多相流體系臨界現(xiàn)象的轉變和調控.pdf

1、在復雜多變的多相流體系中，準確檢測各種操作參數(shù)的關鍵是如何用最佳的檢測手段提取體系中的有效信息進行分析。利用反映多相流動特性的波動信號，通過從中提取出的特征信息，從而實現(xiàn)多相流參數(shù)的測量一直是多相流檢測領域的一個研究熱點。在多相流體系中，廣泛存在各種臨界現(xiàn)象，其轉變方式和規(guī)律是多相流反應器的重要調控依據(jù)。因此，將各種臨界現(xiàn)象作為一種特殊的問題加以研究，分析不同操作條件下臨界現(xiàn)象的產(chǎn)生和轉變規(guī)律，建立波動信號與各種臨界參數(shù)的直接關聯(lián)，不僅

2、極富挑戰(zhàn)性，同時對于掌握多相流體系的流動狀態(tài)以解決實際生產(chǎn)中涉及多相流體系的各種具體問題具有重要意義。
　　 針對多相流體系中存在的各種臨界現(xiàn)象以及關鍵參數(shù)，本研究選擇了具有實時在線、安全環(huán)保、簡便準確、不侵入流場以及適合工業(yè)裝置等惡劣外部環(huán)境特點的聲發(fā)射測量技術作為手段，結合頻譜分析、小波分析以及多尺度分析方法等多種分析手段，通過單通道和多通道測量方法，分析了時域和空間兩個層面存在的各種臨界現(xiàn)象，獲得了多相流體系中氣固兩相體系

3、和液固兩相體系的關鍵參數(shù)與聲信號存在的直接關聯(lián)。首先，通過單通道隨時域變化的信號特征分析，建立了包括臨界流化速度、臨界湍動速度、臨界懸浮轉速等臨界參數(shù)的判斷準則；其次，通過多通道隨空間變化的信號特征分析，建立了包括顆粒流動結構、流化質量惡化、淤漿懸浮高度等臨界現(xiàn)象的判斷準則；最后，以多相流體系中的氣固流化床為例，基于臨界現(xiàn)象理論，針對不同顆粒流動結構的本質及其轉變規(guī)律，建立了顆粒流動結構的調控依據(jù)。分別獲得了包括分布板結構、布氣方式、外

4、加攪拌設備以及床結構等因素對氣固體系顆粒流動結構的影響規(guī)律，提出了不同因素影響下相應的流化質量改善策略，為工業(yè)生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。本論文的主要研究成果如下：
　　 1．基于單通道聲發(fā)射技術，研究了多相流體系中隨時域變化的各種臨界現(xiàn)象。通過分析聲信號的時域特征變化，建立了各種時域臨界參數(shù)的判斷準則。其中包括代表氣固流化床流型臨界轉變的臨界流化速度、臨界湍動速度和代表液固攪拌體系流型臨界轉變的臨界懸浮轉速。
　　 1)在氣固

5、流化床體系中，采用頻譜分析，得到了氣固流化床中固體顆粒碰撞壁面產(chǎn)生聲信號的機理和特征。實驗結果表明，聲信號的能量和方差隨氣速呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，能量值和方差值在臨界流化速度和臨界湍動速度附近均有階躍性的增長。基于此，提出了能量比和方差比的概念，研究發(fā)現(xiàn)在流型臨界轉變處存在能量比和方差比的極值。由此，得到了基于聲發(fā)射技術的氣固流化床中流型臨界現(xiàn)象轉變的判斷依據(jù)，即當聲能量比或方差比達到最大值時對應的表觀氣速為臨界流化速度，能量比或方差比達到

6、次最大值時對應的表觀氣速為臨界湍動速度。同時，實驗考察了不同Geldart分類顆粒對流型臨界轉變的影響，對比分析了不同分類顆粒的流化特性。
　　 2)在液固攪拌釜體系中，結合聲信號的頻譜分析、小波分解和R/S分析，得到了攪拌釜反應器中固體顆粒碰撞壁面產(chǎn)生聲信號的機理和特征。根據(jù)各小波尺度下聲信號的Hurst指數(shù)變化規(guī)律，獲得了液固攪拌釜中代表固體顆粒相運動特征的聲信號特征頻段（S1尺度）。實驗結果表明，聲信號特征頻段能量隨攪拌轉

7、速呈現(xiàn)規(guī)律性的變化?；诖?，選取特征頻段的能量分率值作為特征參數(shù)，根據(jù)S1尺度能量分率值隨攪拌轉速的變化規(guī)律，提出了攪拌釜反應器中流型臨界轉變的判斷依據(jù)，即當聲信號特征頻段能量分率快速減少并開始趨于穩(wěn)定時所對應的攪拌轉速為臨界懸浮轉速。同時，實驗考察了粒徑、表觀漿液濃度和槳葉離底高度等操作條件對臨界懸浮轉速的影響規(guī)律。結果表明，臨界懸浮轉速隨著粒徑、漿液濃度和槳葉離底高度的增加而增加。
　　 2．基于多通道聲發(fā)射測量技術，研究了

8、多相流體系中隨空間變化的各種臨界現(xiàn)象。通過分析聲信號的空間特征變化，建立了各種空間臨界現(xiàn)象的判斷準則。其中包括代表氣固流化床中流化質量臨界轉變的顆粒流動結構和代表液固攪拌體系兩相混合均勻程度臨界轉變的淤漿懸浮高度。
　　 1)在氣固流化床反應器中，沿壁面不同高度設置多通道聲發(fā)射探頭，結合聲信號能量分析，得到了固體顆粒不同分布和運動方式呈現(xiàn)的循環(huán)流動結構。利用聲信號能量的空間分布，獲得了表征流化質量臨界轉變的流動結構的判斷依據(jù)，揭

9、示了聚乙烯流化床內存在大、小兩個循環(huán)的整床流動模式，兩個循環(huán)的分界即為顆粒流化滯留區(qū)域。根據(jù)聲信號能量沿床高的變化規(guī)律可以確定滯留區(qū)的位置，在滯留區(qū)位置聲能量存在極小值，對應為顆粒運動相對不活躍的區(qū)域，聚合物團聚和結塊現(xiàn)象容易在此區(qū)域產(chǎn)生。同時，通過考察不同操作條件如表觀氣速、顆粒粒徑、靜床高以及顆粒種類對顆粒流動結構臨界轉變的影響，得到了相應的流動結構轉變規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，除靜床高外，表觀氣速、粒徑大小和顆粒種類均對流動結構存在較大影響

10、，當上述操作條件變化時，顆粒流動結構往往隨之發(fā)生改變，流動結構在單循環(huán)和雙循環(huán)之間轉變。研究表明，利用不同操作條件下聲信號能量在空間的分布規(guī)律，獲得整床顆粒的流動結構和滯留區(qū)位置，可以為工業(yè)生產(chǎn)過程提供穩(wěn)定操作的依據(jù)，以改善反應器的流化質量。
　　 由于滯留區(qū)高度對應為顆粒運動不活躍的位置，在實驗室冷模裝置中考察了結塊存在時，顆粒流動結構的臨界轉變規(guī)律。通過人為模擬結塊產(chǎn)生（在流化床中添加不同重量的結塊），考察了結塊尺寸對循環(huán)模

11、式的影響。結果表明，當結塊尺寸達到一定程度時，聚乙烯顆粒流動結構出現(xiàn)了臨界轉變，由單循環(huán)流動結構轉變?yōu)殡p循環(huán)流動結構，而結塊所處高度對應于大、小循環(huán)界面的滯留區(qū)位置。實驗結果從另一角度闡明了滯留區(qū)存在與結塊產(chǎn)生的因果聯(lián)系。由此說明，當流化床內存在的結塊到達一定量以后，結塊影響的區(qū)域變大，甚至改變了整床的顆粒分布和運動方式，轉變了循環(huán)模式。
　　 同時，基于氣固流化床顆粒流化結構的理論，提出了利用“顆粒溫度”概念來定量表征流化床不

12、同位置顆粒運動活躍程度的理念。根據(jù)顆粒作用于器壁產(chǎn)生聲信號的機理以及“顆粒溫度”的本質特征，首次建立了基于“顆粒溫度”和聲發(fā)射技術的定量表示顆粒運動活躍程度的理論模型。結合實驗數(shù)據(jù)，推導得出了顆粒溫度的計算公式，獲得了流化床內不同區(qū)域（主流區(qū)和滯流區(qū)）的顆粒溫度空間分布?；诖耍岢隽恕芭R界顆粒溫度”和“臨界操作氣速”的概念，進而得到了氣固流化床良好流化的判據(jù)，即當流化床內所有區(qū)域的顆粒溫度均大于臨界顆粒溫度（T*≥T*cr）時，床內顆

13、粒具有一定的活躍程度，整床流化質量良好，沒有出現(xiàn)團聚結塊的流化床故障?；谂袚?jù)，得到了不同顆粒粒徑下的臨界操作氣速。利用臨界顆粒溫度和臨界操作氣速，可對工業(yè)上生產(chǎn)監(jiān)控和操作優(yōu)化起到指導作用，由此實現(xiàn)了聲發(fā)射技術定量監(jiān)測反應器流化質量及其臨界轉變的實時在線測量。
　　 2)在液固攪拌釜體系中，沿反應器壁面不同高度設置多通道聲發(fā)射探頭，研究了聲信號在空間的分布規(guī)律。根據(jù)顆粒運動碰撞攪拌釜壁面產(chǎn)生聲信號的機理，結合頻譜分析、小波分解和

14、R/S分析，發(fā)現(xiàn)代表顆粒相運動特性的聲信號特征頻段能量值與液固兩相的混合程度緊密相關。隨著攪拌釜軸向高度位置的增加，聲能量值呈現(xiàn)規(guī)律性的變化?；诖?，提出了聲發(fā)射技術測量攪拌釜淤漿懸浮高度的判據(jù)，即當聲信號特征頻段能量或能量比出現(xiàn)階躍性變化時對應的高度為淤漿懸浮高度，利用此判據(jù)，實現(xiàn)了基于聲發(fā)射技術的液固體系混合程度臨界轉變的實時在線測量。同時，通過改變顆粒尺寸、攪拌槳的形式（盤式渦輪和槳式葉輪）等操作條件，驗證了聲發(fā)射技術測量淤漿懸浮

15、高度的判據(jù)，實驗結果與目測法很好地吻合，兩種槳型實驗的平均相對誤差分別為6.5％和8.9%，具有較高精度。
　　 3．以多相流體系中的氣固流化床為例，基于臨界現(xiàn)象理論，建立了顆粒流動結構的臨界調控依據(jù)，分別獲得了包括外加攪拌設備、不同布氣方式、不同分布板結構以及不同床結構下顆粒流動模式的臨界轉變規(guī)律，并提出了相應的流化質量改善策略。
　　 1)通過在氣固流化床中引入外加攪拌裝置，指出了攪拌槳葉作用對顆粒流動結構具有較大影

16、響。由于攪拌槳的作用，床內粒子不斷被帶入氣泡內部，床內氣泡不斷破碎，使得大氣泡、溝流和節(jié)涌減少甚至消失，保持了流化床良好的流化狀態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)，對比沒有攪拌作用時的顆粒流動結構，攪拌槳葉的引入強化了流化過程，在加強氣泡相和顆粒相相互作用的同時，消除了滯留區(qū)域，減少了流化的不均勻和不穩(wěn)定，同時使得料位更加穩(wěn)定。
　　 2)通過改變孔板型氣體分布板的布氣方式，設計了內圓-外環(huán)相同面積的兩路不同進氣方式，系統(tǒng)分析了不同表觀氣速下的聲能量

17、空間分布與流動結構之間的變化關系。實驗發(fā)現(xiàn)，顆粒流動結構受到表觀氣速大小和布氣方式的共同影響。同時利用聲信號能量的空間分布規(guī)律，獲得了不同布氣方式下整床的顆粒運動方向和氣泡分布情況。結果表明，內環(huán)和外環(huán)兩種不同的布氣方式造成了截然不同的顆粒運動結構。
　　 3)針對四塊不同結構的氣體分布板，利用聲發(fā)射技術研究了裝載不同分布板的流化床顆粒死區(qū)分布情況以及流動結構的臨界轉變。通過不同區(qū)域的聲信號能量和方差分析，得到了顆粒死區(qū)分布和流

18、化均勻性的判斷依據(jù)。同時，實驗對比并分析了不同分布板結構對流動結構的影響及其內在原因，篩選得出了滿足壓降穩(wěn)定性及流化質量良好的抗沉積分布板，提供了分布板優(yōu)化設計的方法。
　　 4)針對二維氣固流化床，實驗考察了床結構對顆粒循環(huán)模式的影響。結果表明，二維流化床由于受到邊壁效應的影響，其流動結構與三維流化床存在較大差別，氣泡只能在二維空間發(fā)展，床內更容易出現(xiàn)大尺寸扁平氣泡。因此，在二維床中容易形成節(jié)涌等不穩(wěn)定流化狀況，并且不能形成類