（化学工程专业论文）聚乙烯气固流化床的基本流动参数的测定.pdf

浙江大学硕士论文( 2 0 0 7 ) 摘要 气相流化床乙烯聚合生产工艺中，分布板是保证气固流化床具有良好而稳定 的流态化状态的重要构件，直接影响流化床内颗粒的流动模式和流化均匀性，是 流化床聚合反应器设计所必需考虑的关键部件。寻找能快速、准确、灵敏、环保 地测定聚乙烯气固流化床中包括起始流化速度、流动模式、流化均匀性和分布板 上死区在内的基本流动参数的方法，继而揭示不同分布板的优劣性，不仅有助于 加深对流化床聚合反应器的认识、加快分布板的改造和设计，而且对于聚合反应 的安全生产和优化操作、工业反应器的开发设计具有重要的指导意义。针对目前 聚乙烯气固流化床分布板存在着抗沉积能力不强、稳定性不高、易被活性物质堵 塞等缺陷，本文设计了新型的抗沉积分布板。并以三种不同结构的分布板为参照， 采用声发射检测技术，研究测定聚乙烯气固流化床包括起始流化速度、颗粒的流 动模式等基本流动参数，在线检测分布板上死区的存在与否和风帽的射流特性， 为分布板的设计和筛选提供了新的方法。本论文主要的创新性工作包括： ( 1 ) 设计并制备了适用于聚乙烯气固流化床的新型抗沉积分布板，该分布 板具有抗沉积能力强、物料流化充分、基本没有死区、生产稳定、操作灵活和生 产周期长等优点。 ( 2 ) 利用声发射检测技术，在分布板下采集气固流化床颗粒作用于分布板 产生的声信号，结合频谱分析，提出声发射测量起始流化速度和起始湍动速度判 据，即当声信号的能量比或均方差比达到最大值时的表观气速为起始流化速度， 当声信号的能量比或均方差比达到次最大值时的表观气速为起始湍动速度。 同时，通过对声波信号的多尺度小波或小波包分析，发现各尺度能量分率随 气速变化存在着规律性的演化行为，建立了颗粒流化的能量分配理论，包括能量 一次分配理论和能量再分配理论。基于气固流化床颗粒流化的能量分配理论，提 出了判断起始流化速度和起始湍动速度的新方法，即能量达到第一次分配平衡 时，气速为起始流化速度，当能量达到再分配平衡时，气速为起始湍动速度。 根据两种判据得到的聚乙烯起始流化流化速度均为o 0 8m s ，与经典的压差 法和文献上的压力脉动法测得的起始流化速度完全一致。 浙江大学硕士论文( 2 0 0 7 ) ( 3 ) 采用声发射检测技术，通过测量气固流化床声能量的轴向分布，获得 了装载不同分布板时气固流化床的颗粒流动模式。研究表明，颗粒的流动模式和 分布板结构密切相关，装载抗沉积分布板或北欧化工分布板时，颗粒的流动模式 为带滞留区的双循环流动模式，而装载齐鲁中试分布板和改进齐鲁中试分布板时 为无滞留区的单循环流动模式。 同时，通过测量气固流化床壁面不同方位声能量轴向分布，考察了不同分布 板的偏流程度。研究发现，抗沉积分布板和北欧化工分布板流化均匀性较好，而 齐鲁中试分布板和改进齐鲁中试分布板流化均匀性较差，存在着一定程度的偏 流。 ( 4 ) 利用声发射技术。通过采集分布板下不同位置的声信号，结合频谱分 析，发现声能量的分布直接反映了分布板死区的分布，继而提出了聚乙烯流化床 分布板上死区存在的判断准则，即当某区域的声波能量值与分布板上最大声波能 量值的比值不大于4 0 时，表明该区域为分布板死区。判据得到了摄像法的检 验。 对分布板的死区研究表明，抗沉积分布板通过采用新型风帽，有效地提高了 抗沉积分布板风帽出口气体流速，较好地消除了分布板死区，提高了分布板性能。 而其它参照分布板均存在着不同程度的死区区域，影响流化质量。 ( 5 ) 采用声发射技术，针对单风帽分布板，结合声信号的频谱分析，能够 较为准确地测量出风帽的喷射距离。和摄像法相比，具有较好的精度。实验结果 表明，新型风帽喷射距离为参照风帽的两倍左右，该风帽在具有更大的吹扫面积 的同时，喷射气速的变大更能保证大颗粒不在板上沉积，抗沉积能力得到加强。 与此同时，利用称重法对四种分布板的漏料情况进行了考察。实验发现，抗 沉积分布板漏料量最少，具有更好的防漏料效果。 关键词：气固流化床，聚乙烯，分布板，声发射，频谱分析，小波分解，小波包 分析，能量分配理论，流动模式，流化均匀性，抗沉积，死区，喷射距离 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) a b s t r a c t f l u i d i z e d - b e dr e a c t o ri sw i d e l yu s e di ng a sp h a s ep o l y m e r i z a t i o no fp o l y o l e f i n a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ff l u i d i z e db e d , d i s t r i b u t o rm a i n t a i n st h es t a b i l i t yo ft h e f l u i d i z a t i o np r o c e s s ，i n f l u e n c e st h ef l o wp a t t e r na n dt h eq u a l i t yo ff l u i d i z a t i o n s o i n v e s t i g a t i o no nt h eb a s i cp r o p e r t i e si n f e c t e db yd i s t r i b u t o ri nf l u i d i z c db e dh a sb e e na h o tt h e m ef o ral o n gt i m e h o w e v e r , t h e r ei sn o ta ne f f e c t i v ea p p a r a t u st om e a 8 1 1 r et h e p r o p e r t i e s i n c l u d i n gf l o wp a t t e r n , f l u i d i z i n gq u a l i t yo rt h e d e a d z o n eo nt h e d i s t r i b u t o r an o v e lt e c h n o l o g yw a su s e db ym e a n so fa na c o u s t i ce m i s s i o n s e n s o rt oi n v e s t i g a t et h em e n t i o n e dp r o p e r t i e si nt h ef l u l d i z e db e di nt h i sw o r k t h e s e n s o rw a ss e to nt h er e v e r ? s eo ft h ed i s t r i b u t o ra n dt h ew a l lo ft h ef l u i d i z e db e dt o o b t a i nt h ea e s i g n a l s ，w h i c hc 冶l n ef r o mt h ec o l l i s i o na n df r i c t i o na m o n gt h ep a r t i c l e s , t h ed i s t r i b u t o ra n dt h ec h a m b e r an e wd i s t r i b u t o rw a sp r o p o s e d ，w h i c hh a da ng o o d i m p a c to nf l u i d i z a t i o n , e s p e c i a l l yt h eh i g ha n t i d e p o s i t i o nq u a l i t y a n da l lt h e d i s t r i b u t o r sw e r er e s e a r c h e db yn e wm e a f f l $ m e n t i o n e da b o v e t h ei n n o v a t i o no ft h i s a r t i c l ec a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 an 州g a s - s o l i df l u i d i z e d - b e dd i s t r i b u t o rf o rp o l y e t h y l e n ep r o d u c i n gw a s p r o p o s e d t h en e wd i s t r i b u t o rc o u l de f f i c i e n t l ye l i m i n a t ed e a d - z o n eo nt h ed i s t r i b u t o r , i m p r o v et h ef l u i d i z a t i o nq u a l i t y , a n dm a k et h ep r o d u c t i o np r o c e s sm o r es t a b l ea n d f l e x i b l e 2 b ya n a l y z i n gt h es i g n a l sf r o mt h ed i s t r i b u t o r , i tw a sf o u n dt h a tt h eb i g g e s t m u t a t i o no f t h em e me n e r g ya n ds t a n d a r dd e v i a t i o no f a es i g n a lw a sa tt h em i n i m u m f l u i d i z e dv e l o c i t y ( 砺曲a n dt h es e c o n dm u t a t i o nw a sa tt h em i n i m u mt u r b u l e n t v e l o c i t y ( 己厂眦) a n dt h ee n e r g yr a t i oa n dd e v i a t i o nr a t i ow e d e 丘n c d ，w h i c hb e c a m e t h ec r i t e r i o no f t b em i n i m u mf l u i d i z e dv e l o c i t ya n dt h em i n i m u l nt u r b u l e n tv e l o c i t y a ne n e r g yd i s t r i b u t i o nt h e o r yw a sp r e s e n t e db a s e do nr e g u l a re v o l v e m e n to f e n e r g yf l a c l i o no fa es i g n a l sw i t hf l u l d i z a t i o nv e l o c i t y w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sa n d m 浙江大学硕士学位论文1 2 0 0 7 ) w a v el e tm e t h o dw e r eu s e di np r o c e s s i n gt h ea es i g n a l s a n o t h e rn e wc r i t e r i o no f j u d g i n g a n d w a sp r o p o s e db a s e do nt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o nt h e o r y a c c o r d i n gt ot h e s en e wc r i t e r i o n s ，t h e w a so 0 8 m s ，w h i c hw a sc o n s i s t e n t w i 也t h ec o n s e q u e n c eo f t h ec l a s s i c a lp r e s s u r em e t h o d s 3 t h ef l o wp a t t e r no ff l u i d i z e db e dw a si n v e s t i g a t e db yt h ea c o u s t i ce m i s s i o n m e a s u r e m e n t t h em u l t i c i r c u l a t i o nf l o wp a t t e r nw a sf o u n dw h e nt h en e wd i s t r i b u t o r a n dt h eb o r s t a rd i s t r i b u t o rw e r ei n s t a l l e di nt h ef l u i d i z e db e d t h es i n g l ec i r c u l a t i o n f l o wp a t t e rw a sf o u n dw h e nt h eo t h e rt w od i s t r i b u t o r sw e r ei n s t a l l e d t h eq u a l i t yo ff l u i d i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e d b ya n a l y z i n gt h ea es i g n a l sg e t t i n g f i o mt h ew a l lo f t h ef l u i d i z o db e d ，t h en e wd i s t r i b u t o ra n dt h eb o r s t a rd i s t r i b u t o rw c r e f o u n d h a v i n gb e t t e rf l u i d i z i n gq u a l i t i e st h a no t h e rt w o 4 t h ed e a dz o n ed i s t r i b u t i o no nt h ed i s t r i b u t o rw a si n v e s t i g a t e db ya e m e a s u r e m e n t b ya n a l y z i n gt h ea es i g n a l so b t a i n e mf r o mt h er e v e r s eo f t h ed i s t r i b u t o r , i tw a sf o u n dt h a tt h ee n e r g yd i f f e r e n c ew a sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l to ft h ev i s u a l m e t h o d t h ec r i t e r i at oi d e n t i f yt h ed e a dz o n ew a st h a t ，w h e nt h em e a ne n e r g yv a l u e o ft h ea es i g n a lw a s4 0 o ft h em a x i m u mv a l u eo re v e ns m a l l e r , t h ec o r r e s p o n d i n g a r e am u s tb et h ed e a dz o n e b yu s i n gt h en o v e lt u y e r e s t h en e wd i s t r i b u t o re f f i c i e n t l ye l i m i n a t e dt h ed e a d z o n e a n di th a dm u c hh i g h e ra n t i - d e p o s i t i o nq u a l i t y , w h i c hm a d et h ef l u i d i z a t i o n b e t t e rt h a no t h e r s 5 t h ej e td i s t a n c eo fd i f f e r e n tt u y e r e sw a si n v e s t i g a t e db yv i s u a lm e t h o da n d a em e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ot h i s s t u d y , i tw a sf o u n dt h a tt h ea c o u s t i cs i g n a l m e a s u r e m e n tc o u l db eu s e di nt h ej e td i s t a n c em e a s u r i n g t h et u y e r eo ft h en e w d i s t r i b u t o rw a sf o u n dh a v i n gat w i c el o n g e rj e td i s t a n c ea s t h ef o r m e ro n e s m e a n w h i l e , t h en e wm y e r ec o u l da l s ob r i n gab e t t e ra n t i - d e p o s i t i o nq u a l i t yt ot h e d i s t r i b u t o r t h ea n t i l e a k a g eq u a l i 哆o ft h ed i s t r i b u t o rw a si n v e s t i g a t e d c o m p a r i n g 诵t l it h e i v 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) o t h e rt h e ed i s t r i b u t o r s ，t h en e wo n eh a dab e t t 钉p e r f o r m a n c eo nt h i sa s p e c t k e y w o r d s ：g a s - s o l i df l u i d i z e db e d , p o l y e t h y l e n e ，d i s t r i b u t o r , a c o u s t i ce m i s s i o n , a e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s , w a v e l e tm e t h o d ，w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s ， e n e r g y d i s t r i b u t i o n t h e o r y , f l o wp a r e m , f l u i d i z a t i o n q u a l i t y , a n t i d e p o s i t i o n , d e a dz o n e j e td i s t a n c e v 浙江大学硕十学位论文( 2 0 0 7 ) 第一章绪论 中国是一个发展中的大国，2 0 0 4 年，我国乙烯、合成树脂的表观消费量分 别为6 3 1m t 和3 0 6 3m t 。乙烯、合成树脂的表观消费量的年均增长率分别为7 1 3 和1 1 8 8 ( 2 0 0 1 - 2 0 0 4 年统计) 。未来十几年内我国石油化工产品的市场消费 仍将以较高的速度增长，到2 0 1 0 年乙烯的消费量将可能达到2 3m t ，2 0 2 0 年达 到3 8m t 。由此可见，合成树脂，特别是聚乙烯产量和新建生产装置数量将有很 大的增加。 随着流态化工程的发展，气固流化床的应用越来越广泛。特别是气相法流化 床反应器生产聚乙烯的过程，由于其具有工艺流程简单，生产能力和灵活性强， 物耗能耗低和安全性能好等众多优点，在聚乙烯的生产能力中占的比重越来越 大。分布板作为保证气固流化床良好、稳定流态化的重要构件，它对整个流化床 的流态化质量以及反应器的操作性能都具有决定性的影响。实际工业操作中，已 有的分布板存在很多问题，如流化不均匀，板上存在死区等，这些都严重影响正 常生产的进行。然而到目前为止，国内外对气相法聚乙烯流化床聚合反应器的关 键部位分布板的研究工作基本停留在基础研究工作上。 美国和欧洲的聚乙烯生产技术已经饱和，西方发达国家的大型石化公司，例 如，e x x o n 、d o w 、b a s e l l 、b p a m o c o 、c h e v r o np h i l l i p s 等凭借其技术上的明 显优势，均纷纷试图进入中国市场。中亚、印度以及东南亚的聚乙烯市场以及装 置建设需求仍比较旺盛，但是基本依靠西方大公司的技术输入。 聚乙烯生产的许多国产化工作很难越过国外公司设置的技术壁垒。原因是 国内基础的、系统的工程开发研究不足，因此，创新的工艺和设备不多。由于气 相法聚乙烯反应体系的复杂性，工程技术人员也很难借鉴其它工艺过程中有关分 布板的设计经验。因此，目前积极展开气相法聚乙烯反应器分布板的研究，是很 有必要的。研究开发具有自主知识产权的流化床反应器分布板的工作是必不可少 的，并且具有重要的战略意义。从使用的角度分析，开发出分布更加均匀的高效 分布扳是有必要的。因为反应器的操作区域已经从非冷凝态向冷凝态操作拓展 了，分布板需要具备能够同时分布气、液两相的能力，这是以前的设计理念当中 所没有考虑过的。 国内外对分布板的研究只注重了分布板的局部性能，并没有找到能准确考察 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 分布板流化均匀性、死区存在与否的方法，也就很难比较分布板之间的优劣性。 找到能准确考察分布板各项性能的方法，并对已有分布板的不足之处进行改进， 以开发出更适合工业生产的高效分布板，这具有很强的现实意义。 针对u n i p o l 工艺中分布板存在抗沉积能力不强、流化不均匀导致分布板上 结块的问题，本文设计了一种新型的抗沉积分布板结构。通过具有简单快捷、实 时在线、安全环保、非接触式、多功能性和适应各种恶劣外部环境特点的声发射 检测技术，采集气固流化床分布扳下方和床壁的颗粒碰撞所产生的声信号，结合 傅立叶变化、小波分析、小波包分析等分析方法，提出声发射检测技术判断起始 流化速度的标准，考察了不同分布板的流动模式和流化均匀性，提出声发射检测 技术判断分布板上流化死区的判据，发现声发射检测技术可准确地测量风帽的喷 射距离，同时比较了不同分布板的各项性能。本文为最终设计出更好的具有自主 知识产权的分布板提供理论基础。 综上所述，本论文主要涉及声发射检测技术与聚乙烯气固流化床的基本流体 参数测定的实验研究，并对新型分布板与传统分布板各项性能进行了研究比较。 与之相适应，本论文研究工作的撰写主要分为四部分：第三章分布板的设计和 实验装置；第四章声发射与气固流化床流化速度的实验研究；第五章声发射 与气固流化床流动模式的实验研究；第六章声发射与分布板上流化死区的实验 研究；第七章声发射与分布板风帽的实验研究。 2 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 2 1 前言 第二章文献综述 随着流态化工程的巨大发展，气固流化床在化工、石油、制药、农业、生态 化工、食品、发电等工业获得了广泛应用。特别是气相法流化床反应器生产聚乙 烯的过程，由于其工艺流程简单，生产能力和灵活性强，物耗能耗低和安全性能 好的众多优点，在聚乙烯的生产能力中占的比重越来越大。分布板作为保证气固 流化床良好、稳定流态化的重要构件，虽然它对气固流化床的直接作用范围仅 2 0 - - 3 0 厘米，然而它对整个流化床的流化态质量以及反应器的操作性能都具有决 定性的影响。因此，目前积极展开气相分布板的研究，是很有必要的。流化床分 布板的作用【1 1 如下； ( 1 ) 均匀分布流体，同时使流体通过分布板的压降最小。这可以通过选择合适 的分布板开孔率或者板压降与床压降之比，以及选择适当的预分布手段实 现； ( 2 ) 它必须使流化床有一个良好的起始流化状态，保证在分布板附近形成良好 的气固接触条件，从而消除死区。这可以通过选择分布板的结构和操作参 数给予调节； ( 3 ) 分布板不易被堵塞和腐蚀，特别是在操作过程中或在突然停止操作之后， 固体粒子不会返流入分布板之下的气室之中。 由于缺乏对分布板的系统性分析，因此之前的研究往往只注重了分布板的局 部性能。根据相关专利、文献等资料，我们总结了相应的影响分布板的因素，包 括： ( 1 ) 临界压降。气体通过分布板和床层的压降比值是衡量分布板优劣的重要标 准。 ( 2 ) 分布板开孔率。分布板开孔率是指分布板孔道面积与分布板面积之比【2 1 。 开孔率的大小决定了分布扳的孔道阻力，从而对气流分布的均匀性有重要 影响。 ( 3 ) 孔分布的均匀性。分布板的不均匀布风可以对流化床的内循环产生影响 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 闭，同时，三井化学的专利指出，变孔径的分布板，可以对均匀地分散流 化床区中的气流起到极好的作用【4 】。 ( 4 ) 孔间距。孔间距会对气泡的尺寸产生影响【5 胴，同时，合理的孔间距还可 以消除孔与孔之间形成的死区【刀。 ( 5 ) 分布板的厚度。分布板的厚度可以对流化床的流化稳定性产生影响1 8 1 。 ( 6 ) 分布板型式及孔型。常用的分布板大致可分为：密孔板；直流式、侧流式 和填充式分布板；旋流式喷嘴和分枝式分布器等四种【l 】。而每一种型式又 包括了多种不同的结构。分布板型式的不同，对气体的分布也不同，在气 体压降上差别很大。同时，文献还指出，不同的孔型对气体的分布质量也 有影响嘲。 2 2 分布板各性能参数 2 2 1 分布板的临界压力 分布板之所以能够均匀分布气体，保持良好、稳定的流化状态，最重要的原 因在于它对通过的气体能够产生一定的压降。但是，一方面压降可以均匀分散气 体，但另一方面，压降却不可避免地带来了能量损失。因此，便引出了临界压降 的概念。所谓临界压降，就是指分布板能起到均匀分布气体并且具有稳定性的最 小压降。 然而，在分布板的实际使用中，均匀分布气体和保持稳定的实现条件是有区 别的。事实上，均匀分布气体是由分布板下面的气体决定的；而流化床的稳定性 却是由床层所决赳”。因此，与之相对应，存在着两个临界压降：布气临界压降 和稳定性临界压降。在设计工作中，因取这两个压降的最大值，以同时保证布气 的均匀性和稳定性。 2 2 2 布气临界压降 流体通过分布板的压降可以用流化床中空塔速度来表示： 蜴筹 c 4 浙江丈学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 在测定了空床层下，不同开孔率的多孔扳的径向速度分布后，王尊孝等指出， 多孔板径向速度分布仅与分布板开孔率有关，与气流速度无关，当开孔率1 时，径向速度分布趋于均匀【1 0 1 。由此，得到了布气临界压降的计算公式： ( a p d ) 出- _ - 1 8 0 0 0 掣 ( 2 2 ) 但需要指出的是，在实际操作过程中，分布板上往往是有流化床料层的，这 便与空床层有所不同。存在一个速度，当气体空塔气速高于这一速度时，分 布板的所有小孔风帽都正常工作；而当气体空塔气速低于时，部分孔，风帽 由工作状态变为非工作状态。则l 临界速度即为保证分布板小孔风帽全部工作 的最小流化床表观速度。其计算公式为： 考- o 7 郴朋一s 。s 字等等广2 协， 2 2 3 稳定性临界压降 稳定性l i 缶界压降由流化床的状态所决定，它随床层的变化而变化。通过分布板的 压降通常用它与床层压降的比值来表示，即, d p j , d p t , 。根据r o b e r ts i e g e l 的文章 u 2 ，对于无吸附、易流化的大粒子，为了在多孔型分布板上保持均匀的流化， 分布板的压降应该大于床层压降的2 5 。对于较小的粒子，只需要大于1 5 1 i p 可。 但截至目前，似乎还没有一个普遍的定义来适用于确定流化的稳定性。c m p t a 和s a t h i y a m o o r t h y l l 3 l 对此进行了详细地探讨。我们引用了以下关于流化稳定性的 关键结论，以及它与分布板的联系。 为了得到一个没有沟流的流化，s i e g e l 为多孔型分布板推导了一个简单的公 式【1 2 1 ，假设所有的压降在初始的流化过程中都是一个常数。他提出的关于d 尸 4 n 的方程如下： 等= 去( 计击 c 2 4 ， 必疗lu ，j1 一 其中指数行是由r i c h a r d s o n - z a k i 方程【1 4 】得到。s i e g e l 的公式表明，板压降和 整床压降的比值，另，只对于给定的气- 固体系是一个常数。从方程( 2 - - 4 ) 中 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 司以明显看出这个结论，因为对于一个给定的气固体系，0 u 的比值是一个 常数后来，s h i 和f a n 分析了这个公式，提出s i e g e l 公式应该使得在( ， c o 的 时候同样有效f 阍，但他们的分析缺乏实验支持。 q u r e s h i 和c r e a s y 收集了一些已经发表的稳定和成功运行的气体流化床的原 型和实验室小试中分布板压降对床层压降比值r ( r = 只a 昂) 的相关数据1 们。 他们提出了一个关系式来估算i | 每界压降比值疋： 疋= ( 锐= 0 0 1 + 0 2 t 一唧( 剀 协s ， 后来，g e l d a r t 和b a e y e 船【1 7 】指出由方程( 2 5 ) 推导的足不能符合g e l d a r t 和k e l s e y t l 8 1 所提供的数据，特别是低床径比时的数据，因此对士o d o 5 推导 出了新的关系式： ( 筹) 。唧( 一等 r o r 肌” 协s ， q u r e s h i 和c r e a s y 1 6 1 提出了近似经验关系式来估算复合多孔分布板的流量系 数g ： 删慰( 协7 ， 因此，复合多孔型分布板的压降为 必一( 警 沼s ， 分布板压降对床层压降比值震可以由方程( 2 8 ) 由床层压降推导而来，它 等于足： 也= 掐( 铲尼p 一 攻f r 。爿1 面 协， 其中f r o u d e 数为厅d 一- - v 。2 o g ，在( ，= 饥时对应得到最大流化质量。根据k a s s i m 的研究嘲，分布板的压降在有床层物料时仅为没有床层物料时的7 0 。在使用 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 多孔板时，实际的压降比空床压降小8 1 2 0 1 。根据经验，一般在工业上的流化床， 床径较大，床高较高，应该选用较高的足，而在实验室中，试验用流化床的床 径床高相近，床径相对较小，因此推荐使用的足值较低口n 。 2 2 4 孔数及开孔率的影响 分布板的作用之一就是将气体进行均匀分布，而要实现这一目的，就必须考 虑到孔道阻力。流体通过气流分布板的孔道阻力，取决于孔道与反应器截面积之 比和孔内气流流速，而该值又取决于开孔率圈。通过对氧化铝、金红石以及锆 石三种固体，在开孔率分别为0 2 7 3 和o 5 2 的两种分布板上的实验， s a t h i y a m o o r t h y l l 3 1 等指出一个以氧化铝为物料，使用低开孔率的深床，可以保持 良好的流化质量。同时，他还指出一个低开孔率的分布板是处理大量精细颗粒的 不错的选择，它可以使流化质量稳定。相反的，即使在操作速率接近己k 的情况 下，在浅床中应用开孔率较高的床也可以得到良好的流化质量嘲。 梁雪松等 2 1 使用对不同开孔率的分布板进行了比较实验，得到如表2 1 所示 结果。 表2 - l 不同开孔率分布板实际效果 从上表的应用实例分析可见，3 开孔率的流化床反应器产品质量较差，热 点温度较高，易产生飞温、烧床现象，在实验过程中极易造成分布板漏料和堵塞， 且开孔率低，分布板阻力大，能耗较大；1 5 开孔率的流化床反应器，产品质量 较3 开孔率好，热点温度也较低，但床层沟流与腾涌现象严重，流化质量差， 易造成分布板堵塞；8 开孔率的流化床反应器在产品质量、热点温度和反应质 量方面表现较优。 7 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 另外，赵明举等人1 3 1 也对开孔率分别为3 ，3 5 和4 的分布板进行了研究， 结果如下： 8 0 0 。”+ 。一。一。 +1。 | 鲫 嗤4 0 0 一 l 抽。 墨o o 0 2 0 4 0 6n s f i | | i d i 勰t i 蛳v e l o c i t y r ej 图2 1 开孔率对床压降的影响 由图2 1 可以清楚地看到，三种不同开孔率的气体分布板具有相似的流化特 性，低开孔率的气体分布板压力波动较小，床层比较稳定，但同时动力消耗也较 大。 另外，s a t h i y a m o o r t h y 等还指出，在分布板上方存在床层物料的情况下， 分布板开孔率会对己产生影响。例如，在a 型分布板上( 图2 - 2 ) ，通过回归得 到的己值比从有床层物料时得到的值要大，而且随着床层物料变得更粗糙，更 紧密，这个差异不断减小。但是高孔隙率的b 型分布板的观测结果却与a 型分 布板相反。这些结果表明，不能概括地说，如果分布板上方有床层物料，分布板 压降就会降低。当孔间距增大时，很有可能在孔与孔之间形成死区。一旦在小孔 中形成气体射流，可以得到死区壁面的支撑，从而带来压力的恢复( 因为它的脱 离区域) 。因此a 型分布板比b 型分布板更容易发生压力恢复，因为a 型分布 板的孔间距( 1 6 r a m ) 比b 型分布板的孔间距( 1 0 m m ) 更大。b 型分布板有更 多的孔数( 3 2 1 ) ，这可以以相对较少的气流通过每个小孔，形成更多的射流( 与 相同气流下的a 型分布板对比) 。这种情况有益于在分布板处产生射流间的相互 作用，从而带来压力损失。由此可见，选择不同的开孔率对分布板，以及对流化 床的整体性能都有影响。 8 新江大学硕上学位论文( 2 0 0 7 ) 图2 - 2 空床与含物料流化床分布板压降对比 事实上，我们可以直观地想到，在孔径一定的情况下，分布板的孔数的多少 就决定了分布板的开孔率，因此孔数也会对分布板的性能以及流化床的流化状态 产生影响。对于分布板的孔数，文献对其进行了相关说明。任何类型的分布板， 当孔数超过1 0 0 0 个m 2 的时候，分布板上方几厘米处气泡大小与多孔分布板相应 的气泡大小一样。从化学反应的角度来看，在通常情况下没有，不用把孔间距控 制在3 厘米以内。如果孔数太小( 孔径大，孔间距大) ，可能会产生射流以及粒 子流化不充分【2 u ，在分布板上方形成死区，甚至发生漏料。 当然，现在还开发出了一些新型分布板，它们的开孔率可以进行调节。如赵 俊起等人在其文献 2 4 1 中提到了一种可变孔隙率的分布板，其原理图如图2 3 所 示。 l 飞 图2 - 3 孔隙率变化原理图 图2 - 3 中，l 为固定板上的方孔，2 为移动板上的方孔。 为移动般的平移 距离。由图中可看出，移动板上下、左右分别平移相同的距离助，所得到的新 孔( 阴影部分) 仍为方孔，但它的面积小于原来的方孔，使得总的组合板构成 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 的气流分布板的孔隙率就变小。反之，也可以使孔隙率由小到大的变化，实现孔 隙率的可调性。 但是，从实际操作过程中来看，流化床反应器分布板开孔率的确定还是以经 验为主，随意性较大，导致流化质量不理想。下面就来讨论一下分布板开孔率的 确定方法【2 1 。 ( 1 ) 稳定性压降计算分布板开孔率 稳定性压降法是取分布板压降己为床层压降a 只的1 0 ，根据板阻力再进 行孔速v k 计算，进而求得分布板的开孔率。 h = g ( 2 1 0 ) 其中c 为孔速系数，司根据其与雷诺数r e 的关系图查得。再结合开孔率的 计算公式： = 三( 2 i i ) 唯 两式联立，即可求出开孔率的大小。 ( 2 ) 布气临界压降法计算分布板开孔率 布唐l 临界压降法是指分布板阻力( 蜴= 万譬) 为入口动压头( 丛2 9 ， u 为入气口气速) 的1 0 0 倍，即： 必：万譬：譬1 0 0 ( 2 1 2 ) z gz g 由上述方程简化得： 唯：等 ( 2 1 3 ) 、，d 联立分布板开孔率方程( 2 - 1 1 ) ，得 喙= 赤一o 炻( 爿一o - 后( 丢) 协 式中为分布板开孔率；8 为分布板阻力系数；4 、4 分别为床层、入口管截面 1 0 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 积。分布板阻力系数一般在1 5 2 5 之间，因此得： 倒瓜( 舟叫历( 刳 沼 ( 3 ) 童景山法【2 5 1 童景山根据大量试验数据研究后提出的经验公式 唯= c ( 2 1 6 ) 其中c 是比例数，根据试验数据分析可取0 2 5 - - i i 3 5 ，则有 删筋、2 9 h o - 雩c ) ( , o , - , o g ) ：地”。2 9 h ( 1 - 8 岛) ( , o , - , o g ) ： 联立方程( 2 - i i ) 即可求得分布板开孔率。 2 2 5 孔径及孔分布的影响 在分布板上，如果采用孔径较小的分布板，可以形成直径更小的气泡，从而 带来比较好的流化效果。但从实际应用出发，小孑l 径的分布板常常会遇到成本过 高，易堵塞等问题，因此，从经济角度来看也并不合理。但文献1 2 1 1 中也提到， 当分布板厚度小于o 7 51 1 1 1 1 1 时，对于某些情况，如干燥等，使用孔径小于0 1n l l n 的分布板，尽管造价较高，但也是合理的。从另一方面讲，小孔孔径也不能过大。 从前面的论述中，我们已经知道，当小孔孔径过大时，可能带来分布板压降过低， 影响流化质量的问题。事实上，对于孔径大于5 d # 的分布板，还可能带来漏科的 问题，造成床层物料进入风室等不良后果。当然，针对这种情况，可以采用多种 方法解决，如在分布板下放增加一层网，或者使用具有风帽的分布板等。 赵明举等人【3 】为了研究不均匀布风对内循环流化床的影响，使用了如图2 4 所示的分布板。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 图2 4 不均匀部分流化床气体分布板 实验表明这种类型的流化床气体分布板具有内循环特性，中心区域呈移动床 状态，周围边缘区域呈流态化状态，两种复合床的共同作用，使之呈现为内循环 流化床。同时，它还可以与普通鼓泡流化床气体分布板通用，可将鼓泡流化床十 分经济地改造为内循环流化床。另外，根据专利报道1 4 】，日本三井化学株式会社 设计出一种用于气相聚合设备的新型气体分布板。根据专利证书中对其进行的描 述，该气体分布板对均匀地分散流化床区中的气流表现出极好的作用。这种气体 分布板有若干通气空，其中当聚合容器的直筒部分的内半径以1 表示时，距直筒 部分的中心0 7 至1 0 的分布板的外圆周部分中孔的平均直径大于距所述中心小 于0 7 的分布板的内圆周部分中的孔的直径。 使用这种不均匀气体分布板后，可以均匀并且稳定地分散聚合容器中流化床 区的气流，有效地防止形成死区，并有效地防止聚合物黏附在聚合容器的内壁表 面上。由此可见，这些不均匀气体分布板确实存在着优越的性能。 图2 - 5 用于气相聚合设备的气体分布板( 三井化学) 浙江大学硕士学位论文1 2 0 0 7 ) 2 2 6 孔间距的影响 孔问距的大小，对分布板的性能有极大的影响，它可以作用于分布板产生的 气泡的直径，可以造成射流的形成，可以导致死区的产生等等。因此选择一个合 理的孔间距，对最终流化床流化质量的好坏具有重要的意义。 国内外的学者从不同的角度研究了确定孔间距的方法。梁亮新5 】和d a r t o n t 6 1 讨论了孔间距对气泡尺寸的影响。w e n l 7 提出了消除多孔板空间死区的设计原则， 他提出的经验公式为： u 一= 1 5 5 4 n ( s t ) 4 矿“矿 ( 2 1 8 ) 式中，吃为孔间距，q 为进风口直径。俄罗斯学者k o s h h 等1 1 指出，其通过实 验得到关联式用于关联侧孔射程，其实意图如图1 - 5 ： t d , = 2 4 x 1 0 。g ( 岛，岛) “1 5 酽墨 ( 2 一1 9 ) 式中口为常数，对于单风帽q = o 4 0 6 ，对于多风帽q = 1 3 一1 5 。显然，为了 消除死区，保证固体粒子在分布板附近剧烈湍动，二个风帽间的有效距离应大大 小于2 ，。 图2 - 6 侧孔式风帽的喷射范围 2 2 7 分布板厚度的影响 分布板厚度对会流化床的对流的稳定性造成影响。对于这一点，m c d l i n 和 j a c k s o n 8 1 在对流化床流体机械性能的研究中得到了证实。他们的理论研究工作以 对纯净流体的理想扰动分析为基础，其主要关注对象为厚度为对床层高度比为 0 1 的多孔型分布板。 2 2 8 分布板型式及孔型的影响 浙江大学硕t 学位论文( 2 0 0 7 ) 分布板的板型非常多，在专利中提出的各种分布板型式更是琳琅满目。但总 的来说，常用的分布板大致可分为：密孔板：直流式、侧流式和填充式分布板； 旋流式喷嘴和分枝式分布器等四种【l l 。 分布板型式的选择全凭经验。一般来说，在高温下或在腐蚀性介质中操作的 分布板，结构力求简单，并要能够补偿由于热膨胀所产生的应力。在干燥作业中， 对气流的均匀分布要求不高，因此分布板的开孔率一