静电流化床中流体力学特性的调控机制研究

发布时间：2020-02-27 05:37

【摘要】：静电普遍存在于烯烃聚合、煤燃烧及生物质燃烧等涉及气固流化床的工业过程中。这种存在静电的气固流化床反应器称之为静电流化床反应器。在静电流化床中,荷电颗粒在自生电场或外加电场中受到的静电力会产生正反两方面的作用,有害之处在于会诱发黏壁结块,妨碍装置的长周期稳定运行,有利之处在于可以改善颗粒运动状态,强化气固流动和热质传递过程。如何利用静电流化床内颗粒荷电这一固有属性来调控床内的流体力学行为,达到过程强化和化害为利的目标,具有重要的理论研究意义及应用价值。外加电场和自生电场是利用静电调控静电流化床中的流体力学行为的两种有效方式。虽然外加电场流化床的概念早在二十世纪中期就被提出,但是由于对静电现象的认识不足和检测表征手段的缺乏,现有研究在分析外加电场中颗粒受力时仅考虑极化力,研究了外加电场对流化床的“稳定”作用及气泡行为的调控作用。近年来,对外加电场作用下纳米颗粒流态化的研究已发现库仑力也会显著影响纳米颗粒的流化特性。虽然,纳米流态化与本文研究的一般流态化并不相同,但从库仑力的角度进行分析,有望揭示外加电场对静电流化床中流体力学行为的影响规律和调控机制。此外,现有研究已经发现静电流化床中自生电场对荷电颗粒的静电力可以控制细粉扬析,但是其作用机制尚不明晰。因此,本文以静电流化床作为研究对象,采用声发射检测、压力脉动检测、荷质比检测等多种检测技术,研究了外加电场对静电流化床中气泡和颗粒聚团等介尺度结构、颗粒运动模式、颗粒粘壁的影响规律和作用机制；并结合CFD-DEM模拟方法,研究了静电流化床内自生电场对颗粒扬析的调控机制。本研究期望为调控静电流化床中的流体力学行为提供指导,从而达到过程强化的目的。论文主要开展了以下四方面工作：1.研究了直/交流外加电场对静电流化床中气泡及颗粒聚团等介尺度结构的影响规律,揭示了外加电场对静电流化床内介尺度结构的作用机制,即库仑力与极化力的竞争机制。在由床层中心指向床层壁面的错流外加直流电场中,库仑力在低的电场强度下使得带负电的流化床层受到压缩,床层乳化相空隙率减小,气泡尺寸增加；而极化力在高的电场强度下使得颗粒聚团,从而破碎气泡,导致气泡尺寸减小。在错流外加交流电场中,极化力仍会在高的电场强度下使得颗粒聚团,气泡尺寸减小；但库仑力并不会使流化床层中乳化相的空隙率发生变化,进而影响气泡尺寸。外加交流电场中的库仑力使得颗粒发生钟摆运动,从而抑制了极化力的团聚效应,使得二者的临界电场强度往更高的电场强度移动。2.研究了直/交流外加电场对静电流化床中颗粒运动的影响规律及作用机制。外加直流电场中,低强度电场作用下的库仑力是影响颗粒运动的主导机制,而高强度电场作用下的极化力是影响颗粒运动的主导机制,因此,外加直流电场的方向会影响低强度外加直流电场的调控作用,而不会影响高强度外加直流电场的调控作用。外加交流电场中,库仑力抑制了极化力的作用,使得库仑力始终是影响颗粒运动的主导机制。在本文的实验条件下,由床层壁面指向床层中心的外加直流电场在0-1.0kV/cm的场强范围内使得颗粒的活跃程度降低,颗粒与壁面的接触角增加,颗粒的径向运动增强而轴向运动减弱;而此强度范围内由床层中心指向床层壁面的外加直流电场则使得流化颗粒的活跃程度增加,颗粒-壁面的接触角减小,颗粒的轴向运动增强而径向运动减弱；大于等于1.5kV/cm的任一方向外加直流电场总是使得颗粒的活跃程度降低,床层中下部颗粒与壁面的接触角增加,颗粒的径向运动增强而轴向运动减弱。而在本文研究的电场强度范围内(0-2.5 kV/cm),外加交流电场总是使得静电流化床内的颗粒活跃程度增加,颗粒与壁面的撞击角增加,颗粒的径向运动增强。3.研究了直/交流外加电场对静电流化床中床层粘壁的影响规律,发现外加电场中床层黏壁受颗粒与壁面之间的正应力、镜像力以及径向库仑力和极化力的耦合控制。在外加直流电场中上述四种作用力之间存在协同竞争作用,当电场方向由床层壁面指向床层中心时,床层粘壁量随着电场强度的增加而增加；当电场方向由床层中心指向床层壁面时,床层粘壁量随着电场强度的增加先减小后增加。在外加交流电场中,颗粒与壁面之间的正应力是影响床层粘壁量的主导作用力。随着电场强度的增大,荷电颗粒受到的正应力增加,床层粘壁量降低。研究结果表明,外加交流电场是调控床层粘壁的首选方式。在本文的实验条件下,2.5 kV/cm的外加交流电场使得床层粘壁量减少了57%。此外,研究了结块对感应静电势信号的影响,提出了一种基于静电感应信号的结块检测方法。结片下落至流化床的上、中、下部均会影响床层原有的颗粒浓度分布,并改变颗粒的表面电荷,从而引起对应位置感应静电势信号出现“V”型特征波动,这种“V”型波动可作为特征信号用于静电流化床中的结片检测。同时,存在于床层下部与颗粒一起流化的结块有可能进入检测电极的敏感区使得感应静电势发生极性翻转,且标准偏差降低,这些特征变化可用于检测静电流化床中的流化结块,并进一步用于捕捉流化结块。4.采用CFD-DEM模拟的方法研究了静电流化床内自发电场对细颗粒扬析的影响规律,发现了静电导致的床层料位高度和自由空间上部细颗粒上升速度的增加对扬析的促进作用,以及静电导致的颗粒聚团对细颗粒扬析的抑制作用,揭示了颗粒团聚主导进而抑制细颗粒扬析的作用机制。
【图文】：

可レNB通过静电探头检测得到Ｐ２，５０－５２］。静电探头通常由检测电极与检测回路构成，逡逑检测回路决定了由此探头检测得到的信号种类。依据检测过程中电极是否与流化逡逑颗粒接触又可将静电探头分为接触式静电探头与感应式静电探头。图２．６分别给逡逑出了常见的棒状接触式静电探头ｔｓｗ和棒状感应式静电探头口邋１的结构，由该图可逡逑知，其区别在于探头的顶端是否有绝缘物质包裹。除了图２．６所示的棒状静电探逡逑头之外，还有研究者在流化床静电实验中采用了具有环形电极或者弧形电极口邋４－Ｍｌ逡逑的静电探头，这些静电探头的原理均与棒状探头类似，仅仅是电极的形式不同。逡逑相比于棒状电极，环形或者弧形电极一般紧贴于反应器内壁面戎外壁面，，对流化逡逑床内流场的干扰较小。但同样由于其仅能安装于壁面，因此无法采用此探头获得逡逑流化床内静电的咨向分布。逡逑相化于荷质比检测，基于静电探头的静电势和静电流检测仅仅是获得了流化逡逑床内静电水平的相对大小

度大于此计算值。静电流化宋中结块检测实验中所采用的聚乙靖颗粒（标记为Ｐ２）逡逑为筛分后的聚乙婿颗粒，粒径分布范围为４５０－９００＾ｍｌ，经降速法测得其起始流化逡逑速度为０．２２ｍ／ｓ。经马尔文激光粒度仪测得这两种颗粒的粒径分布如图３．３所示。逡逑１６邋－逦？逦Ｐ，逡逑？邋？逦—Ｐ；逡逑《１２邋－邋？邋＇？逡逑0逡逑Ｉ邋’逦？逡逑ｔ邋８邋－逦？’逦＼逡逑１．１＇邋＞、．＇逡逑Ｉ邋４邋－逦■逡逑■逡逑０邋ｍｍａｒ逦？——？———ｉ邋———■—逡逑．逦Ｉ逦．逦Ｉ逦．逦Ｉ逦．逦Ｉ逦．逦Ｉ逦．逡逑０逦５００逦１０００逦１５００逦２０００逦２５００逦３０００逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ邋（ｙｍ）逡逑西３．３聚乙e颗粒的粒径分布逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３邋Ｊ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ邋ｄｉｓｔｒ化ｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＰＥ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．逡逑静电流化床内结块检测实验中采用的结块为与流化颗粒同一牌号聚乙炼生逡逑产过程中产生的结块，同样由中国石化天津分公司提供，其具体形状见图３．４。逡逑图３．４（ａ）所示为流化床壁面产生的大结块，又被成为结片，其为密实的类长方体逡逑型结构，尺寸约为ｌＯＯ＾ＯｘｌＯｍｍ，重约为３０．８１ｇ；图３．４（的所示的为流化床内逡逑部热点导致产生的小结块，其为疏松的类球型结构，直径约为１６ｍｍ，重约１．９２逡逑ｇ。逡逑Ｗ逦■逡逑图３．４结块实物图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３．４邋Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ．逡逑Ａｔｍｅｒ邋１６３是一种常见的商用液体抗静电剂，其主要成分为烧基胺聚氧乙巧逡逑鞋
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.13


本文编号：2583199