探索气固流化床静电分布的理论及实验研究

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1、浙江大学材料与化学工程学院博士学位论文气固流化床静电分布的理论及实验研究姓名：王芳申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：阳永荣;王靖岱20080601摘要摘要气固流化床中，颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间以及颗粒与气体之间存在反复碰撞和摩擦，若流化介质为高绝缘性物质，则不可避免地会引发静电的产生和积累。产生的静电场势必影响流化床内的流体流动行为，形成死区和沟流，并导致颗粒团聚、粘壁甚至熔融结片。当静电积累到一定程度，达到周围介质的击穿场强，还可能引起火花放电甚至爆炸。静电的不可避免性、不可预期性以及发生机理的复杂性使其成为长期困扰气相法聚乙烯流化床生产

2、过程的突出技术难题。因此，系统研究气固流化床中的静电现象不仅极富挑战性，同时也具有非常重要的理论意义和实用价值。本论文首先从能带、颗粒、流化床的尺度，提出了微观．介观．宏观的多层次气固流化床静电发生机制。在自行开发静电压在线检测装置的基础上，系统考察了静电场的轴向、径向以及整床分布特征，发现了线性低密度聚乙烯(LLDPE)粉料在直筒形冷模流化床中的静电压呈以料位为分界面的双马鞍型非均匀分布，并由此确定了“分布板区"、“滞留区"和“料位区"等三个静电压重点监控区域；发现了LLDPE流化床中静电行为随细颗粒粒径和含量的演化规律，提出了细颗粒的静电作用因子，获

3、得了工业生产中细颗粒含量的控制范围；针对性地考察了多种液体和固体杂质对流化床中静电压的影响，进一步，根据无机氧化物中非氧元素电负性的大小，提出了用于控制流化床中过量静电荷积累的正、负静电引发剂的选取准则，并得到了实验验证。最后，结合刚S分析和小波分析，研究了静电波动信号的多尺度分形特征，发现各尺度信号能量分率的变化能够明确地指示出流化床内流型的转变。研究结果对于工业流化床反应器的安全生产、优化操作和产品开发具有重要的指导意义。论文主要开展的五方面研究工作如下：1．在能带、颗粒、流化床的尺度上，揭示了流化床中静电的产生和累积机理、聚合物颗粒发生双极带电(b

4、ipolarcha画ng)的本质及静电荷的整床分布特征，提出了微观．介观．宏观的多层次气固流化床静电发生机制。在微观层次上，基于能带理论，对流化床中无杂质、掺杂液体杂质和掺杂固体杂质的聚合物颗粒上静电荷的产生、耗散和累积机理分别进行了分析。分析结果表明，接触后物质的带电极性、带电量和电荷分布主要取决于其能带结构；液体杂质的介入会为聚合物颗粒上的电荷提供中和、再分配、泄漏和耗散渠道，并减少流化床中的静电荷积累量；固体细颗粒杂质的加入会改变流化床中的接触类型，且杂质与带电聚合物颗粒、器壁间的接触带电会引起床内电荷的再分配，并使流化床中电荷数量、极性和分布特征

5、发生改变。浙江大学博士学位论文在介观层次上，通过绝缘聚合物颗粒有效功函数的计算模型，从颗粒的角度分析了同种材质但不同粒径颗粒之间发生双极带电的原因。结果表明，当聚合物颗粒粒径相同时，其有效功函数随相对介电常数的增加而减少：当聚合物颗粒相对介电常数相同，即聚合物颗粒材质相同且完全纯净时，其有效功函数随着粒径的增大相应降低；当聚合物颗粒材质相同，且吸附有极性杂质时，不同粒径的颗粒因吸附能力的差异而具有不同的介电常数，吸附能力强的小颗粒介电常数上升幅度较大，从而使得介电常数对颗粒有效功函数的影响占主导地位，即有效功函数随着粒径的增大反而增大。在宏观层次上，结合

6、颗粒的流态化特性，从整床的角度确定了聚合物颗粒的接触带电模式以及电荷的分布情况。结果表明，在流化过程中，气体与壁面、气体与颗粒间的摩擦起电效应可以忽略不计；颗粒与壁面接触分离后只带一种极性的电荷，即发生单极带电(monopolarcha西ng)，验证了颗粒的双极带电现象主要来自于颗粒之间的相互作用；流化床中的三种主要带电模式为颗粒与中性壁面之间的接触带电、颗粒与颗粒之间的接触带电以及颗粒与带电壁面之间的接触带电；根据流化床中颗粒离析以及颗粒的双极带电特点，指出床内静电荷的分布与聚合物颗粒粒径分布紧密相关。2．通过自行开发的静电压在线检测装置，对气固流化床

7、中静电压的轴向、径向和整床分布特征进行了系统的实验研究，发现流化床中的静电压总体呈以料位为分界面的双马鞍型分布。并由此确定了因射流和气垫的存在而空隙率大、静电压较低的“分布板区”，颗粒浓度和电荷密度较大、静电压较高，且气流曳力最小、颗粒极易粘壁的“滞留区”，以及细颗粒扬析量较多、壁面附近静电压较高、颗粒粘壁现象严重的“料位区"等三个静电压重点监控区域。通过不同表观流化气速、静床高、颗粒粒径以及聚合物种类下的二十余组流化实验，研究流化床中静电压的轴向分布特征时发现，床内的静电场为一非均匀电场，当细颗粒扬析量较大时，静电压沿轴向会发生极性的改变，且在“鼠．以

8、’’平面上呈“Z”型或“S"型分布。对“Z"型分布，流化床下部静电压为负，上部静