探索流化床聚合反应器颗粒生长与流动模式的研究

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1、浙江大学博士学位论文流化床聚合反应器颗粒生长与流动模式的研究姓名：杨宝柱申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：阳永荣20050401摘要气相流化床乙烯聚合生产工艺中，床层流化的均一性、床层的传递特性、流态化的特征参数、反应效果、聚合物后处理以及聚合物产品均受到流化床内颗粒粒径分布的影响。因此，在乙烯气相聚合反应中，聚合物颗粮粒径及其分布的检测、预测和调控，对于优化操作生产，实现聚合物产品的设计，具有非常重要的意义。另一方面，与颗粒粒径分布密切相关的流动模式是流化床聚合反应器设计所必需的基本条件，直接影响到聚合反应特性和传热传质性能，揭示其本质特点及相互间的转变规律，不仅有助于从理

2、论上加深对流化床聚合反应器的认识，而且其研究结果对反应器的设计和改造等工业过程开发具有直接的应用价值。但是所有研究问题的瓶颈都在于目前尚未有效的检测方法进行工业流化床聚合反应器的测量。因此，采用新型测量技术，研究流化床聚合反应器颗粒长大的规律、流体力学特性以及它们之间的相互作用关系，成为本论文的主要任务。受古人“听音辨琴”的启示，并发现“气固流化床运行过程中发出的声波主频变化反映为声波各尺度(频段)能量分布的改变，正是由于不同粒径的颗粒所产生的声波能量叠加，导致声波在各尺度的能量分布不同”。因此，本论文通过对流化床运行过程中发出的包含有丰富信息的声信号检测，经非线性的多尺度解析，发明

3、了新型的气固流化床参数在线测量技术，实现了气固体系颗粒流动模式的实验检测和结块与料位高度的在线监控。在此基础上，建立了工业气固流化床稳态操作下聚乙烯颗粒粒径分布的预测模型和定制模型，模型可以较好地预测聚合物的颗粒粒径分布，并在定制模型的指导下，通过调节流化床聚合反应器各操作变量，可以实现定制的聚合物颗粒的粒径分布。通过研究流化床壁面颗粒的运动活跃程度，获得了流化床存在大小循环流的流动模式特征，以及流动模式随颗粒粒径和表观气速变化的实验证据。本论文主要创新性的工作包括：(1)在考虑聚乙烯颗粒在气相流化床反应器中生长、磨损和扬析的基础上，建立了乙烯气相聚合工艺中稳态操作条件下颗粒生长与粒

4、径分布的预测模型。论文首次对工业气相流化床反应器的聚乙烯颗粒生长和粒径分布进行了模拟研究，计算得到的粒径及其分布与生产数据基本一致，说明该模型能够较为真实地反映气相流化床反应器内聚乙烯颗粒的反应历程和生长规律，在预测聚乙烯粒径分布方面具有良好的应用前景。(2)首次提出了聚乙烯颗粒粒径分布定制模型。由定制的最优粒径分布数据浙江人学博I+学位论文可以求得催化剂粒径及其分布、操作气速、反应温度、乙烯浓度和丁烯浓度等操作参数，由此进行生产可获得具有良好流态化特性的聚乙烯颗粒粒径分布。根据工业装置的生产数据分析了计算结果的合理性。其中，运用粒子群优化算法求解模型的非线性规划问题，算法具有调整参

5、数少、收敛速度快和全局优化等优点。(3)首次将声波测量技术应用于气相流化床聚合反应器中颗粒流动模式和料位高度的测量，实现了气固流化床简易快捷、安全环保的在线监控，并投入工业运行。其中，运用声发射技术测得气固流化床的颗粒流动模式，发现其与颗粒粒径和表观气速密切相关。论文系统考察了粒径和气速对流型的影响，发现对于颗粒粒径为500岬的聚乙烯颗粒，当表观气速在0．3～0．7m／s内，其对应的流动模式为带有滞留区的双循环模式。如果气速增大到o．8m／s以上时，流动模式将转化为无滞留区的单循环流动模式。而当颗粒平均粒径降为365prn，对应的双循环流动模式蜕化为单循环模式．壁面不存在滞留区。进一

6、步发现，滞留区位置与静床高无关。根据声波能量随流化床高的规律性变化，首次提出了声信号测定料位的判据——声能量的均方差比达到最大时的床高即为料位高度。判据在实验室冷模装置和工业流化床热模装置上成功获得了验证。(4)首次将三种混沌特征参数——最大Lyapunov指数、关联维数和K熵同时应用于气固流化床声信号的分析，研究表明，三种混沌特征参数均能敏感而明确地指示出固定床、鼓泡流化和湍动流化等不同流型之间的转变过程，并且在不同的操作条件下呈现一定的规律性，为流型识别提供了新思路。而在颗粒流化的全过程中，混沌程度随气速增加呈凸形曲线，其中从进入鼓泡态到湍动流化状态阶段颗粒的声波信号存在着混沌特

7、征。混沌分析同时发现，明显的气泡是床层运动进入混沌态的最重要因素。相比于关联维数和K熵，最大Lyapunov指数能更为清晰地反映床层运动中颗粒从静止到起始流化的转型特征，而关联维数和K熵则能更清晰地辨析从鼓泡态到湍动态的转型区域。(5)根据声波信号的小波分析，提出了气固流化床聚合物粉体团聚结块的判据摘要即声波能量分率由低尺度向高尺度有层次地增加，声波信号的主频频率是从高频向低频转移，尺度内部的能量发生突变时，表明已有严重结块产生。这可作为流化床结块产生实时