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

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

2、氛及溫度控制，使得提升段與下降段內(nèi)形成兩種不同的聚合氣氛以分別生產(chǎn)高分子量、低分子量聚合產(chǎn)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(yīng)器中，細(xì)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(yīng)器產(chǎn)物中出現(xiàn)聚丙烯結(jié)塊、粘壁，嚴(yán)重時造成裝置停車。因此，迫切需要揭示多區(qū)反應(yīng)器內(nèi)部聚合物顆粒細(xì)粉/塊料形成的機(jī)理，建立循環(huán)管線細(xì)粉夾帶的監(jiān)控方法和粘壁塊料的預(yù)警系統(tǒng)，以減少或消除聚合物

3、顆粒細(xì)粉引發(fā)的換熱器堵塞，避免顆粒粘壁結(jié)塊故障的發(fā)生。
　　本論文針對聚丙烯多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器，采用聲發(fā)射檢測技術(shù)，在冷模裝置中監(jiān)測顆粒循環(huán)過程中的細(xì)粉夾帶過程，結(jié)合頻譜分析和小波分析，構(gòu)建了細(xì)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(fēng)分離器結(jié)構(gòu)等因素對細(xì)粉夾帶速率的影響;為了建立反應(yīng)器結(jié)塊及粘壁的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在冷模裝置中采用聲發(fā)射檢測技術(shù)，結(jié)合頻譜分析，提取聲信號特征頻段的能量建立了結(jié)塊粘壁的判據(jù)。研究結(jié)果對于聚丙

4、烯多區(qū)反應(yīng)器工藝安全穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化操作條件具有重要的指導(dǎo)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(jié)論包括:
　　(1)多區(qū)反應(yīng)器流體力學(xué)計算
　　結(jié)合循環(huán)流化床流體力學(xué)基本理論，對多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器的宏觀、局部流體力學(xué)特性進(jìn)行計算。計算結(jié)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(nèi)流型為移動床。提升段軸向顆粒濃度分布屬于單調(diào)指數(shù)函數(shù)分布。提升段徑向顆粒

5、濃度分布計算結(jié)果表明:提升段內(nèi)顆粒通量呈典型的環(huán)—核型結(jié)構(gòu)，壁面處顆粒濃度高，中心處顆粒濃度低。顆粒團(tuán)聚物是快速流態(tài)化典型的介尺度結(jié)果，對該局部流體力學(xué)現(xiàn)象計算結(jié)果表明:在提升段下部容易形成顆粒聚團(tuán)且聚團(tuán)尺寸較大。
　　此外，還對旋風(fēng)分離器分離效率進(jìn)行校核。計算結(jié)果表明，工業(yè)裝置中旋風(fēng)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(nèi)外旋流高度減小帶來二次夾帶的增加，最終導(dǎo)致分離效率降低。
　　(2)細(xì)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(shù)檢測穩(wěn)定循環(huán)過程中的細(xì)粉夾帶過程，對聲波信號進(jìn)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(xì)粉夾帶量的預(yù)測模型。
　　在冷模實驗裝置中分別考察了旋風(fēng)分離器進(jìn)口風(fēng)速、下降段閥門開度、中心管插入深度與入口高度之比對細(xì)粉夾帶速率的影響。結(jié)果表明:細(xì)粉夾帶速率隨進(jìn)口風(fēng)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(jié)塊和顆粒粘壁的聲波檢測方法
　　在冷模裝置中通過外加結(jié)塊及人為制造粘壁的方式模擬工業(yè)裝置中的結(jié)塊和粘壁現(xiàn)象。在認(rèn)識結(jié)塊運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過選取合理的聲發(fā)射檢測位置對結(jié)塊運動信息進(jìn)行監(jiān)測。對聲波信號進(jìn)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(dāng)R值明顯增加時，認(rèn)為有結(jié)塊出現(xiàn)。對于粘壁現(xiàn)象的聲發(fā)射檢測結(jié)果表明:當(dāng)聲波信號頻譜