气固流化床内颗粒团聚模式及调控机理的研究

摘要

颗粒聚团是流化床气相聚合反应器中典型的介尺度结构，其形成演化规律一直都是研究热点。本文创新性地使用电磁感应加热技术加热具有核壳结构的石蜡/石墨复合颗粒并控制发热速率，利用石蜡受热易粘结的特性，在冷模实验中模拟流化床反应器内的颗粒团聚过程，快速固化捕捉颗粒聚团。进而取样分析颗粒聚团质量、形貌及聚团内颗粒粒径分布，结合使用压力传感器在线检测颗粒团聚过程中床层压降、气泡直径等参数的变化，研究颗粒聚团的形成演化规律和调控机制。本文将颗粒团聚模式区分为渐变式团聚和突变式团聚，实验测定了操作参数对这两种团聚模式的影响规律，建立了描述渐变式团聚的群体平衡模型;重点研究了粒径和液含量及操作参数耦合控制下的颗粒突变式团聚行为，提出了液含量、床层温度与颗粒聚团质量的关系图，可以指导颗粒聚团的定向调控，有助于气相聚合反应器的放大设计和安全运行。本文的主要研究结论包括:
　　1.建立了基于电磁感应的气固反应模拟装置，并对其性能进行了评价，证实了电磁感应加热石蜡/石墨复合颗粒用于模拟聚合过程中颗粒反应放热的可行性。研究发现，通过改变颗粒的石蜡/石墨质量比、粒径等颗粒性质以及电磁感应加热功率等，可实现气固反应模拟装置床层温升速率的可控调节;在固定床模拟装置中，床层径向温度分布不均匀，温度由壁面向中心逐渐递减，相比固定床模拟装置，流化床模拟装置的床层温升均匀性大幅提高;石蜡/石墨复合颗粒的感应放热量范围涵盖了乙烯平均聚合热，通过电磁感应加热石蜡/石墨复合颗粒可以模拟颗粒聚合反应放热。
　　2.在基于电磁感应加热的气固反应模拟装置中，成功模拟了颗粒渐变式团聚和突变式团聚过程，获得了操作参数对颗粒渐变式团聚及突变式团聚过程的影响规律，并建立了描述渐变式团聚的群体平衡模型。研究发现，对于颗粒渐变式团聚，随着温升速率的增大、流化气速的减小，颗粒渐变式团聚速率常数增大;对于颗粒突变式团聚，随着电磁感应加热时间的延长、流化气速的减小、温升速率的增大，流化床内产生的颗粒聚团质量、尺寸以及颗粒聚团的生成速率均大幅增大。
　　3.在基于电磁感应加热的气固反应模拟装置中，实现了颗粒聚团的快速固化捕捉，建立了突变式颗粒团聚过程的表征方法，揭示了粒径对颗粒突变式团聚行为的影响规律。研究发现，当颗粒聚团生成时，同步出现整床压降下降、气泡直径变小等现象;整床压降的下降值可以用于颗粒聚团质量的定量表征;细颗粒的团聚性能优于粗颗粒，细颗粒-细颗粒团聚及细颗粒-粗颗粒团聚是发粘颗粒团聚的主要形式;粗颗粒含量低于87.5wt％时，细颗粒-细颗粒、粗颗粒-细颗粒碰撞频率高于粗颗粒-粗颗粒碰撞频率;细颗粒-细颗粒、细颗粒-粗颗粒碰撞后团聚的概率高于粗颗粒-粗颗粒。
　　4.揭示了不同操作条件下颗粒聚团质量随液含量的增大存在的三种变化规律，并提出了基于相对固桥力Fr的颗粒聚团稳定存在判据和液含量、床层温度与颗粒聚团质量的关系图，用于指导颗粒聚团的定向调控。研究发现，当固桥力大于其他作用力的合力时，固桥可稳定形成，颗粒聚团稳定存在;固桥力的相对值Fr受操作条件及液含量的影响较大，其他作用力的合力随液含量的的变化相对较小，在0.95m/s的流化气速下，固桥力与其他作用力的合力相当的区域对应的相对固桥力变化范围为6-20;不同流化气温度、流化气速、加热功率下，颗粒聚团质量随着液含量的增加存在单调增大、先增大后减小（甚至再增大）、单调减小等三种变化规律;基于相对固桥力的颗粒聚团稳定存在判据和床层温度、液含量及流化床内形成的颗粒聚团质量的关系图均可用于指导颗粒聚团的调控。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 本研究的主要工作

参考文献

第二章 文献综述

2．1 气固流化床中的颗粒团聚现象

2．1．1 流化床造粒

2．1．2 流化床燃烧

2．1．3 流化床聚合

2．2 颗粒团聚的检测方法

2．2．1 压力脉动

2．2．2 声发射技术

2．3 颗粒团聚过程的力分析

2．3．1 范德华力主导体系

2．3．2 液桥力主导体系

2．3．3 固桥力主导体系

2．4 颗粒团聚模型

2．4．1 干燥颗粒之间碰撞导致的团聚

2．4．2 湿颗粒之同碰撞导致的团聚

2．5 考虑颗粒团聚的群体平衡模型

2．5．1 群体平衡模型

2．5．2 团聚核函数

2．5．3 群体平衡模型的求解

2．6 课题的提出

参考文献

第三章 基于电磁感应加热的气固反应模拟装置的研制

3．1 气固反应模拟装置的设计

3．1．1 电磁感应加热系统

3．1．2 热敏性流化颗粒的制备

3．1．3 气固反应模拟装置

3．2 气固反应模拟装置性能评价

3．2．1 固定床模拟装置性能评价

3．2．2 流化床模拟装置性能评价

3．2．3 模拟聚合反应的可行性分析

3．3 分析方法

3．3．1 压力信号分析

3．3．2 颗粒粒径分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 气固流化床内颗粒团聚模式的实验研究

4．1 引言

4．2 颗粒团聚模式

4．3 颗粒渐变式团聚规律的实验测定及模型研究

4．3．1 实验方法

4．3．2 颗粒渐变式团聚对流化床流体力学行为的影响

4．3．3 颗粒渐变式团聚规律

4．3．4 群体平衡模型及模拟结果

4．4 颗粒突变式团聚规律的实验研究

4．4．1 实验部分

4．4．2 颗粒突变式团聚规律

4．5 本章小结

参考文献

第五章 粒径对颗粒团聚行为的影响规律

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 颗粒聚团的固化捕捉及实验表征

5．3．1 整床压降

5．3．2 聚团质量及尺寸

5．3．3 气泡直径

5．4 颗粒团聚性能与粒径的关系

5．4．1 聚团形貌、尺寸及质量

5．4．2 聚团内颗粒粒径分布

5．4．3 聚团内颗粒粒径分布随示踪颗粒含量的变化

5．4．4 颗粒碰撞团聚模型分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 持液气固流化床内颗粒团聚规律及其调控

6．1 引言

6．2 润湿颗粒的受力分析

6．2．1 液桥力的计算

6．2．2 固桥力的计算

6．3 液含量和操作参数对颗粒问作用力的影响

6．3．1 实验内容

6．3．2 液桥力

6．3．3 固桥力

6．3．4 颗粒聚团存在状态的分析

6．4 液含量和操作参数对颗粒团聚特性的影响

6．4．1 流化气温度

6．4．2 加热功率

6．4．3 流化气速

6．4．4 颗粒聚团的调控

6．5 对于气相法聚乙烯工艺中颗粒团聚的借鉴意义

6．6 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

作者简介