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声波测量和流化床聚合反应器多尺度结构的研究

侯琳熙  
【摘要】:气固流化床聚合反应器中流化床层的传递特性参数、反应效果、以及聚合物产品均受到流化床内颗粒性质及其运动状态的影响,而颗粒的性质又足随着反应的变化而变化的。因此,研究流化床聚合反应器的流体力学行为是化学反应工程研究领域的前沿,极富有挑战性。本研究论文以声波的测量和分析为研究手段,从多尺度的角度对流化床聚合反应器中的颗粒生长及其粒径分布、结块状况、起始流化速度、流动模式和料位等参数的变化进行了研究。不仅建立了新的测量和分析方法,而且发现了新的实验现象,提出了新的概念和理论,研究结果具有重要的理论意义,对于工业反应器的安全生产、优化操作和产品开发也具有重要的实用价值。 颗粒流态化时会产生各种各样的信号,它们往往是时空多尺度结构的综合反映。由于各尺度信号相互混杂,妨碍了对过程的了解。虽然传统的流化床参数测量手段,如压力、激光、温度、射线衰减、超声、电导等技术被广泛地应用,但测量信号中所包含的丰富内涵还远未被人们所理解,更何况许多测量手段还由于对测量环境的要求苛刻,对流场的破坏以及对人体的危害,而受到限制。受古人“听音辨琴”的启发,本文将具有检测灵敏、绿色环保、非侵入性和实时监测等特点的声波测量技术应用于流化床各参数的测量。进一步,通过小波分析和R/S分形分析对声波测量信号进行多尺度的分解,论文主要开展了以下四个方面的研究工作: 1.研究比较了声波信号和压力脉动信号的多尺度结构特征。根据各小波尺度下波动信号的Hurst指数变化规律(均小于0.5、均大于0.5或两者都有的),建立了声波信号的尺度划分的标准,认为可将声波信号划分为微尺度(1-5小波尺度)、介尺度(6-7小波)和宏尺度(8-10小波尺度),分别反映颗粒行为、气泡和颗粒团聚物行为、以及平均流动行为等。与压力脉动信号多尺度结构的比较表明,声波信号主要反映微尺度的颗粒信息,而压力信号主要反映介尺度的气泡信息。至于处于介尺度的颗粒团聚物的信号,由于信号强度较弱,其变化只能在声波的介尺度频段得到较明显的体现。 2.研究了流化床聚合反应器在微尺度的特性。在直径分别为100mm和150mm流化床冷模实验装置(带加热装置)中,以及φ1000的HDPE中试流化床聚合反应器、φ3500的LLDPE、φ3500的HDPE和φ5000的Bi-mode PE工业流化床聚合反应器装置中,测量了颗粒流态化产生的声波信号。通过对声波微尺度信


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