探析多相流体系临界现象的转变和调控

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1、浙江大学博士学位论文多相流体系临界现象的转变和调控姓名：任聪静申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：阳永荣；王靖岱201004浙江大学博士学位论文(2010)摘要在复杂多变的多相流体系中，准确检测各种操作参数的关键是如何用最佳的检测手段提取体系中的有效信息进行分析。利用反映多相流动特性的波动信号，通过从中提取出的特征信息，从而实现多相流参数的测量一直是多相流检测领域的一个研究热点。在多相流体系中，广泛存在各种临界现象，其转变方式和规律是多相流反应器的重要调控依据。因此，将各种临界现象作为一种特殊的问题加以研究，分析不同操作条件下临界现象的

2、产生和转变规律，建立波动信号与各种临界参数的直接关联，不仅极富挑战性，同时对于掌握多相流体系的流动状态以解决实际生产中涉及多相流体系的各种具体问题具有重要意义。针对多相流体系中存在的各种临界现象以及关键参数，本研究选择了具有实时在线、安全环保、简便准确、不侵入流场以及适合工业装置等恶劣外部环境特点的声发射测量技术作为手段，结合频谱分析、小波分析以及多尺度分析方法等多种分析手段，通过单通道和多通道测量方法，分析了时域和空间两个层面存在的各种临界现象，获得了多相流体系中气固两相体系和液固两相体系的关键参数与声信号存在的直接关联。首先，通过单通道随

3、时域变化的信号特征分析，建立了包括临界流化速度、临赛湍动速度、临界悬浮转速等临界参数的判断准则；其次，通过多通道随空间变化的信号特征分析，建立了包括颗粒流动结构、流化质量恶化、淤浆悬浮高度等临界现象的判断准则；最后，以多相流体系中的气固流化床为例，基于临界现象理论，针对不同颗粒流动结构的本质及其转变规律，建立了颗粒流动结构的调控依据。分别获得了包括分布板结构、布气方式、外加搅拌设备以及床结构等因素对气固体系颗粒流动结构的影响规律，提出了不同因素影响下相应的流化质量改善策略，为工业生产提供了重要依据。本论文的主要研究成果如下：1．基于单通道声发

4、射技术，研究了多相流体系中随时域变化的各种临界现象。通过分析声信号的时域特征变化，建立了各种时域临界参数的判断准则。其中包括代表气固流化床流型临界转变的临界流化速度、临界湍动速度和代表液固搅拌体系流型临界转变的临界悬浮转速。1)在气固流化床体系中，采用频谱分析，得到了气固流化床中固体颗粒碰撞壁面产生声信号的机理和特征。实验结果表明，声信号的能量和方差随气速呈现规律性的变化，能量值和方差值在临界流化速度和临界湍动速度附近均有阶跃性的增长。基于此，提出了能量比和方差比的概念，研究发现在流型临界转变处存在能量比和方差比的极值。由此，得到了基于声发射

5、技术的气固流化床中流型临界现象转变的判断依据，即当声能量比或方差比达到最大值时对应的表观气速多相流体系临界现象的转变和调控为临界流化速度，能量比或方差比达到次最大值时对应的表观气速为临界湍动速度。同时，实验考察了不同Geldart分类颗粒对流型临界转变的影响，对比分析了不同分类颗粒的流化特性。2)在液固搅拌釜体系中，结合声信号的频谱分析、小波分解和R／S分析，得到了搅拌釜反应器中固体颗粒碰撞壁面产生声信号的机理和特征。根据各小波尺度下声信号的Hurst指数变化规律，获得了液固搅拌釜中代表固体颗粒相运动特征的声信号特征频段(sl尺度)。实验结果

6、表明，声信号特征频段能量随搅拌转速呈现规律性的变化。基于此，选取特征频段的能量分率值作为特征参数，根据Sl尺度能量分率值随搅拌转速的变化规律，提出了搅拌釜反应器中流型临界转变的判断依据，即当声信号特征频段能量分率快速减少并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速为临界悬浮转速。同时，实验考察了粒径、表观浆液浓度和桨叶离底高度等操作条件对临界悬浮转速的影响规律。结果表明，临界悬浮转速随着粒径、浆液浓度和桨叶离底高度的增加而增加。2．基于多通道声发射测量技术，研究了多相流体系中随空间变化的各种临界现象。通过分析声信号的空间特征变化，建立了各种空间临界现象的

7、判断准则。其中包括代表气固流化床中流化质量临界转变的颗粒流动结构和代表液固搅拌体系两相混合均匀程度临界转变的淤浆悬浮高度。1)在气固流化床反应器中，沿壁面不同高度设置多通道声发射探头，结合声信号能量分析，得到了固体颗粒不同分布和运动方式呈现的循环流动结构。利用声信号能量的空间分布，获得了表征流化质量临界转变的流动结构的判断依据，揭示了聚乙烯流化床内存在大、小两个循环的整床流动模式，两个循环的分界即为颗粒流化滞留区域。根据声信号能量沿床高的变化规律可以确定滞留区的位置，在滞留区位置声能量存在极小值，对应为颗粒运动相对不活跃的区域，聚合物团聚和结

8、块现象容易在此区域产生。同时，通过考察不同操作条件如表观气速、颗粒粒径、静床高以及颗粒种类对颗粒流动结构临界转变的影响，得到了相应的流动结构转变规律。实验发现，除静