王蕾，陳東輝，杜長(zhǎng)河，李洪偉，洪文鵬

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

流化床是一種典型的氣固兩相流反應(yīng)器，它能使固體顆粒利用氣體在床內(nèi)懸浮達(dá)到流化的狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于固體干燥、燃燒、藥品生產(chǎn)等工業(yè)過(guò)程中。流化床中流化效果的提高有利于節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率，所以提高流化效果的方法被不斷探索。目前對(duì)于流化效果提高主要包括優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、聲場(chǎng)激勵(lì)[1-2]、機(jī)械振動(dòng)[3]等方法。其中，將脈沖氣流加入到流化床中，能夠起到強(qiáng)化流化床內(nèi)換熱的效果，使換熱系數(shù)和熱效率得到提高；也能提高流化質(zhì)量，減少生產(chǎn)過(guò)程中溝流、結(jié)片等異?，F(xiàn)象的發(fā)生。因此，脈沖氣流成為一種簡(jiǎn)單、有效的強(qiáng)化手段。

脈沖燃燒干燥器是典型的脈沖氣流反應(yīng)器。Hanby[4]對(duì)氣體燃料脈沖燃燒器的傳熱特性進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流會(huì)影響燃燒器中速度振幅以及平均速度的大小，傳熱系數(shù)取決于兩者的比值大小，傳熱系數(shù)最高時(shí)可達(dá)到平穩(wěn)流化床傳熱系數(shù)的2.5倍。Karamercan等[5]通過(guò)管內(nèi)脈沖氣流的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于雷諾數(shù)不同的流體進(jìn)行傳熱系數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流的條件下傳熱系數(shù)較正常的提高了60%～70%。Massimilla等[6]在脈沖干燥器上對(duì)小麥等物料進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)脈沖干燥器的干燥性能要高于傳統(tǒng)的流化床和固定床。Nitz 等[7]對(duì)新鮮菜豆進(jìn)行對(duì)流干燥實(shí)驗(yàn)研究，將常規(guī)流化床與脈沖流化床結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)脈沖所提供的減少的氣流速率并沒(méi)有降低干燥速率。黃穎等[8]對(duì)脈動(dòng)流化床氣泡特性進(jìn)行了二維冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)氣流可以有效減小氣泡大小，從而促進(jìn)氣固兩相之間的接觸。Li等[9]建立了混合脈沖流化床干燥顆粒實(shí)驗(yàn)裝置，與CFD-DEM 數(shù)值模擬方法結(jié)合對(duì)混合脈沖流化床的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明顆粒在混合脈沖流化床中表現(xiàn)出有規(guī)律的周期性運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)了顆粒的流化效果。KhosRavi等[10]對(duì)脈沖流化床的水動(dòng)力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，表明隨著脈動(dòng)頻率的增加，平均床層壓降更接近連續(xù)氣流；脈沖氣流降低了微流化速度，增強(qiáng)了微顆粒的流化。Li等[11]分析了表觀氣速、脈動(dòng)頻率和粒徑對(duì)氣泡特性和床層膨脹的影響，結(jié)果表明高密度脈沖氣固流化床能夠有效地將氣固兩相結(jié)合，產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的混合物。Simler等[12]使用離散單元法對(duì)于脈沖流化床中顆粒氣泡特性以及床層的壓降變化進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)脈沖流化床中無(wú)論是加入方波還是正弦波都會(huì)使床內(nèi)固體顆粒的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。Li等[13]通過(guò)CFD模擬脈沖流化床，并對(duì)其特性進(jìn)行探究，證實(shí)脈沖氣流的加入會(huì)提高顆粒的流化質(zhì)量，減少騰涌、結(jié)塊、溝流等惡性現(xiàn)象的發(fā)生。

目前對(duì)于脈沖流化床的研究，大多是對(duì)脈沖燃燒器和脈沖流化床干燥器的研究，以及對(duì)床內(nèi)傳熱特性、氣泡特性等的研究，脈沖氣流在其他領(lǐng)域的應(yīng)用并沒(méi)有得到充分拓展。脈沖氣流產(chǎn)生的振動(dòng)能量能夠有效抑制烯烴反應(yīng)器中由于靜電而產(chǎn)生的顆粒團(tuán)聚、結(jié)片等現(xiàn)象；并且在烯烴反應(yīng)器中，由于反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的靜電信號(hào)，這部分靜電信號(hào)蘊(yùn)含著豐富的顆粒運(yùn)動(dòng)信息，如何使用烯烴流化床產(chǎn)生的靜電信號(hào)獲得顆粒相關(guān)參數(shù)具有重要意義。因此，本文針對(duì)烯烴反應(yīng)器中顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)搭建烯烴流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從靜電信號(hào)的角度研究了脈沖氣流對(duì)于流化床特性的影響。通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)工況下靜電信號(hào)的分析，探究流化床內(nèi)部氣泡尺寸的變化，并估算出氣泡尺寸。此外，探究了脈沖頻率及脈沖進(jìn)氣風(fēng)速對(duì)烯烴流化床內(nèi)顆粒團(tuán)聚體的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，流化床床體為圓柱形，直徑為0.28m，高度為1m。實(shí)驗(yàn)中使用的物料為聚乙烯顆粒，平均直徑為28 目，約為600μm，實(shí)際測(cè)得聚乙烯顆粒的堆積密度為298kg/m3。每次實(shí)驗(yàn)前先將物料進(jìn)行篩選。保證顆粒的床層堆積高度為0.1m，所用顆粒質(zhì)量約為1.9kg。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將羅茨鼓風(fēng)機(jī)打開，開啟空氣預(yù)熱器預(yù)熱5min 后全部關(guān)閉。然后將預(yù)先干燥好的聚乙烯顆粒堆積在床層底部；設(shè)定好數(shù)據(jù)采集器后再次打開風(fēng)機(jī)及空氣預(yù)熱器；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)NI 數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為512Hz，數(shù)據(jù)每間隔5min 采集一次，設(shè)置總采樣時(shí)間為30min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空氣經(jīng)過(guò)羅茨鼓風(fēng)機(jī)壓縮進(jìn)入管道，左側(cè)為平穩(wěn)氣流，右側(cè)管路由電磁閥控制產(chǎn)生脈沖氣流，兩股氣流耦合后進(jìn)入到空氣預(yù)熱器中。溫度控制柜設(shè)定預(yù)熱器溫度，氣體在預(yù)熱器內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱后進(jìn)入流化床。流化床出口位置的溫濕度記錄儀用來(lái)監(jiān)測(cè)流化床出口的溫、濕度變化情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中顆粒流動(dòng)產(chǎn)生靜電信號(hào)，通過(guò)靜電傳感器進(jìn)行測(cè)量。

1.2 靜電傳感器工作原理

靜電傳感器如圖2 所示，主要由三部分組成：第一部分為用于測(cè)量流化床內(nèi)顆粒流動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的環(huán)式電極，鑲嵌于管壁內(nèi)部，暴露于流動(dòng)介質(zhì)中。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，性價(jià)比高，測(cè)量得到的空間靈敏度較高。第二部分是轉(zhuǎn)換模塊，首先通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊將感應(yīng)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大電路預(yù)放大處理。放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波模塊濾去高頻率信號(hào)，同時(shí)濾波模塊自帶增益效果，再次放大電壓信號(hào)。流化床內(nèi)顆粒流動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)換，兩次放大處理后由NI數(shù)據(jù)采集卡收集，最終存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)分析處理使用。

圖2 靜電傳感器工作原理

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)流化床中顆粒靜電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。由于感應(yīng)電流比較微小，對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程的要求都比較高，因此實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差主要包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電壓變化、環(huán)境干擾、人為因素。系統(tǒng)誤差通過(guò)一定的方法可以再現(xiàn)出來(lái)。因此可以通過(guò)理論分析結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證找到系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因，盡量減少系統(tǒng)誤差的生成，同時(shí)對(duì)無(wú)法消除的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。

通過(guò)靜電傳感器實(shí)現(xiàn)靜電信號(hào)的測(cè)量，靜電傳感器使用的電子模塊為轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊及濾波模塊。通過(guò)實(shí)際測(cè)量設(shè)置好各模塊的參數(shù)，其中放大模塊放大倍數(shù)為63 倍，限壓12V；濾波模塊放大倍數(shù)為50，限壓10V，截止頻率500Hz。所使用的模塊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較高，適用于1MHz以內(nèi)的信號(hào)處理。

根據(jù)使用要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的部分參數(shù)進(jìn)行測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)比分析。通過(guò)在流動(dòng)方向平行安裝兩組感應(yīng)電極，將兩電極間距設(shè)為L(zhǎng)，信號(hào)在兩電極間的渡越時(shí)間為τ，則顆粒測(cè)量速度為v=L/τ。當(dāng)顆粒流經(jīng)電極時(shí)，荷電顆粒會(huì)在感應(yīng)電極處形成感應(yīng)電流。當(dāng)顆粒流動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生變化時(shí)，兩電極檢測(cè)到的信號(hào)波動(dòng)也是相同的，只是存在一定的相位延遲。因此可將下游電極的靜電信號(hào)波動(dòng)視為上游電極的時(shí)延信號(hào)，理論速度則是通過(guò)兩個(gè)傳感器波形分析，找到波形近似的點(diǎn)的時(shí)間差減去渡越時(shí)間τ進(jìn)行計(jì)算。

顆粒荷質(zhì)比使用均方根估算法進(jìn)行估算。靜電信號(hào)發(fā)生器在靜電傳感器中心處產(chǎn)生定量的電荷，由靜電傳感器測(cè)得靜電信號(hào)最終轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，建立電壓信號(hào)和靜電傳感器之間的關(guān)系。再由實(shí)驗(yàn)測(cè)量流化床中顆粒的靜電信號(hào)的均方根估算出傳感器處電荷量的大小，最終計(jì)算出顆粒的荷質(zhì)比。

通過(guò)計(jì)算獲得傳感器截面的相對(duì)速度和顆粒荷質(zhì)比。通過(guò)在傳感器位置直接傾倒顆粒，計(jì)算顆粒的實(shí)時(shí)速度，與理論值作對(duì)比，獲得系統(tǒng)誤差對(duì)顆粒速度的影響規(guī)律，結(jié)果如表1所示。對(duì)于顆粒荷質(zhì)比，可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)床內(nèi)顆粒取樣，通過(guò)法拉第筒直接測(cè)量顆粒的荷質(zhì)比，并與靜電傳感器測(cè)量結(jié)果對(duì)比，找出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差并進(jìn)行修正，結(jié)果如表2。

表1 理論速度與測(cè)量速度對(duì)比結(jié)果

表2 法拉第筒法和靜電法測(cè)量顆粒的荷質(zhì)比對(duì)比結(jié)果

從表1、表2 的實(shí)際測(cè)量值與理論值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在一定的系統(tǒng)誤差。在相對(duì)速度測(cè)量上，靜電法測(cè)得相對(duì)速度比理論值要小一些，偏差范圍在0.05～0.18m/s。而荷質(zhì)比測(cè)量上，由于環(huán)式感應(yīng)電極測(cè)量的是整個(gè)床層截面的顆粒荷質(zhì)比，而法拉第筒測(cè)量的是壁面附近顆粒的荷質(zhì)比。顆粒在流化床內(nèi)流化過(guò)程中，顆粒濃度分布極不均勻，床層內(nèi)各部分?jǐn)y帶的電荷量不同。所以由靜電法估算出的顆粒荷質(zhì)比要比法拉第筒法測(cè)得值偏大一些，對(duì)比法拉第筒法偏差在5%～9%之間。

為了消除實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均與理論值通過(guò)最小二值法擬合出修正系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)誤差修正。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電信號(hào)來(lái)源的確定

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量到的靜電信號(hào)來(lái)源比較多，主要為顆粒流動(dòng)及周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)，因此有必要對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中靜電信號(hào)波動(dòng)來(lái)源進(jìn)行分析。不同信號(hào)的振動(dòng)頻率不同，在頻譜圖上的位置也就不同。為了確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中功率譜密度函數(shù)（PSDF）中波峰信號(hào)的來(lái)源，設(shè)置兩組對(duì)比工況與正常流化時(shí)的功率譜密度函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分別為正常通入空氣但不放置顆粒的空柱床以及僅放置顆粒不通入空氣的固定床兩組工況，結(jié)果如圖3。

對(duì)工況中的靜電信號(hào)來(lái)源進(jìn)行對(duì)比，正常流化下的靜電信號(hào)來(lái)源主要有顆粒流動(dòng)產(chǎn)生的靜電信號(hào)、氣體流動(dòng)產(chǎn)生的靜電信號(hào)及環(huán)境擾動(dòng)，空柱床中信號(hào)的來(lái)源為氣體流動(dòng)及環(huán)境擾動(dòng)，而固定床中僅有環(huán)境擾動(dòng)信號(hào)。通過(guò)上述對(duì)比，在功率譜密度函數(shù)圖中確定出流化床內(nèi)由顆粒流動(dòng)引起的波峰頻段。從圖3中可以看出，在140Hz位置處僅在正常工況下的流化床中出現(xiàn)波峰，而另外兩組對(duì)比工況未出現(xiàn)。

圖3 流化床、固定床和空柱床的功率譜密度函數(shù)圖

為了保證對(duì)顆粒流動(dòng)引起的信號(hào)分析充分，這里將三者相同的波動(dòng)頻段確定為環(huán)境擾動(dòng)信號(hào)。將頻譜圖分為三部分：低于85Hz的波動(dòng)為低頻擾動(dòng)，高于235Hz為高頻擾動(dòng)，由流化床內(nèi)顆粒流體力學(xué)特性引起的波動(dòng)介于85～235Hz之間。

2.2 脈沖氣流對(duì)氣泡特性的影響

本文實(shí)驗(yàn)在平穩(wěn)氣流的基礎(chǔ)上加入了脈沖氣流，在保證平穩(wěn)氣流端進(jìn)氣風(fēng)速大于臨界流化風(fēng)速的基礎(chǔ)上，改變脈沖參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)得臨界流化速度Umf=0.47m/s。

Wang 等[14]和Gui 等[15]的研究表明，設(shè)置脈沖氣流時(shí)，脈沖風(fēng)速要大于平穩(wěn)風(fēng)速，否則顆粒在流化時(shí)將產(chǎn)生不活躍階段，從而影響流化效果。在前4組實(shí)驗(yàn)工況中，保持總進(jìn)氣風(fēng)速Ua為0.72m/s，平穩(wěn)氣流風(fēng)速Us為0.61m/s，脈沖氣流進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Up為0.11m/s，將脈沖氣流頻率由0.05Hz 增加到2.5Hz，測(cè)得4組工況下的靜電信號(hào)，進(jìn)行功率譜密度函數(shù)分析，結(jié)果如圖4。在功率譜密度函數(shù)圖中，波峰的變化主要是因?yàn)榇矁?nèi)顆粒氣泡行為發(fā)生改變。隨著頻率的增加，氣泡的聚并、破碎頻率在不斷增加，氣泡數(shù)量增加，但是氣泡的尺寸有所降低，即氣泡越來(lái)越小。功率譜密度函數(shù)中，主頻位置對(duì)應(yīng)著氣泡尺寸，當(dāng)主頻增大時(shí)，床內(nèi)顆粒氣泡尺寸減小。功率譜中主峰的帶寬對(duì)應(yīng)著氣泡分布情況，頻帶越寬，說(shuō)明床中氣泡的分布范圍更廣，氣泡尺寸更加多樣。

流化開始10min后，顆粒流態(tài)化較完全，選取15～20min 的靜電信號(hào)進(jìn)行分析。從圖4 中可以看到，4 組工況在85～235Hz 之間均出現(xiàn)了明顯的波峰。脈沖頻率為0.05Hz 時(shí)，主頻最小，說(shuō)明此時(shí)氣泡尺寸最大。隨著脈沖頻率的增大，主頻出現(xiàn)了右移現(xiàn)象，說(shuō)明床內(nèi)顆粒氣泡尺寸減小。當(dāng)脈沖頻率為0.5Hz 時(shí)，主頻最大，此時(shí)顆粒氣泡尺寸最小。繼續(xù)增加脈沖頻率，氣泡尺寸反而增大。

圖4 Ua=0.72m/s、Up=0.11m/s時(shí)不同脈沖頻率下PSDF圖

在5～7組工況中，保持脈沖頻率為0.5Hz不變，改變脈沖氣流與平穩(wěn)氣流之間的配比。同樣選取穩(wěn)定流化后的15～20min進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到，三組工況下的功率譜密度函數(shù)圖的主峰均出現(xiàn)在145Hz位置處，說(shuō)明三組工況下的顆粒氣泡尺寸一致。隨著脈沖氣流風(fēng)速的增加，功率譜密度圖中波峰的帶寬略有增加，此時(shí)床內(nèi)氣泡尺寸變得多樣。圖5中頻譜主峰振幅的大小反映的是對(duì)靜電信號(hào)波動(dòng)強(qiáng)度的影響程度，而靜電信號(hào)的波動(dòng)又由氣泡的破裂引起。由圖5看出，隨著脈沖氣流的增加，頻譜的主峰振幅大小也逐漸增大。隨著氣泡帶動(dòng)顆粒上升循環(huán)速率的增大，氣泡破裂對(duì)靜電信號(hào)瞬時(shí)波動(dòng)提供的能量多，所以主峰振幅變大。

圖5 Ua=0.72m/s、f=0.5Hz時(shí)不同脈沖進(jìn)氣風(fēng)速下PSDF圖形

通過(guò)以上討論，發(fā)現(xiàn)脈沖能量對(duì)于流化床內(nèi)烯烴顆粒的作用主要體現(xiàn)在顆粒氣泡尺寸的變化情況。當(dāng)脈沖能量作用于顆粒時(shí)，顆粒形成的氣泡尺寸會(huì)減小，脈沖能量的作用效果主要體現(xiàn)在脈沖頻率上。

2.3 基于靜電信號(hào)的氣泡尺寸估算

設(shè)靜電信號(hào)時(shí)間序列在流化床內(nèi)部的電極處的功率譜密度函數(shù)為φxx，表示為式(1)。在流化床出口位置電極的靜電信號(hào)功率譜密度函數(shù)為φyy，表示為式(2)。

由兩者的信號(hào)來(lái)源分析，流化床內(nèi)部所接收的靜電信號(hào)主要由兩部分構(gòu)成：一部分是由于顆粒流化所產(chǎn)生的靜電信號(hào)；另一部分則是周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾信號(hào)。而流化床出口位置設(shè)置的電極主要用來(lái)接收環(huán)境產(chǎn)生的靜電信號(hào)。兩個(gè)時(shí)間序列的交叉功率譜密度φxy表示為式(3)。

兩個(gè)時(shí)間序列的共同特征系數(shù)表示為式(4)[16]。

相關(guān)功率譜密度函數(shù)COPxy表示為式(5)。

非相關(guān)功率譜密度函數(shù)IOPxy表示為式(6)。

非相干功率譜系數(shù)則表示為式(7)。

由內(nèi)部電極的靜電信號(hào)的功率譜密度函數(shù)的顆粒氣泡尺寸Db估算公式表示為式(8)。

基于上述原理，對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行氣泡尺寸估算。保持總進(jìn)氣風(fēng)速Ua為0.81m/s，平穩(wěn)氣流進(jìn)氣風(fēng)速Us為0.72m/s，脈沖氣流進(jìn)氣風(fēng)速Up為0.09m/s，逐漸增大脈沖頻率，具體工況設(shè)置如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。逐漸增大脈沖頻率時(shí)，氣泡尺寸快速減小。當(dāng)脈沖頻率為0.5Hz時(shí)，氣泡尺寸減小到了一個(gè)較低值。當(dāng)脈沖頻率較大時(shí)，氣泡尺寸反而有所增加。

圖6 Ua=0.81m/s、Up=0.09m/s時(shí)不同脈沖頻率氣泡估算

表3 氣泡尺寸估算的脈沖頻率工況

保持總進(jìn)氣風(fēng)速Ua為0.81m/s，脈沖頻率f為0.5Hz 不變，逐漸加大進(jìn)風(fēng)處的脈沖氣流進(jìn)風(fēng)量，具體工況設(shè)置如表4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表4 氣泡尺寸估算的脈沖進(jìn)氣配比工況

從圖7中可以看到，開始加入脈沖氣流時(shí)，氣泡尺寸出現(xiàn)快速下降的一個(gè)階段，此時(shí)脈沖作用效果逐漸發(fā)揮作用；當(dāng)脈沖進(jìn)氣風(fēng)速達(dá)到0.05m/s 左右時(shí)，氣泡尺寸基本穩(wěn)定；之后無(wú)論脈沖風(fēng)速增加到多大值，氣泡尺寸均在6～8mm之間波動(dòng)。

圖7 Ua=0.81m/s、f=0.5Hz時(shí)不同脈沖進(jìn)氣風(fēng)速的氣泡尺寸估算

上述結(jié)果與圖4、圖5 中對(duì)流化床內(nèi)靜電信號(hào)的功率譜密度函數(shù)分析結(jié)果相同，均證明了脈沖氣流的加入會(huì)使氣泡的尺寸減小，說(shuō)明使用靜電法估算氣泡尺寸的方法可行。

2.4 脈沖氣流對(duì)團(tuán)聚現(xiàn)象的影響

在流化床烯烴反應(yīng)器中，由于靜電現(xiàn)象的存在導(dǎo)致顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。為了測(cè)定脈沖氣流對(duì)烯烴反應(yīng)器團(tuán)聚現(xiàn)象所起的作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定團(tuán)聚顆粒的實(shí)際質(zhì)量，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接評(píng)定脈沖氣流對(duì)烯烴反應(yīng)器團(tuán)聚現(xiàn)象的影響結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中溫度、濕度等不能控制完全相同，所以即使同一脈沖條件，團(tuán)聚顆粒質(zhì)量也會(huì)存在差異。將稱重的實(shí)際質(zhì)量與之前討論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這種差異不影響總體變化趨勢(shì)。

為了獲得流化過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象的聚乙烯顆粒。在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)聚乙烯顆粒進(jìn)行篩選，留下粒徑為600μm 左右的顆粒作為實(shí)驗(yàn)所用物料。對(duì)聚乙烯顆粒充分流化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)物料在流化床中倒出，再次對(duì)實(shí)驗(yàn)后的物料篩選。將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚的顆粒篩出并稱重記錄。在探究脈沖氣流頻率參數(shù)對(duì)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的影響實(shí)驗(yàn)中，保持總進(jìn)氣風(fēng)速Ua為0.79m/s、平穩(wěn)氣流進(jìn)氣風(fēng)速Us為0.72m/s、脈沖氣流進(jìn)氣風(fēng)速Up為0.07m/s，改變脈沖頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

不同脈沖頻率下的團(tuán)聚顆粒質(zhì)量如表5 所示。當(dāng)脈沖頻率為0Hz時(shí)，此時(shí)僅平穩(wěn)氣流進(jìn)風(fēng)，團(tuán)聚顆粒質(zhì)量為7.6g。隨著脈沖頻率逐漸增加到0.5Hz時(shí)，團(tuán)聚顆粒質(zhì)量下降到2.9g 左右，達(dá)到最小值，說(shuō)明此頻率對(duì)于團(tuán)聚現(xiàn)象的改善效果最為顯著。在加入不同頻率的脈沖氣流后，團(tuán)聚顆粒質(zhì)量都比0Hz時(shí)的小，說(shuō)明脈沖氣流的加入能夠有效抑制流化過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象。

表5 不同脈沖頻率團(tuán)聚顆粒質(zhì)量

為了驗(yàn)證脈沖進(jìn)氣風(fēng)速對(duì)于團(tuán)聚現(xiàn)象的影響結(jié)果，現(xiàn)保持總進(jìn)氣風(fēng)速Ua為0.79m/s，脈沖氣流頻率f為0.5Hz，逐漸加大脈沖氣流的占比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。當(dāng)脈沖氣流進(jìn)氣風(fēng)速Up為0.02m/s時(shí)，團(tuán)聚顆粒的質(zhì)量在6.4g左右，為最大值。脈沖氣流進(jìn)氣風(fēng)速逐漸增加時(shí)，團(tuán)聚顆粒的質(zhì)量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。當(dāng)脈沖氣流進(jìn)氣風(fēng)速Up達(dá)到0.18m/s時(shí)，團(tuán)聚顆粒質(zhì)量達(dá)到最小值3.6g。所以隨著脈沖氣流進(jìn)風(fēng)速度的增加，能夠使團(tuán)聚顆粒生成質(zhì)量減少。

表6 不同脈沖進(jìn)氣風(fēng)速下團(tuán)聚顆粒質(zhì)量

3 結(jié)論

本文通過(guò)搭建烯烴流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用靜電傳感器測(cè)量流化床內(nèi)靜電信號(hào)，分析不同脈沖氣流對(duì)烯烴流化床氣泡特性的影響。得到的主要結(jié)論如下。

（1）在靜電信號(hào)的功率譜密度函數(shù)圖中，流化床中顆粒產(chǎn)生的靜電信號(hào)主要分布在85～235Hz 頻段內(nèi)，其余頻段為環(huán)境干擾信號(hào)。

（2）加入脈沖氣流后，能夠明顯減小氣泡尺寸，提高顆粒的流化效果。對(duì)比脈沖頻率和脈沖風(fēng)速這兩個(gè)操作參數(shù)，脈沖頻率對(duì)于氣泡尺寸的影響更顯著。

（3）靜電法估算氣泡尺寸的變化趨勢(shì)與功率譜密度函數(shù)圖中氣泡變化趨勢(shì)相同，由此說(shuō)明使用靜電法估算氣泡尺寸的方法可行。

（4）脈沖氣流對(duì)于烯烴反應(yīng)器中顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象起到抑制作用。在脈沖頻率為0.5Hz左右時(shí)，抑制效果最顯著；隨著脈沖氣流進(jìn)風(fēng)速度的增加，團(tuán)聚顆粒生成質(zhì)量減少。

符號(hào)說(shuō)明

Db—— 氣泡尺寸，mm

f—— 頻率，Hz

Ua—— 總進(jìn)氣風(fēng)速，m/s

Umf—— 臨界流化風(fēng)速，m/s

Up—— 脈沖風(fēng)速，m/s

Us—— 平穩(wěn)風(fēng)速，m/s

ρs—— 聚乙烯顆粒的密度，kg/m3

εmf—— 最小流化速度下的床層空隙率