多區(qū)循環(huán)反應器流體力學特性及夾帶、粘壁的聲檢測技術研究.pdf

1、聚丙烯作為一種常用的塑料產品，其產量及使用量逐漸提高。隨著經濟水平的發(fā)展，聚丙烯產品應用的范圍越來越廣闊，這便對聚丙烯的力學及加工性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的聚丙烯生產工藝通過采用反應釜串聯(lián)生產雙峰聚丙烯，即在不同的反應器內生產分子量不同的產品，但由于反應器具有停留時間分布不定，生產所得到的產品均勻性存在缺陷。多區(qū)循環(huán)生產技術作為一種新型的雙峰聚烯烴生產技術于21世紀初提出，其中多區(qū)循環(huán)反應器為該生產技術核心設備。在生產過程中通過調節(jié)氣

2、氛及溫度控制，使得提升段與下降段內形成兩種不同的聚合氣氛以分別生產高分子量、低分子量聚合產品，催化劑顆粒在提升段下降段之間連續(xù)循環(huán)，從而形成逐層包裹的分子級混合的雙峰聚丙烯。但在多區(qū)反應器中，細粉夾帶現(xiàn)象造成循環(huán)氣換熱器堵塞，影響裝置長周期運行。此外，反應器產物中出現(xiàn)聚丙烯結塊、粘壁，嚴重時造成裝置停車。因此，迫切需要揭示多區(qū)反應器內部聚合物顆粒細粉/塊料形成的機理，建立循環(huán)管線細粉夾帶的監(jiān)控方法和粘壁塊料的預警系統(tǒng)，以減少或消除聚合物

3、顆粒細粉引發(fā)的換熱器堵塞，避免顆粒粘壁結塊故障的發(fā)生。
　　本論文針對聚丙烯多區(qū)循環(huán)反應器，采用聲發(fā)射檢測技術，在冷模裝置中監(jiān)測顆粒循環(huán)過程中的細粉夾帶過程，結合頻譜分析和小波分析，構建了細粉夾帶速率的聲波檢測模型，并考察了循環(huán)氣量、閥門開度、旋風分離器結構等因素對細粉夾帶速率的影響;為了建立反應器結塊及粘壁的監(jiān)測預警系統(tǒng)，在冷模裝置中采用聲發(fā)射檢測技術，結合頻譜分析，提取聲信號特征頻段的能量建立了結塊粘壁的判據。研究結果對于聚丙

4、烯多區(qū)反應器工藝安全穩(wěn)定生產、優(yōu)化操作條件具有重要的指導意義。論文主要開展了以下三方面的研究工作:
　　本研究的主要結論包括:
　　(1)多區(qū)反應器流體力學計算
　　結合循環(huán)流化床流體力學基本理論，對多區(qū)循環(huán)反應器的宏觀、局部流體力學特性進行計算。計算結果表明，提升段上部屬于快速流化狀態(tài)，提升段下部處于湍動流化狀態(tài)與快速流化之間的過渡狀態(tài)，下降段內流型為移動床。提升段軸向顆粒濃度分布屬于單調指數(shù)函數(shù)分布。提升段徑向顆粒

5、濃度分布計算結果表明:提升段內顆粒通量呈典型的環(huán)—核型結構，壁面處顆粒濃度高，中心處顆粒濃度低。顆粒團聚物是快速流態(tài)化典型的介尺度結果，對該局部流體力學現(xiàn)象計算結果表明:在提升段下部容易形成顆粒聚團且聚團尺寸較大。
　　此外，還對旋風分離器分離效率進行校核。計算結果表明，工業(yè)裝置中旋風分離器中心管插入深度過長，不僅使得阻力增大，而且使得內外旋流高度減小帶來二次夾帶的增加，最終導致分離效率降低。
　　(2)細粉夾帶速率的聲波檢

6、測及影響因素研究
　　在冷模裝置中，采用聲發(fā)射技術檢測穩(wěn)定循環(huán)過程中的細粉夾帶過程，對聲波信號進行頻譜分析及小波分析，提取代表固體運動信息的特征頻段的聲波信號能量作為特征參數(shù)，建立了細粉夾帶量的預測模型。
　　在冷模實驗裝置中分別考察了旋風分離器進口風速、下降段閥門開度、中心管插入深度與入口高度之比對細粉夾帶速率的影響。結果表明:細粉夾帶速率隨進口風速的增大而增大，隨下降段閥門開度的增大而減小，隨中心管插入深度與入口高度之比

7、的增大先減小后增大。
　　(3)建立了結塊和顆粒粘壁的聲波檢測方法
　　在冷模裝置中通過外加結塊及人為制造粘壁的方式模擬工業(yè)裝置中的結塊和粘壁現(xiàn)象。在認識結塊運動規(guī)律的基礎上，通過選取合理的聲發(fā)射檢測位置對結塊運動信息進行監(jiān)測。對聲波信號進行頻譜分析，并將27.5～35kHz和10～17.5kHz這兩個頻率范圍的聲波信號能量的比值R作為特征值，當R值明顯增加時，認為有結塊出現(xiàn)。對于粘壁現(xiàn)象的聲發(fā)射檢測結果表明:當聲波信號頻譜