和BimodalPE等物料顆粒的平均粒徑時，發(fā)現(xiàn)模型計算值與實際粒徑之間的偏差小于8.8％，說明該模型

7、的有效性。 (b)利用聲測量技術(shù)，結(jié)合K層小波分解和顆粒碰撞壁面產(chǎn)生聲波的機理，建立了如下在線測量顆粒粒徑分布的Hou-Yang模型： N∑j=1λj·Pdk(dp、j)·xj=Pdmix，k(k=1，2，3…K)；N∑j=1λj·Pak(dp，j)·xj=Pamix，k(k=K)該模型反映了聲波能量在不同小波尺度上的分率與顆粒粒徑分布的定量關(guān)系。冷態(tài)實驗結(jié)果表明，粒度分布的聲波測量值與取樣篩分測量值的平均誤差僅為8.8

8、％。將該模型應(yīng)用于工業(yè)熱態(tài)條件下的LLDPE、HDPE和BimodalPE等顆粒物料的粒徑和粒徑分布的在線測量，發(fā)現(xiàn)聲波法測量值與常規(guī)篩分法的測量值之間的偏差小于15.8％。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Hou-Yang方程的適用范圍為氣速在3Umf以上，并可應(yīng)用于信號的微尺度中包含小波尺度數(shù)多的測量技術(shù)。 (c)提出了采用聲波測量+小波包分析測量起始流化速度的新方法。在常溫實驗條件下以普通聚乙烯顆粒體系(LLDPE)和發(fā)粘聚乙烯顆粒體系(B

9、imodalPE)為實驗對象，在升溫條件下，以LLDPE為實驗對象，分別測量起始流化速度，發(fā)現(xiàn)，新的聲波測量結(jié)果與Wen-Yu公式計算以及壓差實驗測定和聲波測量+復(fù)雜性分析等常規(guī)方法具有良好的一致性。但是，對于升溫發(fā)粘體系(BimodalPE)，常規(guī)方法失去了效用，而新的聲波測量法則明顯有效。實驗發(fā)現(xiàn)，LLDPE顆粒的起始流化速度幾乎不隨溫度的變化而改變，而BimodalPE顆粒隨著溫度的上升起始流化速度增加。進一步，利用聲波測量+小波

10、包分析法和聲波測量+復(fù)雜性分析法考察了粒徑分布對起始流化速度的影響，發(fā)現(xiàn)在平均粒徑相同的情況下，起始流化速度由低到高順序分別為：FCC型分布、雙峰型分布、平行分布、雙組分分布、高斯分布和單粒徑分布。 3、研究了流化床聚合反應(yīng)器在介尺度的特性。在Ф150冷模流化床實驗，帶有加熱裝置的Ф100冷模流化床實驗和中試流化床聚合反應(yīng)器熱模裝置中發(fā)現(xiàn)，LLDPE顆粒和BimodalPE顆粒粒徑的變化主要影響微尺度中各小波尺度(d1-d5)能

11、量分率的變化；結(jié)塊增大時，介尺度的能量分率由低尺度(高頻)向高尺度(低頻)有層次性地增加。并建立了如下測量結(jié)塊大小的公式： S=a(Ed6-E0d6)+b(Ed7-E0d7)+c(Ed8-E0d8)結(jié)塊系數(shù)(a=580，b=1920，c=6800)。公式預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)塊大小的誤差小于11.2％。另一方面，在帶有加熱裝置的Ф100冷模流化床和中試流化床聚合反應(yīng)器熱模裝置中考察顆粒結(jié)塊(團聚)的規(guī)律，認(rèn)為團聚的過程經(jīng)歷了可逆聚團—

12、不可逆結(jié)塊的階段，發(fā)現(xiàn)C(n)故障系數(shù)在判斷早期結(jié)塊時，反應(yīng)敏感，特別對處于可逆團聚狀態(tài)下的結(jié)塊判斷優(yōu)于Cf故障系數(shù)，適用于反應(yīng)器的早期預(yù)警；Cf故障系數(shù)對于產(chǎn)生不可逆結(jié)塊的判斷比C(n)故障系數(shù)更準(zhǔn)確，適合于流化床結(jié)塊程度的定性監(jiān)測。 4.借助能量分析、均方差分析和復(fù)雜性分析，考察聲波信號沿床高的變化。研究了實驗室冷模流化床裝置和工業(yè)熱模HDPE裝置的內(nèi)部流動模式，發(fā)現(xiàn)從分布板上方至料位高度之間存在固體顆粒的小、大循環(huán)流動模式