攪拌釜反應(yīng)器相含率測量方法的研究.pdf

1、攪拌釜式反應(yīng)器在工業(yè)諸多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三大高分子合成材料生產(chǎn)中約有70％是采用攪拌釜式反應(yīng)器完成的。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器攪拌混合的性能直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及能耗等問題，但由于攪拌混合過程中存在著氣相分散、液相混合和固相懸浮等多種問題，對其研究頗具挑戰(zhàn)性。具體而言，攪拌釜內(nèi)的氣含率分布、泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速、固含率分布、臨界攪拌轉(zhuǎn)速等特性參數(shù)不僅是反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化的重要依據(jù)，而且對工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)有著重要意義。由于多相攪

2、拌體系本身的復(fù)雜性和檢測手段的限制，不同研究者的研究結(jié)果有一定差異，甚至得出相反結(jié)論，嚴(yán)重束縛了工業(yè)界多層槳攪拌釜的設(shè)計(jì)和分析。因此有必要采用多種檢測手段對多層槳攪拌體系進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。
　　 本論文以淤漿法聚乙烯工藝的多層槳攪拌釜為例，以聲發(fā)射技術(shù)和水聽器技術(shù)作為主要檢測手段，輔以傳統(tǒng)的電導(dǎo)探針、取樣法等對多層槳攪拌體系的特征轉(zhuǎn)速和相含率進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。首先，基于攪拌釜聲信號的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征分析分別提取了代表氣相和固相

3、運(yùn)動的特征頻段，在此基礎(chǔ)上提出了泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的聲波測量判據(jù)和臨界懸浮轉(zhuǎn)速的復(fù)雜性分析判據(jù)，并對氣液固體系的特征轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究；然后，考察了氣體濃度和固體濃度沿攪拌釜軸向的分布，獲得了氣體濃度和固體濃度分布的聲發(fā)射偏最小二乘法(panial least squaresregression，PLS)預(yù)測模型。另一方面，采用多種檢測手段分別對氣液體系、液固體系和氣液固體系的相含率進(jìn)行了考察，獲得了基于水聽器檢測技術(shù)的相含率預(yù)測模型；最后，對不同體

4、系下攪拌器分散性能進(jìn)行了分析比較，結(jié)合近年來多相攪拌領(lǐng)域的研究成果，提出了新的攪拌器設(shè)計(jì)方案，研究結(jié)果對于工業(yè)攪拌釜反應(yīng)器的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)改造具有一定的指導(dǎo)意義。論文主要開展的幾方面研究工作如下：
　　 1.通過對采集的攪拌釜聲信號的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征分析，發(fā)現(xiàn)其具有多尺度特征，獲得了氣相和固相運(yùn)動的特征頻段信息，分別建立了基于聲發(fā)射信號的氣液體系泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的判據(jù)和液固體系臨界懸浮轉(zhuǎn)速的復(fù)雜性分析判據(jù)。
　　 氣液體系、液固體系

5、、氣液固體系的聲信號均可以解析到三個具有相應(yīng)物理意義的尺度，即微觀、介觀和宏觀尺度。其中宏觀尺度信號反映了整個攪拌釜的宏觀穩(wěn)定性，介尺度則反映了不同相態(tài)之間的相互作用。氣液體系微觀尺度信號是液體不規(guī)則運(yùn)動的表現(xiàn)，而液固體系和氣液固體系的微觀尺度信號則代表了固體的運(yùn)動特征。
　　 對氣液體系，獲得了代表氣液體系運(yùn)動的特征信號頻段G1(d4、d5、d6頻段)，針對聲波特征信號頻段能量隨攪拌轉(zhuǎn)速的規(guī)律性交化，得出了攪拌釜泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的聲波

6、測量判據(jù)，即聲能量分率快速增加并開始趨于穩(wěn)定時所對應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。以空氣.水體系為例，考察了不同靜液位高度和通氣量下的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速隨通氣量的增加而增加，隨靜液位高度的增加而減小。與目測法相比，聲波法測量值的平均相對誤差為2.62％，優(yōu)于傳統(tǒng)的功耗法。
　　 對液固體系，發(fā)現(xiàn)聲信號的算法復(fù)雜性C(n)隨攪拌轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)規(guī)律性變化，由此得出了臨界懸浮轉(zhuǎn)速的聲波測量判據(jù)，即體系算法復(fù)雜性快速減少并開始趨于穩(wěn)定時所對應(yīng)的攪

7、拌轉(zhuǎn)速為臨界懸浮轉(zhuǎn)速。以水-玻璃珠體系為例，聲波測量值與經(jīng)典的Zweitering臨界懸浮轉(zhuǎn)速計(jì)算公式計(jì)算值相比，平均相對誤差為5.90％，并在多層槳攪拌釜內(nèi)進(jìn)一步考察了不同固體濃度下的聲發(fā)射信號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臨界懸浮轉(zhuǎn)速隨固體體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。
　　 2.將之前獲得的特征轉(zhuǎn)速判據(jù)拓展到氣液固體系，分析了不同操作條件下的特征轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，并對氣液體系的氣體濃度分布和液固體系的固體濃度分布規(guī)律進(jìn)行了研究，分別建立了氣體濃度和固體濃

8、度分布的聲波預(yù)測模型。
　　 氣液固體系研究表明氣體的通入有利于固體顆粒的懸浮，因此臨界懸浮轉(zhuǎn)速減小，但固體的存在不利于氣體的有效分散，所以泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速增大。此外，相同條件下的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于臨界懸浮轉(zhuǎn)速，意味著氣體分散比固體懸浮要耗費(fèi)更多能量。
　　 針對氣液體系氣體濃度沿攪拌釜軸向的分布和液固體系固體濃度沿軸向分布的測量，結(jié)合聲發(fā)射信號，分別建立了氣體濃度分布的聲波預(yù)測模型和固體濃度分布的聲波預(yù)測模型。對氣體濃度分布，模型

9、的預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.90、ARD小于1.78％、RMSEP小于2.25％；而對于固體濃度分布，模型預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.93、ARD小于0.87％、RMSEP小于1.03％。
　　 3.利用電導(dǎo)探針，獲得了多層槳攪拌釜內(nèi)氣液體系和氣液固三相體系的氣含率分布規(guī)律，并結(jié)合水聽器測量，建立了氣含率的水聽器預(yù)測模型。
　　 氣含率在多層槳攪拌釜內(nèi)存在規(guī)律性分布，即在上層槳和下層槳端部氣含率最高，而中層槳處氣含

10、率較低。此外全釜平均氣含率隨通氣量的增大而增大，隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而趨于均勻，但攪拌釜底部壁面區(qū)域氣含率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全釜平均氣含率。
　　 與此同時，采用水聽器技術(shù)分別檢測了氣液攪拌釜和氣液固攪拌釜內(nèi)的氣含率，并建立了基于水聽器信號的氣含率預(yù)測模型。對氣液體系，預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.91、ARD小于1.12％、RMSEP小于1.36％，對氣液固體系，預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.91、ARD小于0.95％、RMSEP小于1.2

11、3％，均具有較好的預(yù)測結(jié)果。
　　 4.利用取樣法，獲得了多層槳攪拌釜內(nèi)液固體系和氣液固三相體系固含率分布規(guī)律，并結(jié)合水聽器測量，建立了固含率的水聽器預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)水聽器能夠同時檢測多相體系的固含率和氣含率。
　　 取樣法結(jié)果表明，固體顆粒呈現(xiàn)上層槳和下層槳槳端部分固體含量較高，而中層槳處含量較低的規(guī)律性分布，并在攪拌釜底部壁面處存在沉積帶，全釜平均固含率隨加入固體量的增多而增大，隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而趨于均勻。
　　

12、 對不同體系下的水聽器信號經(jīng)小波分解之后的能量對固含率進(jìn)行PLS回歸，建立了固含率的預(yù)測模型。對液固體系，預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.9、ARD小于2.09％、RMSEP小于1.52％，對氣液固體系，預(yù)測值與真實(shí)值之間的R大于0.89、ARD小于1.02％、RMSEP小于1.73％。
　　 5.針對淤漿法聚乙烯工藝的多層攪拌槳在氣液體系、液固體系和氣液固體系下的分散性能存在著不良分布的現(xiàn)狀，結(jié)合漿液法聚乙烯工藝的特點(diǎn)，利用近