【摘要】：靜電普遍存在于烯烴聚合、煤燃燒及生物質(zhì)燃燒等涉及氣固流化床的工業(yè)過(guò)程中。這種存在靜電的氣固流化床反應(yīng)器稱(chēng)之為靜電流化床反應(yīng)器。在靜電流化床中,荷電顆粒在自生電場(chǎng)或外加電場(chǎng)中受到的靜電力會(huì)產(chǎn)生正反兩方面的作用,有害之處在于會(huì)誘發(fā)黏壁結(jié)塊,妨礙裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行,有利之處在于可以改善顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài),強(qiáng)化氣固流動(dòng)和熱質(zhì)傳遞過(guò)程。如何利用靜電流化床內(nèi)顆粒荷電這一固有屬性來(lái)調(diào)控床內(nèi)的流體力學(xué)行為,達(dá)到過(guò)程強(qiáng)化和化害為利的目標(biāo),具有重要的理論研究意義及應(yīng)用價(jià)值。外加電場(chǎng)和自生電場(chǎng)是利用靜電調(diào)控靜電流化床中的流體力學(xué)行為的兩種有效方式。雖然外加電場(chǎng)流化床的概念早在二十世紀(jì)中期就被提出,但是由于對(duì)靜電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不足和檢測(cè)表征手段的缺乏,現(xiàn)有研究在分析外加電場(chǎng)中顆粒受力時(shí)僅考慮極化力,研究了外加電場(chǎng)對(duì)流化床的“穩(wěn)定”作用及氣泡行為的調(diào)控作用。近年來(lái),對(duì)外加電場(chǎng)作用下納米顆粒流態(tài)化的研究已發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖力也會(huì)顯著影響納米顆粒的流化特性。雖然,納米流態(tài)化與本文研究的一般流態(tài)化并不相同,但從庫(kù)侖力的角度進(jìn)行分析,有望揭示外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中流體力學(xué)行為的影響規(guī)律和調(diào)控機(jī)制。此外,現(xiàn)有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)靜電流化床中自生電場(chǎng)對(duì)荷電顆粒的靜電力可以控制細(xì)粉揚(yáng)析,但是其作用機(jī)制尚不明晰。因此,本文以靜電流化床作為研究對(duì)象,采用聲發(fā)射檢測(cè)、壓力脈動(dòng)檢測(cè)、荷質(zhì)比檢測(cè)等多種檢測(cè)技術(shù),研究了外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中氣泡和顆粒聚團(tuán)等介尺度結(jié)構(gòu)、顆粒運(yùn)動(dòng)模式、顆粒粘壁的影響規(guī)律和作用機(jī)制；并結(jié)合CFD-DEM模擬方法,研究了靜電流化床內(nèi)自生電場(chǎng)對(duì)顆粒揚(yáng)析的調(diào)控機(jī)制。本研究期望為調(diào)控靜電流化床中的流體力學(xué)行為提供指導(dǎo),從而達(dá)到過(guò)程強(qiáng)化的目的。論文主要開(kāi)展了以下四方面工作：1.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中氣泡及顆粒聚團(tuán)等介尺度結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,揭示了外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床內(nèi)介尺度結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制,即庫(kù)侖力與極化力的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。在由床層中心指向床層壁面的錯(cuò)流外加直流電場(chǎng)中,庫(kù)侖力在低的電場(chǎng)強(qiáng)度下使得帶負(fù)電的流化床層受到壓縮,床層乳化相空隙率減小,氣泡尺寸增加；而極化力在高的電場(chǎng)強(qiáng)度下使得顆粒聚團(tuán),從而破碎氣泡,導(dǎo)致氣泡尺寸減小。在錯(cuò)流外加交流電場(chǎng)中,極化力仍會(huì)在高的電場(chǎng)強(qiáng)度下使得顆粒聚團(tuán),氣泡尺寸減小；但庫(kù)侖力并不會(huì)使流化床層中乳化相的空隙率發(fā)生變化,進(jìn)而影響氣泡尺寸。外加交流電場(chǎng)中的庫(kù)侖力使得顆粒發(fā)生鐘擺運(yùn)動(dòng),從而抑制了極化力的團(tuán)聚效應(yīng),使得二者的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度往更高的電場(chǎng)強(qiáng)度移動(dòng)。2.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中顆粒運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律及作用機(jī)制。外加直流電場(chǎng)中,低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的庫(kù)侖力是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制,而高強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的極化力是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制,因此,外加直流電場(chǎng)的方向會(huì)影響低強(qiáng)度外加直流電場(chǎng)的調(diào)控作用,而不會(huì)影響高強(qiáng)度外加直流電場(chǎng)的調(diào)控作用。外加交流電場(chǎng)中,庫(kù)侖力抑制了極化力的作用,使得庫(kù)侖力始終是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,由床層壁面指向床層中心的外加直流電場(chǎng)在0-1.0kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)使得顆粒的活躍程度降低,顆粒與壁面的接觸角增加,顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)而軸向運(yùn)動(dòng)減弱;而此強(qiáng)度范圍內(nèi)由床層中心指向床層壁面的外加直流電場(chǎng)則使得流化顆粒的活躍程度增加,顆粒-壁面的接觸角減小,顆粒的軸向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)而徑向運(yùn)動(dòng)減弱；大于等于1.5kV/cm的任一方向外加直流電場(chǎng)總是使得顆粒的活躍程度降低,床層中下部顆粒與壁面的接觸角增加,顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)而軸向運(yùn)動(dòng)減弱。而在本文研究的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)(0-2.5 kV/cm),外加交流電場(chǎng)總是使得靜電流化床內(nèi)的顆�；钴S程度增加,顆粒與壁面的撞擊角增加,顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。3.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中床層粘壁的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)中床層黏壁受顆粒與壁面之間的正應(yīng)力、鏡像力以及徑向庫(kù)侖力和極化力的耦合控制。在外加直流電場(chǎng)中上述四種作用力之間存在協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)作用,當(dāng)電場(chǎng)方向由床層壁面指向床層中心時(shí),床層粘壁量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加；當(dāng)電場(chǎng)方向由床層中心指向床層壁面時(shí),床層粘壁量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加先減小后增加。在外加交流電場(chǎng)中,顆粒與壁面之間的正應(yīng)力是影響床層粘壁量的主導(dǎo)作用力。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,荷電顆粒受到的正應(yīng)力增加,床層粘壁量降低。研究結(jié)果表明,外加交流電場(chǎng)是調(diào)控床層粘壁的首選方式。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,2.5 kV/cm的外加交流電場(chǎng)使得床層粘壁量減少了57%。此外,研究了結(jié)塊對(duì)感應(yīng)靜電勢(shì)信號(hào)的影響,提出了一種基于靜電感應(yīng)信號(hào)的結(jié)塊檢測(cè)方法。結(jié)片下落至流化床的上、中、下部均會(huì)影響床層原有的顆粒濃度分布,并改變顆粒的表面電荷,從而引起對(duì)應(yīng)位置感應(yīng)靜電勢(shì)信號(hào)出現(xiàn)“V”型特征波動(dòng),這種“V”型波動(dòng)可作為特征信號(hào)用于靜電流化床中的結(jié)片檢測(cè)。同時(shí),存在于床層下部與顆粒一起流化的結(jié)塊有可能進(jìn)入檢測(cè)電極的敏感區(qū)使得感應(yīng)靜電勢(shì)發(fā)生極性翻轉(zhuǎn),且標(biāo)準(zhǔn)偏差降低,這些特征變化可用于檢測(cè)靜電流化床中的流化結(jié)塊,并進(jìn)一步用于捕捉流化結(jié)塊。4.采用CFD-DEM模擬的方法研究了靜電流化床內(nèi)自發(fā)電場(chǎng)對(duì)細(xì)顆粒揚(yáng)析的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了靜電導(dǎo)致的床層料位高度和自由空間上部細(xì)顆粒上升速度的增加對(duì)揚(yáng)析的促進(jìn)作用,以及靜電導(dǎo)致的顆粒聚團(tuán)對(duì)細(xì)顆粒揚(yáng)析的抑制作用,揭示了顆粒團(tuán)聚主導(dǎo)進(jìn)而抑制細(xì)顆粒揚(yáng)析的作用機(jī)制。
【圖文】：

可レNB通過(guò)靜電探頭檢測(cè)得到Ｐ２，５０－５２］。靜電探頭通常由檢測(cè)電極與檢測(cè)回路構(gòu)成，逡逑檢測(cè)回路決定了由此探頭檢測(cè)得到的信號(hào)種類(lèi)。依據(jù)檢測(cè)過(guò)程中電極是否與流化逡逑顆粒接觸又可將靜電探頭分為接觸式靜電探頭與感應(yīng)式靜電探頭。圖２．６分別給逡逑出了常見(jiàn)的棒狀接觸式靜電探頭ｔｓｗ和棒狀感應(yīng)式靜電探頭口邋１的結(jié)構(gòu)，由該圖可逡逑知，其區(qū)別在于探頭的頂端是否有絕緣物質(zhì)包裹。除了圖２．６所示的棒狀靜電探逡逑頭之外，還有研究者在流化床靜電實(shí)驗(yàn)中采用了具有環(huán)形電極或者弧形電極口邋４－Ｍｌ逡逑的靜電探頭，這些靜電探頭的原理均與棒狀探頭類(lèi)似，僅僅是電極的形式不同。逡逑相比于棒狀電極，環(huán)形或者弧形電極一般緊貼于反應(yīng)器內(nèi)壁面戎外壁面，，對(duì)流化逡逑床內(nèi)流場(chǎng)的干擾較小。但同樣由于其僅能安裝于壁面，因此無(wú)法采用此探頭獲得逡逑流化床內(nèi)靜電的咨向分布。逡逑相化于荷質(zhì)比檢測(cè)，基于靜電探頭的靜電勢(shì)和靜電流檢測(cè)僅僅是獲得了流化逡逑床內(nèi)靜電水平的相對(duì)大小

度大于此計(jì)算值。靜電流化宋中結(jié)塊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中所采用的聚乙靖顆粒（標(biāo)記為Ｐ２）逡逑為篩分后的聚乙婿顆粒，粒徑分布范圍為４５０－９００＾ｍｌ，經(jīng)降速法測(cè)得其起始流化逡逑速度為０．２２ｍ／ｓ。經(jīng)馬爾文激光粒度儀測(cè)得這兩種顆粒的粒徑分布如圖３．３所示。逡逑１６邋－邐？邐Ｐ，逡逑？邋？邐—Ｐ；逡逑《１２邋－邋？邋＇？逡逑0逡逑Ｉ邋’邐？逡逑ｔ邋８邋－邐？’邐＼逡逑１．１＇邋＞、．＇逡逑Ｉ邋４邋－邐■逡逑■逡逑０邋ｍｍａｒ邐？——？———ｉ邋———■—逡逑．邐Ｉ邐．邐Ｉ邐．邐Ｉ邐．邐Ｉ邐．邐Ｉ邐．逡逑０邐５００邐１０００邐１５００邐２０００邐２５００邐３０００逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ邋（ｙｍ）逡逑西３．３聚乙e顆粒的粒徑分布逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３邋Ｊ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ邋ｄｉｓｔｒ化ｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＰＥ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．逡逑靜電流化床內(nèi)結(jié)塊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中采用的結(jié)塊為與流化顆粒同一牌號(hào)聚乙煉生逡逑產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)塊，同樣由中國(guó)石化天津分公司提供，其具體形狀見(jiàn)圖３．４。逡逑圖３．４（ａ）所示為流化床壁面產(chǎn)生的大結(jié)塊，又被成為結(jié)片，其為密實(shí)的類(lèi)長(zhǎng)方體逡逑型結(jié)構(gòu)，尺寸約為ｌＯＯ＾ＯｘｌＯｍｍ，重約為３０．８１ｇ；圖３．４（的所示的為流化床內(nèi)逡逑部熱點(diǎn)導(dǎo)致產(chǎn)生的小結(jié)塊，其為疏松的類(lèi)球型結(jié)構(gòu)，直徑約為１６ｍｍ，重約１．９２逡逑ｇ。逡逑Ｗ邐■逡逑圖３．４結(jié)塊實(shí)物圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３．４邋Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ．逡逑Ａｔｍｅｒ邋１６３是一種常見(jiàn)的商用液體抗靜電劑，其主要成分為燒基胺聚氧乙巧逡逑鞋
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ051.13


本文編號(hào)：2583199