氣固流化床中靜電對流體力學(xué)的影響機制及其調(diào)控研究.pdf

1、靜電是氣固流化床反應(yīng)器中一個普遍存在的現(xiàn)象，特別是在烯烴聚合流化床反應(yīng)器中，流化顆粒的絕緣性高，無水、無氧環(huán)境為靜電的產(chǎn)生和積累提供了天然條件。工業(yè)生產(chǎn)過程中靜電導(dǎo)致的結(jié)塊、爆聚、爆炸等安全及生產(chǎn)事故時有發(fā)生?，F(xiàn)有研究大多集中于探究氣固流化床中靜電的檢測技術(shù)、產(chǎn)生與耗散機制、分布規(guī)律及調(diào)控方法等，缺乏靜電對流體力學(xué)特性及熱質(zhì)傳遞過程的影響研究，導(dǎo)致對流化床內(nèi)靜電危害的片面認識。盡管流化床內(nèi)靜電的過量積累可能引發(fā)顆粒團聚結(jié)塊甚至爆炸等事故

2、，但是通過控制顆粒荷電量使靜電保持在合適的水平，有可能改變特定流化條件下的流體力學(xué)行為，達到強化熱質(zhì)傳遞，“化害為利”的目標(biāo)。因此，研究氣固流化床中靜電對流體力學(xué)及熱質(zhì)傳遞的影響規(guī)律，開發(fā)新型的靜電調(diào)控方法，實現(xiàn)靜電的有效利用，具有重要的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。
　　論文以氣固流化床反應(yīng)器為研究對象，采用注入微量液體抗靜電劑的方法調(diào)控流化床內(nèi)顆粒的整體荷電水平，借助聲發(fā)射技術(shù)、靜電檢測、壓力脈動等檢測方法對流化顆粒運動、氣泡行

3、為等進行綜合分析與表征，結(jié)合理論分析，系統(tǒng)研究了靜電對流化床內(nèi)氣固流動特性和熱質(zhì)傳遞特性的影響規(guī)律。進而，提出了基于電極原位電暈荷電的局部靜電調(diào)控理論和方法，并實驗驗證了其有效性，發(fā)展了細顆粒調(diào)控理論，建立了基于靜電調(diào)控的熱質(zhì)傳遞過程強化方法。研究結(jié)果對氣固流化床中靜電的防控和利用及提升工業(yè)流化床反應(yīng)器的穩(wěn)定性和安全性具有重要的指導(dǎo)意義。論文主要開展了以下六方面的研究工作:
　　1.提出了利用注入微量液體抗靜電劑調(diào)控流化床內(nèi)顆粒荷

4、電量和整體靜電水平的方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過在近分布板處注入0-50 ppm含量的液體抗靜電劑，可以在不改變流化條件的前提下，實現(xiàn)流化顆粒的荷質(zhì)比在-2.75-0 nC/g范圍內(nèi)可控變化;隨著抗靜電劑含量增加，流化顆粒荷電量逐步降低，顆粒黏壁逐漸減少，證實了該方法的可行性。
　　2.采用注入微量液體抗靜電劑的方法調(diào)控流化床內(nèi)顆粒荷電量，揭示了顆粒荷電量對氣泡尺寸、料位波動的影響規(guī)律和作用機制。荷電極性相同的顆粒間的靜電斥力導(dǎo)致顆粒間平

5、均距離增大，床層乳化相空隙率增加，氣泡尺寸減小，料位波動減弱。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒荷電量越大，靜電對氣泡的影響越顯著;與流化顆粒不帶電時相比，顆粒飽和荷電時流化床內(nèi)的平均氣泡直徑下降約21％，床層平均空隙率下降約6％。
　　3.采用注入微量液體抗靜電劑的方法調(diào)控流化床內(nèi)整體顆粒荷電量，結(jié)合聲發(fā)射檢測技術(shù)和多尺度小波分析方法，揭示了顆粒荷電量對Geldart B/D類流化顆粒與壁面間的平均撞擊角度、運動速度及流動模式的影響規(guī)律和作用機制，

6、考慮靜電力的作用對傳統(tǒng)的起始流化速度關(guān)聯(lián)式進行修正并實驗驗證了其正確性。
　　(1)靜電對流動模式的影響較小;低氣速操作時，顆粒荷電量越大，顆粒與壁面間的平均撞擊角度越大，顆粒運動速度越小;高氣速操作時，作用于顆粒的氣流曳力顯著大于靜電力，顆粒荷電量對顆粒與壁面間的平均撞擊角度及顆粒運動速度的影響較小。研究發(fā)現(xiàn)，在低氣速操作和高氣速操作條件下，床層靜電的消除導(dǎo)致聚丙烯顆粒與壁面的平均撞擊角度分別下降3度和0.8度;在低氣速操作條件

7、下，聚丙烯和線性低密度聚乙烯顆粒的運動速度分別提升了240％和143％。
　　(2)考慮靜電力的作用對傳統(tǒng)的Wen-Yu關(guān)聯(lián)式進行了修正，從理論上分析了顆粒荷電量對起始流化速度和床層總壓降的影響，并通過顆粒荷電量逐漸增加、電荷逐漸耗散等兩個實驗進行了驗證。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流化顆粒荷電并導(dǎo)致顆粒黏壁時，起始流化速度增大，床層總壓降下降;對于聚丙烯顆粒，顆粒飽和荷電導(dǎo)致起始流化速度增加了5.4％。
　　4.提出了一種用于消除流化床靜

8、電的原位電極電暈荷電法。首先，通過伏安特性曲線、起暈電壓和電暈作用范圍的研究，掌握了流化床內(nèi)氣固混合物的電暈放電特性。其次，通過比較電暈消電前后靜電勢、顆粒荷質(zhì)比和稀相區(qū)場強，證實了該方法的可行性。研究發(fā)現(xiàn)原位電極電暈荷電效率受顆粒摩擦荷電和電暈荷電兩個過程參數(shù)的共同影響，表觀氣速越大，氣固混合物的起暈電壓越小，電暈消電的效率越高。相比離子風(fēng)消電法，借助流化氣流擴散電暈離子的電極原位消電法的消電效率更高。
　　5.提出了通過改變電

9、暈荷電條件或添加細顆粒來定量調(diào)節(jié)流化顆粒荷電量或完全消除顆粒荷電的靜電調(diào)控方法和理論，并進行實驗驗證。首先，以顆粒摩擦荷電和電暈荷電理論為基礎(chǔ)，建立了原位電極電暈荷電過程的數(shù)學(xué)模型，從理論上分析了顆粒摩擦荷電飽和值、時間常數(shù)、電暈荷電飽和值及其時間常數(shù)等對顆粒最終荷電量的影響規(guī)律并獲得實驗驗證。其次，以顆粒摩擦荷電模型為基礎(chǔ)，發(fā)展了細顆粒靜電調(diào)控理論，發(fā)現(xiàn)粗/細顆粒粒徑比、細顆粒含量、細顆粒與流化顆粒間的接觸電勢差共同決定了添加細顆粒的