氣固流化床靜電分布的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氣固流化床中，顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間以及顆粒與氣體之間存在反復(fù)碰撞和摩擦，若流化介質(zhì)為高絕緣性物質(zhì)，則不可避免地會引發(fā)靜電的產(chǎn)生和積累。產(chǎn)生的靜電場勢必影響流化床內(nèi)的流體流動行為，形成死區(qū)和溝流，并導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚、粘壁甚至熔融結(jié)片。當(dāng)靜電積累到一定程度，達(dá)到周圍介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)，還可能引起火花放電甚至爆炸。靜電的不可避免性、不可預(yù)期性以及發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性使其成為長期困擾氣相法聚乙烯流化床生產(chǎn)過程的突出技術(shù)難題。因此，系統(tǒng)研究氣固流化

2、床中的靜電現(xiàn)象不僅極富挑戰(zhàn)性，同時也具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文首先從能帶、顆粒、流化床的尺度，提出了微觀-介觀-宏觀的多層次氣固流化床靜電發(fā)生機(jī)制。在自行開發(fā)靜電壓在線檢測裝置的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)考察了靜電場的軸向、徑向以及整床分布特征，發(fā)現(xiàn)了線性低密度聚乙烯(LLDPE)粉料在直筒形冷模流化床中的靜電壓呈以料位為分界面的雙馬鞍型非均勻分布，并由此確定了“分布板區(qū)”、“滯留區(qū)”和“料位區(qū)”等三個靜電壓重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域；發(fā)現(xiàn)了

3、u.DPE流化床中靜電行為隨細(xì)顆粒粒徑和含量的演化規(guī)律，提出了細(xì)顆粒的靜電作用因子，獲得了工業(yè)生產(chǎn)中細(xì)顆粒含量的控制范圍；針對性地考察了多種液體和固體雜質(zhì)對流化床中靜電壓的影響，進(jìn)一步，根據(jù)無機(jī)氧化物中非氧元素電負(fù)性的大小，提出了用于控制流化床中過量靜電荷積累的正、負(fù)靜電引發(fā)劑的選取準(zhǔn)則，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，結(jié)合R/S分析和小波分析，研究了靜電波動信號的多尺度分形特征，發(fā)現(xiàn)各尺度信號能量分率的變化能夠明確地指示出流化床內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變。

4、研究結(jié)果對于工業(yè)流化床反應(yīng)器的安全生產(chǎn)、優(yōu)化操作和產(chǎn)品開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。論文主要開展的五方面研究工作如下： 1.在能帶、顆粒、流化床的尺度上，揭示了流化床中靜電的產(chǎn)生和累積機(jī)理、聚合物顆粒發(fā)生雙極帶電(bipolar charging)的本質(zhì)及靜電荷的整床分布特征，提出了微觀-介觀-宏觀的多層次氣固流化床靜電發(fā)生機(jī)制。 在微觀層次上，基于能帶理論，對流化床中無雜質(zhì)、摻雜液體雜質(zhì)和摻雜固體雜質(zhì)的聚合物顆粒上靜電荷的產(chǎn)

5、生、耗散和累積機(jī)理分別進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，接觸后物質(zhì)的帶電極性、帶電量和電荷分布主要取決于其能帶結(jié)構(gòu)；液體雜質(zhì)的介入會為聚合物顆粒上的電荷提供中和、再分配、泄漏和耗散渠道，并減少流化床中的靜電荷積累量；固體細(xì)顆粒雜質(zhì)的加入會改變流化床中的接觸類型，且雜質(zhì)與帶電聚合物顆粒、器壁間的接觸帶電會引起床內(nèi)電荷的再分配，并使流化床中電荷數(shù)量、極性和分布特征發(fā)生改變。 在介觀層次上，通過絕緣聚合物顆粒有效功函數(shù)的計(jì)算模型，從顆粒的角度

6、分析了同種材質(zhì)但不同粒徑顆粒之間發(fā)生雙極帶電的原因。結(jié)果表明，當(dāng)聚合物顆粒粒徑相同時，其有效功函數(shù)隨相對介電常數(shù)的增加而減少：當(dāng)聚合物顆粒相對介電常數(shù)相同，即聚合物顆粒材質(zhì)相同且完全純凈時，其有效功函數(shù)隨著粒徑的增大相應(yīng)降低；當(dāng)聚合物顆粒材質(zhì)相同，且吸附有極性雜質(zhì)時，不同粒徑的顆粒因吸附能力的差異而具有不同的介電常數(shù)，吸附能力強(qiáng)的小顆粒介電常數(shù)上升幅度較大，從而使得介電常數(shù)對顆粒有效功函數(shù)的影響占主導(dǎo)地位，即有效功函數(shù)隨著粒徑的增大反而

7、增大。 在宏觀層次上，結(jié)合顆粒的流態(tài)化特性，從整床的角度確定了聚合物顆粒的接觸帶電模式以及電荷的分布情況。結(jié)果表明，在流化過程中，氣體與壁面、氣體與顆粒間的摩擦起電效應(yīng)可以忽略不計(jì)；顆粒與壁面接觸分離后只帶一種極性的電荷，即發(fā)生單極帶電(monopolar charging)，驗(yàn)證了顆粒的雙極帶電現(xiàn)象主要來自于顆粒之間的相互作用；流化床中的三種主要帶電模式為顆粒與中性壁面之間的接觸帶電、顆粒與顆粒之間的接觸帶電以及顆粒與帶電壁面

8、之間的接觸帶電；根據(jù)流化床中顆粒離析以及顆粒的雙極帶電特點(diǎn)，指出床內(nèi)靜電荷的分布與聚合物顆粒粒徑分布緊密相關(guān)。 2.通過自行開發(fā)的靜電壓在線檢測裝置，對氣固流化床中靜電壓的軸向、徑向和整床分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)流化床中的靜電壓總體呈以料位為分界面的雙馬鞍型分布。并由此確定了因射流和氣墊的存在而空隙率大、靜電壓較低的“分布板區(qū)”，顆粒濃度和電荷密度較大、靜電壓較高，且氣流曳力最小、顆粒極易粘壁的“滯留區(qū)”，以及細(xì)顆粒揚(yáng)

9、析量較多、壁面附近靜電壓較高、顆粒粘壁現(xiàn)象嚴(yán)重的“料位區(qū)”等三個靜電壓重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。 通過不同表觀流化氣速、靜床高、顆粒粒徑以及聚合物種類下的二十余組流化實(shí)驗(yàn)，研究流化床中靜電壓的軸向分布特征時發(fā)現(xiàn)，床內(nèi)的靜電場為一非均勻電場，當(dāng)細(xì)顆粒揚(yáng)析量較大時，靜電壓沿軸向會發(fā)生極性的改變，且在“He-Us”平面上呈“Z”型或“S’’型分布。對“Z”型分布，流化床下部靜電壓為負(fù)，上部靜電壓為正，即大顆粒帶負(fù)電，小顆粒帶正電。與此對應(yīng)，流化過

10、程中呈“Z”型靜電壓分布的物料共性為結(jié)晶度較低、表面粗糙度高、對雜質(zhì)的吸附能力較強(qiáng)，故雜質(zhì)對顆粒有效功函數(shù)的影響占優(yōu)勢，從而大顆粒具有較大的功函數(shù)。在“S”型分布中，床層下部為正靜電壓、上部為負(fù)靜電壓，即大顆粒帶正電、小顆粒帶負(fù)電。呈現(xiàn)“S”型靜電壓分布的物料特征為結(jié)晶度和球形度較高、表面光滑、不易吸附雜質(zhì)，故大、小顆粒介電常數(shù)相同，有效功函數(shù)僅受粒徑控制，大顆粒的功函數(shù)較小。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，靜電壓隨距離軸心的徑向距離的增大而升高，在壁面附

11、近達(dá)到最大。結(jié)合靜電壓的軸、徑向分布特征，發(fā)現(xiàn)流化床中靜電壓的總體分布呈現(xiàn)以料位為分界面的雙馬鞍型分布，且存在“分布板區(qū)”、“滯留區(qū)”和“料位區(qū)”等三個特殊區(qū)域?；诹骰仓徐o電壓軸向分布的特點(diǎn)，提出了一種確定流化床料位高度的新方法。結(jié)果表明，該方法計(jì)算得到的料位高度值與實(shí)測值之間的最大相對誤差為4.08％，平均相對誤差為2.02％，具有較高精度。 3.根據(jù)流化床中靜電行為隨細(xì)顆粒粒徑和含量的演化規(guī)律，提出了細(xì)顆粒的靜電作用因

12、子，確定了工業(yè)生產(chǎn)中細(xì)顆粒含量的控制范圍，從而在顆粒層次上提出了控制流化床中靜電的措施。 在φ150 mm的流化床冷模裝置中，向單一粒徑的較粗聚乙烯顆粒中添加同種類型但不同粒徑的細(xì)顆粒并分別進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，粒徑不同的細(xì)顆粒加入后，流化床中靜電壓的變化規(guī)律各不相同，且粒徑最小、灰分含量最高的細(xì)顆粒對靜電壓的影響最為顯著。據(jù)此，提出了包含顆粒粒徑作用項(xiàng)和灰分含量作用項(xiàng)的細(xì)顆粒的靜電作用因子Fb：Fh=F'b+F"b=(∑)(d)

13、pωSpi/dSpi+(Σ)cSPiωSPi/cCPωCP+cSPiωSPi研究結(jié)果表明，床內(nèi)靜電壓與所加細(xì)顆粒的Fb密切相關(guān)。當(dāng)Fb小于1時，細(xì)顆粒的加入對床內(nèi)靜電壓影響較??；且當(dāng)Fb小于0.5時，靜電壓還略有降低；而Fb一旦大于1，床內(nèi)各點(diǎn)靜電壓顯著升高；當(dāng)Fb繼續(xù)升高，由于細(xì)顆粒粘附在壁面上，靜電壓又有所下降，但同時由于細(xì)顆粒的含量增加，粘壁現(xiàn)象變得非常嚴(yán)重，在工業(yè)流化床反應(yīng)器中極易引起結(jié)片。根據(jù)分析結(jié)果，在顆粒層次上提出了防止流

14、化床中過量靜電積累的措施，即須嚴(yán)格控制產(chǎn)品粒徑分布特別是dp≤185 gm的細(xì)粉含量在10％以下，且以小于5％為最優(yōu)。 4.針對性地考察了乙烯氣相聚合反應(yīng)體系中涉及的水、醇類和烷基鋁等液體雜質(zhì)及其反應(yīng)生成的固體物質(zhì)對流化床中靜電壓和靜電荷的影響，證實(shí)了烷基鋁與雜質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物為高靜電引發(fā)劑的工廠經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)無機(jī)氧化物非氧元素的電負(fù)性大小，提出了正、負(fù)靜電引發(fā)劑的選取準(zhǔn)則，即非氧元素電負(fù)性大的酸性氧化物易帶負(fù)電，可作為負(fù)靜電引發(fā)劑，而

15、非氧元素電負(fù)性小的堿性氧化物易帶正電，可作為正靜電引發(fā)劑。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒有烷基鋁存在的條件下，水和醇類會使流化床中的靜電積累量顯著減少。而對烷基鋁及其與雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物的研究表明，烷基鋁與水的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3會引發(fā)負(fù)靜電，而與氧的反應(yīng)產(chǎn)物Al2O3則會引發(fā)正靜電，這與反應(yīng)器進(jìn)料氣體中的水、氧/醇類會引發(fā)負(fù)、正靜電的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)相符。 根據(jù)靜電引發(fā)劑的選取準(zhǔn)則，選擇了聚乙烯氣相法流化床工藝中涉及到的SiO2、TiO2、

16、Al2O3和MgO等四種無機(jī)惰性氧化物顆粒，其中SiO2和Ti5O2為負(fù)靜電引發(fā)劑，Al2O3和MgO為正靜電引發(fā)劑，并對其進(jìn)行了考察。研究結(jié)果表明，除SiO2影響不明顯外，其余三種顆粒均達(dá)到了預(yù)期的靜電控制效果。其中TiO2會在床中引發(fā)負(fù)靜電，可用于消除流化床下部的過量正靜電，而Al2O3和MgO則會引發(fā)正靜電，可用于消除流化床下部的過量負(fù)靜電。實(shí)驗(yàn)同時發(fā)現(xiàn)，MgO引發(fā)正靜電的趨勢更為顯著，使得料位上下的靜電壓極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，靜電壓軸向

17、分布由原先的“Z”型變?yōu)椤癝”型。因此，在同樣的負(fù)靜電壓下，與Al2O3相比，加入較少量的MgO就可以起到消除負(fù)靜電的效果。 5.通過小波分析和R/S分形分析方法，對流化床內(nèi)的靜電壓波動信號進(jìn)行了多尺度分解，研究了信號的分形特征，發(fā)現(xiàn)各尺度能量分率的變化能夠靈敏地指示出流化床內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變。 計(jì)算不同氣速和不同徑向位置時靜電波動各尺度信號的能量分布時發(fā)現(xiàn)，在鼓泡流化狀態(tài)下，靜電信號中介尺度的能量分率最高(占總能量的60％