（化学工程专业论文）气固流化床静电分布的理论及实验研究.pdf

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( l l d p e ) 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l l d p e 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 i p o l a rc h a 画n g ) 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( m o n o p o l a rc h a 西n g ) ，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 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 部静电压为正，即大颗粒带负电，小颗粒带正电。与此对应，流化过程中呈“z 型静电压分布的物料共性为结晶度较低、表面粗糙度高、对杂质的吸附能力较强， 故杂质对颗粒有效功函数的影响占优势，从而大颗粒具有较大的功函数。在“s 型分布中，床层下部为正静电压、上部为负静电压，即大颗粒带正电、小颗粒带 负电。呈现“s 型静电压分布的物料特征为结晶度和球形度较高、表面光滑、 不易吸附杂质，故大、小颗粒介电常数相同，有效功函数仅受粒径控制，大颗粒 的功函数较小。实验还发现，静电压随距离轴心的径向距离的增大而升高，在壁 面附近达到最大。结合静电压的轴、径向分布特征，发现流化床中静电压的总体 分布呈现以料位为分界面的双马鞍型分布，且存在“分布板区”、“滞留区”和“料 浙江大学博七学位论文 明，除s i 0 2 影响不明显外，其余三种颗粒均达到了预期的静电控制效果。其中 t i 0 2 会在床中引发负静电，可用于消除流化床下部的过量正静电，而a 1 2 0 3 和 m g o 则会引发正静电，可用于消除流化床下部的过量负静电。实验同时发现， m g o 引发正静电的趋势更为显著，使得料位上下的静电压极性发生逆转，静电 压轴向分布由原先的“z 型变为“s 型。因此，在同样的负静电压下，与a 1 2 0 3 相比，加入较少量的m g o 就可以起到消除负静电的效果。 5 通过小波分析和刚s 分形分析方法，对流化床内的静电压波动信号进行 了多尺度分解，研究了信号的分形特征，发现各尺度能量分率的变化能够灵敏地 指示出流化床内的流型转变。 根据各小波尺度下波动信号的h u r s t 指数变化规律，建立了静电波动信号的 尺度划分标准，认为可将静电信号划分为微尺度( d 1 和d 2 尺度) 、介尺度( d 3 一d 6 尺度) 和宏尺度( 氏尺度) ，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。 计算不同气速和不同径向位置时静电波动各尺度信号的能量分布时发现，在 鼓泡流化状态下，静电信号中介尺度的能量分率最高( 占总能量的6 0 左右) ， 且介尺度能量分率随距离轴心的径向距离增大而减小，与床内空隙率的径向变化 规律一致。证实介尺度信号与气泡运动有直接的对应关系，且鼓泡流化下的静电 波动信号主要反映了气泡相的行为。各尺度能量分率的变化对流化床内的流型转 变反应灵敏，据此可对颗粒的起始流化速度以及由鼓泡流化向湍动流化转变时的 起始湍动速度作出较准确的判断。 关键词：气固流化床，静电测量，接触带电，摩擦起电，双极带电，静电控 制，小波分析，刚s 分析 i v i n c l u d i n gd i s 砸b u t o rz o n e ，s t a 印a n tz o n ea n db e dl e v e lz o n e ，o fw h i c ht h el 甜e r 似o h a v eh i g l lv o l t a g e s 锄da r em o r er e a d i l yd i s t u r b e db yp a n i c l e w a na d h e s i o na 1 1 de v e n w a l ls h e e t s b ym e a u s u 打n gt h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a la l o n gt h ea ) 【i so ft h en u i d i z e db e d ，i tw 弱 f 0 u n dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l di n s i d et l l eb e dw a sn o n u n i f b n n i ft h e r ew a sad i s t i n c t i n t e r f a c eb e 觚e e nt h ed i l u t ea n dd e n s ep h a s e s ，m ev o l t a g ep o l a r i t yw o u l dr e v e r s en e a r t h eb e d1 e v e l ，r e s u l t i n gi naz - s h 印e do rs s h a p e da ) ( i a lp r o f i l eo fp o t e n t i a l t h e h e i 曲t sw h e r ev o l t a g ep o l a r i t yr e v e r s a lh a p p e n e dr o s ew i t ht h ei n c r e a s eo fg a s v e l o c i t ya n ds t a t i cb e dh e i g h t f o rz s h 印e da x i a lp r o f ；i l e ，t l l ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l w a sn e g a t i v ea tt h eb o t t o mo fm eb e da 1 1 dp o s i t i v ea tt h et o po ft h eb e d t h er e 雒o n w a sm a tl a r g ep a r t i c l e sc h a r g e d n e g a t i v e l yb u ts m a np a r t i c l e sw e r ep o s i t i v e l yc h a 唱e d a c c o r d i n g l y ，p o l y i l l e rm a t 甜a l ss h o w i n gz s h a p e dp o t e i l t i a lp r o f i l e sh a v ec e n a i n c o m m o nc h a r a c t 甜s t i c s ，w h i c ha r el o wc 巧s t a l l i n i t y h i 曲s 删沁er o u g i l i l e s s 狮d s t r o n ga b i l i t y t 0a d s o r bi m p u r i t y i e s t h e r e f o r e ，i n f l u e i l c e so nt l l ee f r e c t i v ew o r k f u n c t i o no fp a r t i c l e sd u et oa d s o r b e di 玎1 p 谢t i e sa r ep r e d o m i n a n t ，a n dl a 略ep a r t i c l 销 h a v eh i g l l e rw o r k 胁c t i o n f o rs s h 印e da ) 【i a lp r o f i l e ，t h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a lw 嬲 p o s i t i v ea tt h eb o t t o mo ft h eb e da i l dn e g a t i v ea tt h et o po ft 1 1 eb e d nm e a n st h a tl a r g e p a r t i c l e sc h a 唱e dp o s i t i v e l yb u ts m a up a r t i c l e sw e r ep o s i t i v e l yc h 甜g e d p 0 1 ) ，i i l c r p o w d e r ss h o w i n gs - s h a p e dp o t e n t i a lp r o f i l e sh a v eh i 曲c r y s t a l l i n i t y ，s m o o t hs u r f a c e s 锄dw e a l ( a b i l i t yt oa d s o r bi m p 嘶t i e s t h e r e f o r e ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t so fs m a ua n d l a r g ep a r t i c l e sa r et h es 锄e ，a 1 1 dm ee f r e c t i v ew o r km n c t i o no fp a r t i c l e sd 印e n d so n l y o nt 1 1 ep a n i c l es i z e h lt h i sc a s e ，l a r g ep a r t i c l e sh a v el o w e rw o r k 胁c t i o n i tw 嬲a l s of 0 u n dt h a tt h ee l e c t r o s t a t i cv o l t a g er o s ew i t ht h ei n c r e a s eo fr a d i a l d i s t a l l c e sf b mm ea x i so fm ec o l 啪1 t os u mu p ，t l l ev o l t 楚r ea ta n ya x i a lc r o s s s e c t i o no ft h eb e ds h o w e dd o u b l es a d d l e sw i t hb e dl e v e la st h ei n t e r f a c e a c c o r d i n 9 1 y ， t l l r e es p e c i a lz o n e st 0b ee m p h 嬲i z e dw e r ei d e n t i f i e d ，i n c l u d i n gd i s t r i b u t o rz o n e ， s 乜幄皿锄tz o n ea n d b e dl e v e lz o n e ，o f 、) l 枉c hm el a t t e r 似oh a v eh i 曲v o l t a g e s 孤da r e m o r er e a d i l yd i s t u r b e db yp a n i c l e w a l la d h e s i o na n de v e nw a ns h e e t s b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa x i a lp r o f i l eo fe l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a li nt h en u i d i z e db e d ，an e w t e c l l i l i q u ew l l i c hc o u l ds u c c e s s f h l l yp r e d i c tb e dl e v e lw 弱d e v e l o p e d ag o o d a g r e e m e n to f b e dl e v e lw a so b s e e db e t 、) l ，e e nv i s u a lm e a s u r e i l l e n t s 锄dp r e d i c t i o n sb y t h ee l e c 仃d s t a t i cm e t h o d w i t ht h em a x i m u mr e l a t i v ee n 0 r4 0 8 a i l dm e a nr e l a t i v e e 仃o r2 0 2 3 o nt h eb a s l so ft h ee v o l u t l o nl a wo fe l e c t r o s t a t i cb e h a v i o rw i t ht h ev a n a t l o no f f i n ep a n i c l e s s i z e 锄dc o n t e n t ，锄i m p a c tf a c t o ro ff i n ep a n i c l e so ne l e c t r o s t a t i c sw 雒 p r o p o s e d t h e ni tw a s i d e n t i f i e dt h a tt h er e a s o n a b l ew e i 曲tp e r c e n to ff i n e ss h o u l db e c o n t r o l l e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s ，a 1 1 ds t a t i cc o n t r o ls t r a t e g yi nn u i d i z e db e dw a s p r e s e n t e do np a r t i c l es c a l e e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o n n e di nag a s s o l i df l u i d i z e db e dt od e t e n n i n et h e v j i 浙江大学博士学位论文 c h a n g e si nt h ee l e c t r o s t a t i cc h a r g e sw i mv a r i o u sf i n ep o l y e t h y l e n ep a n i c l e s a d d i t i o n ， w h i c hw e r et h es 锄em a t e r i a la st h ec o a r s e p 0 1 y e t h y l 肌ep a r t i c i e s ，t 0 b e t t e r u n d e r s t a n dt h e i rr o l ei ni n n u e n c i n ge l e c n d s t a t i cc h a r g eg 锄e r a t i o l l d i s s i p a t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tp o l y m e rp a n i c l e sh a v i n gt h es a m ec h e m i c a lm a k e u pb u td i f f e r e n t s i z e sw o u l dh a v em e i ro w ns p e c i a lc o n t r i b u t i o n st ot h eg e n e r a t i o no fs t a t i cc h a r g e s ， o w i n g t ot h ed i f f e r e n c e si nc a t a l y s tr e s i d u ea 1 1 ds u r f a c ep r o p e n i e sa m o n gt h e m b ym e a s u r i n gt h ee l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a la td i f f e r e n tb e da ) 【i a lh e i 曲t s ，i tw a s f b 吼dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l di n s i d et h eb e dw 弱s i 髓i f i c a n t l yi n n u e n c e db yt h ea d d e d f i n ep o l y e t h y l e n ep 叭i c l e s s i z e s ，w e i 曲t 仔a c t i o n sa n dc a t a l y s tr e s i d u e c o n s e q u e l l t l y ， a ni m p a c tf a c t o ro ff i n ep a 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i q e r e n t l i q u i da n ds o l i di m p u r i t i e sa d d e dw a se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h ei m p u r i t i e s i n c l u d ea l u m i n u ma l k y l s ，w a t e r a l c o h o l ，a i l dt h e i rr e a c t i o np r o d u c t s o nt h eb a s i so f r e l a t i o n sb e m e e nc h a r g i n gt e n d e n c ya n de l e c t r o n e g a t i v i t yo fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ， ar u l et oc h o o s ei n o r g a n i co x i d e sp o w d e r sa s p o s i t i v e o rn e g a t i v ee l e c t r o s t a t i c i n d u c t i o n a g e n t s w a s p r e s e n t e d t h em l ei st h a ta c i do x i d e s w i t h l a r g e e l e c t r o n e g a t i v i t yh a v eat e n d e n c yt 0c h a r g en e g a t i v e l y ，w h i l em e t a li o n sw i t hs m a l l e l e c t r o n e g a t i v i t ym a k eb a s eo x i d e sm o r ee a s i l yc h a r g i n gp o s i t i v e l y t h ee x p e n m e n t a lr e s u l t sa r ea u sf o l l o w s w a t e ra 1 1 da l c o h o lw i t h o u ta l u m i n u m a l k y l sp r e s e n c ew o u l dd e c r e a s et h ec h a 略ea c c u m u l a t i o ni nt h en u i d i z e db e d w h i l e r e a c t i o np r o d u c ta l ( o h ) 3o fa l u m i n u ma l k y l sw i t hw a t e rw o u l di n i t i a t en e g a t i v e v i i i 第一章绪论 第一章绪论 在现代生活中，聚烯烃树脂醴和人类的教食住行密不可分，从简单的包装袋 燮复杂熬飞橇擒律，聚燎烃树脂都在发挥着不霹替筏靛终溺。特鬻是聚乙烯瓣膳， 由予其物讫牲麓撬舜、成型加工简易帮徐撬榴对便宣等特点，产量翥粼赫应用溃 费量均位列前茅。= 十世纪八十年代，由于嚣有设备和流程简单、能耗低、灵活 性离及环境相容性好等优点，气相流忧床工艺开始成为催纯聚合生产聚乙烯的主 要方式醛l 。摇统计，毽蔫藿界上采震气霎流纯床爱痤器生产聚乙烯薛能力占聚乙 烯总生产能力的近三分之一。而在我国，气栩法的比重更大，接近二分之一，并 且这趋势还在增长1 2 j 。 虽然气穗法聚乙烯工艺翼青众多优熹，健在生产过程半，流诧康瞧鞭粒毒颡 粒之间、颗粒与内壁阗存在反复碰撞和摩擦，巍于聚乙烯颗粒是高绝缘梭物质， 因此不可避免地会引发静电的产生和积累。产生的静电场不仅会改变流化床内的 流体流动行势，导致颗粒团聚，形成死区和沟流等p 嘲，两盛可铯会使褥含有催 纯裁的聚乙烯缀粉裢璧、薅融，进箍形成片状物诱。当娃继片转运裂一定_ 犟度时 掉落到分布板上，翁堵塞分布板，从而影响床内的流化状态甚至导致停率，极大 地影响了气相流化床装黄的长周期运转f 8 】。同时，由于静电现象的复杂性、影响 霞素的多样性等客浚条舞限制，使得与流态纯其宅褶关顿域摆觅，流化臻孛斡静 电现象所受关注较少。已有研究趣困实验对象耩实验条件的不羼导致所褥结果差 异性较大，在很多问题上仍存在分歧【n ，因此长期困扰气相法聚乙烯流化床生产 的静电阕题始终寒鑫途褥到缀好的解释帮控制。 针对上述阕遂，本论文旨在匿绕蒙乙烯气籀法生产过耧这一工韭背景，对气 固流化床中静电产生机理、静电场分布特征、静电影响因素以及静电控制方法等 展开理论和实验研巍，以期更深入地理解流化床中的静电现象，并防止或减少静 电对生产过程静种静不利影响。 1 1 聚乙烯气阁流化床生产工艺简介 爨乙烯气籀流纯庆蓑寨是2 蛰道荛霭年代来弄发戆，经过2 0 多年的寝鬻黎 发展，愈发突显出其经济、技术及产品优势，现已成为世界聚乙烯生产的主流技 术。u c c 的u n i p o l 气相流化床工装是目前使用最为普遍的聚乙烯气相生产工艺， 也是本文麓主要磷究对象。它俸必高赣催琵剂与气穗流优臻耀结合酶工艺，主要 特纛怒具有蓠棼性 在实验中制成 了能蓄电的电容器一莱顿瓶； 5 1 7 4 7 年，美国人富兰克林( f r a n k l i n ) 在杜菲“玻璃电”和“树脂电” 概念的基础上，根据两种电的相消性，提出了“正电 和“负电 的概念。这不 仅仅是在符号上有意义，而且为定量研究静电提供了一个基磊鑫，使人们第一次有 可能用数学来研究带电现象。富兰克林由此还得出了电荷守恒定律。富兰克林另 一项重大贡献是通过风筝实验，统一了天电和地电，破除了人们对雷电的迷信； 6 对静电理论的研究工俸，首推英国的卡文遗许( c a v 熊d i 盘) 和法国的库 仑( c o u l o m b ) 。1 7 7 7 年，卡文迪许从带电导体的电荷分布在金属球壳麦面的实 验中推断：“电的吸引力和排斥力可能反比于电荷间距离的平方”。1 7 8 5 年， 库仑透过扭稃实验，完全确定了著名的库仑定律( 式2 ，1 ) 。 f ：上盟( 2 】) 4 兀s ，2 一 库仑定律是表示两静止点电荷间相互作用的定律。其作用力f 的大小与两点 电蘅电荷量q l 和q 2 的乘积成难比，两与它们之闻距离r 的平方成反比。力的方 向沿着两个点电荷的连线，同性电荷间为斥力，异性电荷问为吸力。它的出现标 志着从此电学进入了科学的行列。 维尔克( w i l e l 【e ) 1 2 l 于1 7 5 3 年发现了静电感应后，1 7 5 7 年开始发表了摩擦 带电序列。他考察了该系列中的物质，假设使其中的两种物质互相摩擦，那么住 6 第二章文献综述 序列中位置靠前的带正电，位置靠后的带负电。 1 7 7 9 年出现了关于说明带电原理的伏打( v o l t a ) 学说，伏抒认为摩擦带电是由 接触效应产生的，摩擦仅仅是增加接触点。而后相继发现了动物电( 1 7 8 0 ) 、金属 电，这就是伏打电堆和电池的发明，而且还设计出了灵敏度极高的验电器。电学 史上把伏打学说作为由静电向动电推移的标志。 1 8 7 9 年，亥姆霍兹h e l m h o l t z ) 继承了伏打学说，进行了如下的说明：两种 物体分离时能够得到的电荷，必须是两种物体接触时的偶电层的电荷。因此，偶 电层厚度就是分子的大小线度。其电位差就是接触电位差或比它小的电位差。这 个偶电层被分离时，在两种物体的接触面上如果保留着电荷的话，那么，象篱单 的平行板电容器那样，静电电容随其间隔的增大而减小，因此电荷显示出离电位。 这与前面的伏打学说合在一起，叫做伏打一亥姆霍兹假说。 在二卡世纪初，静电学开始从实验和科学阶段走向实际应用的阶段。但最初 应用面较窄，仅限于静电除尘方面。虽然在1 8 2 4 年h o h l 怒l d 就已经第一次演示 了静电收尘实验。但1 9 0 7 年c o 骶l l 才制造了世界上第一台实际应用的静电除尘 器( 3 悃于捕集硫酸酸雾。静电除尘器在控制酸雾排放的成功，迅速激发了其在其 它工业烟尘污染源中的应用。1 9 2 2 年莲e g 勰嚣发暖了实用的静电起电机。| 9 2 3 年d e t r o i te d i s o n 公司安装了第台静电除尘器，这为现代静电技术的建立奠定 了基础。从此，静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等取得了一定的地位， 静电在工业中的应用也越来越广泛降旺l 。 然而，任何事物都是有两面性的。静电在给人类生产生活带来很多便利的同 时，也造成了多个方面的危害【1 3 1 4 1 。特别是在二十世纪中期，随着工业生产的高 速发展以及高分子材料的迅速推广应用。一方面，一些电阻率很高的离分子材料 如塑料、橡胶等制晶酶广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到 很高的程度；另一方面，静电敏感材料的生产和使用，如轻质油品，火药，以及 固态电子器件等，使得工矿企业部门受静电的危害也越来越突出。尤其魑静电积 累到一定程度后引起的放电现象( 静电放电，e l e c t s 馘i ep i s c 蠡a 譬g e ，嚣s d ) 更 是造成了相当严重的后果和损失。它曾使得电子工业年损失达上百亿美元，这还 不包括潜在的损失。在航天工业，静电放电造成火箭和卫星发射失败，干扰航天 飞行器的运行。在石化工业，美国从1 9 6 0 年到1 9 7 5 年由于静电引起的火灾爆炸 事故达1 1 6 起。1 9 6 9 年底，在不到一个月的时闻内，荷兰、挪威、英国三艘2 0 万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后，引起了世界科学家对静 电防护的关注。我圈近年来在石化企业曾发生3 0 多起较大的静电事故，其中损 失达酉万元以上的有数起。 二次世界大战后许多工业发达国家都建立了许多静电科研机构从枣静电研 7 浚江夭学薅掌稳论文 究。我国少数科研单位从6 0 年代术开始开展了些静电研究工作，7 0 年代8 0 年代国内有北京市劳动保护科学研究所、北京理工大学、覆化总公司、复旦大学 等开展了较为系统和深入的静电研究工作，特别是对石油静电防护进行了大量丽 深入的研究。从8 0 年代开始以来，我国的静电研究发展极为迅速。1 9 8 1 年成立 了中国物理学会静电专业委员会并召开了第一次全国静电学术会议，全囡性的和 地方性的静电学术会议不断召开，静电研究和应用的范围也越来越广。然而，与 国外相比，我国的静电研究仍然存在较大差距，特别是在静电测量、粉体带电、 静电控制以及紧扣相关工业背景的静电基础研究等领域，还需要进一步加大力度 深入研究。 2 1 2 静电的产生机理 所有物质在自然状态下都是不带电的，因为原子核中质子所带正电荷数等于 电子所带受电荷数。放物质的结构来看，无论耀摩擦起电，还是焉其它方法来使 物体带电的过程，都不过是使物体中原有的芷、负电荷分离和转移的过程而已。 另外，由于物质的种类不同，它们带电的极性和带电量的大小不同，而且和温度、 湿度、有无杂质、摩擦力大小、物体电阻率、泄露电阻等一系列条件有关。总之 静电现象较为复杂，需要考虑的因素很多，必须视具体情况作具体分析。 尽管气固流化床中的静电现象已经发现了很长一段时间，但其产生机理仍没 有得到很好的解释。通常情况下认为：颗粒与颗粒之间、颗粒与器壁之间的接触、 碰撞和摩擦，鄹接触带电和摩擦起电是流化床中静电产生的主要原因。 2 1 2 1 接触带电( c 蛐t a c te l e c t r i f i c a t i o n ) 接触带电的梳理如图2 一l 所示，当两令圆体物质( 包括颗粒) 互相接触时， 电荷会根据两种物质表面电子或离子的能量不同丽从一个物体向另一个物体转 移，并直至达到电荷的平衡【1 5 】。两者分离后，失去电子的物体带正电，而得到电 子的则带负电。 矗p ( 嘏魏 8 壤戳f 辍弦豫f i o 挂 阁2 1 接触带电机理 f i g 2 1c o n t a c te i e c t n 6 c a t i o nm e c h a _ i i i s m l l 6 l 接触带电的机理还存在另外种鼹释，郄电荷的转移是由于接触表蕊初始费 米能缴( f e 肌il e v e l ) 的差异引起的，并会一直持续至费米能级相等。费米能级 第_ 二章文献综述 是指在绝对零度时能被电荷占据的最高能级【10 1 。将金属中的一个电子移出所需最 小能量称为功函数。金属的功函数约为4e v ，并且会受到表面杂质的影响【1 0 l 。 在金属与绝缘体接触的过程中，已知由金属转移至绝缘体的电荷量正比于金属的 功函数。同样道理，绝缘体( 例如聚合物) 也可以根据转移电荷量的多少将其按 功函数排序。表2 1 给出了两个研究者所得结果的比较。 表2 1 两个研究者所得聚合物功函数序列 t a b l e2 1p o l y r i 圮rw o r kf i l l l c t i o ns e r i e so f 俩os t u d i e sp r o 访d e d b yc r o s si o 】 功函数序列数值提供了两表面接触后的带电极性。物质的功函数越高，越容 易带负电。然而，从表2 1 中可以看到，功函数的数值以及物质在序列中的位置 在两个研究结果中有一定差别。根掘c r o s s 【1 0 1 的说法，绝缘体中电子的能量是位 置、表面杂质、局部原子结构以及物质化学性质的函数。因此，绝缘材料的功函 数应由实验确定。 接触带电对接触物质的表面状态非常敏感，这也是很多学者将静电称为表面 9 濒汪大学溥主学像论文 现象的原因。因此，当两物体接触时，接触点的任何表面变化都会影响接触带电 的极性和大小，这就导致了静电实验对条件要求的极端苛刻性。瓢g w e l l 等【1 7 】 研究了表露污染和周围环境( 2 2 ，相对湿度照为4 0 豹空气中) 对不同物质 功函数的影响，并将他们所得结果与文献中所测真空状态下洁净物质的功函数进 行了比较。结论是物质表面的实际功函数会因表面组成( 污染) 和暴露在环境中 丽与期望值有很大偏离。他们的研究结果表明，表面污染会增大金属和聚合物的 表面功函数。鉴予以上研究结果，本文在实验前均对实验物料进行预处理，以保 证每次参与实验的颗粒表面状态相同。 2 1 2 2 摩擦起电( 羚i c t i o 髓le h a l g i 珏g ) 弓| 起流化床带电的另一个原因是摩擦起电。摩擦起电本质上与接触带电类 似，只是物质之间的摩擦使得接触点增多、接触面积增大、甚至会使接触面温度 升高，这些都促进了电荷的转移，使静电产生速率更大，因此在本论文中将摩擦 起电也归为接触带电。 根据不同材料在摩擦过程中获得或失去电子趋势不同，很多研究者将一些常 见物质排成序列，这就是摩擦电序。常见材料的摩擦电序为f 坞2 2 】：空气扣人的皮 肤扣兔毛卜醋酸纤维卜玻璃_ 入发卜尼龙扣羊毛卜羊皮_ 毛皮卜铅制品扣丝卜 铝纸卜棉纤维( 带正电荷趋势按箭头方向越来越强) 钢( 不带电荷) ( 带负电 荷趋势按箭头方向越来越强) 术材_ 硬质橡胶- 铜_ 银叶黄金、白金_ 醋酸人造 丝_ 腈纶纤维_ 聚氨酯甲酸酯纤维_ 聚酯纤维一聚丙烯_ 聚氯乙烯_ 硅酮_ 特 氟隆( 聚四氟乙烯长丝或短纤维) 。表2 2 给渤了一些摩擦序列的总结【嘲。图2 2 则给出了一个比较少见的封闭式摩擦电序【2 引。 图2 2 封闭式的摩擦序列 f i g 2 2c l o s e dt r i b o e l e c t r i cs e f i e s 【2 3 l 由于电荷豁极性会受到不同因素的影嚼，例如表面光滑度、预处理、物质纯 度、颗粒形状和颗粒中水分含量等【m 1 6 】。因此基于已发表的摩擦序列和功函数序 列对正业中固体的带电极性进行预测具有很大的不确定性，还需结合相皮实验进 行验证。 第二牵文献综逐 激暹天学 毒学德论文 无论是相似物质，还是不同物质间都会发生摩擦起电。c r o s s 【1 0 l 指出两个相 似物质间产生的电荷可以与不同物质间一样多。摩擦起电对摩擦能量和速度最为 敏感。m 锄