流化床气相聚合反应器中颗粒聚团的形成演化规律及定向调控机制研究

Particle agglomerations are typical meso-scale structures in gas phase fluidized bed polymerization reactors. Its formation and evolvement law is always regarded as a research hot spot. This project proposes to use novel experimental apparatus and methods, electromagnetic induction heating system and polyethylene/iron composite microsphere particles with a core-shell structure. Making use of the highly cohesive feature of PE particles at high temperatures to simulate the agglomeration process for fluidized bed polymerization, and controlling the heating rate, the particles will melt quickly and thus the agglomeration structure can be captured. Various measurement methods are used to analyze the agglomeration structures. For example, Nuclear Magnetic Resonance, Raman Spectrum and Scanning Electron Microscope techniques are used for tomoscan analysis of the cross-sectional morphology, distribution of the voidage and crystallinity, in order to obtain the full spectrum graphs of agglomerations. Moreover, acoustic emission technique is used to detect the particle agglomeration size and particle agglomeration temperature so as to study the formation and evolvement law, as well as the control mechanism. The project expects to establish particle agglomeration population balance model, clarify particle agglomeration regulation and control mechanism under synergistic actions between flow field and transport process. All these work will help to realize the directional regulation and control for the particle agglomerations and further give guidelines for scale-up design and operation security of gas phase fluidized bed polymerization reactors.

颗粒聚团是流化床气相聚合反应器中典型的介尺度结构，其形成演化规律一直都是研究热点。本申请创新性地使用电磁感应加热具有核壳结构的聚乙烯/铁粉复合微球并控制发热速率，利用聚乙烯受热易粘结的特性，模拟流化床聚合反应的颗粒团聚结块过程，快速固化捕捉颗粒聚团。进而采用核磁、拉曼、扫描电镜等技术对颗粒聚团进行断层扫描和结构分析，根据切面形态、孔隙率和结晶度分布，获得颗粒聚团结构的全谱图。结合声发射技术在线检测颗粒聚团尺寸和“颗粒聚团温度”，研究颗粒聚团的形成演化规律和调控机制，期望建立颗粒聚团众体平衡模型，阐明流场和传递协同作用下的颗粒聚团调控机制，实现颗粒聚团的定向调控，有效指导流化床气相聚合反应器的放大设计和安全运行。

颗粒聚团是流化床气相聚合反应器中典型的介尺度结构，其形成演化规律一直都是研究热点。本项目使用电磁感应加热具有核壳结构的聚乙烯/铁粉复合微球和聚乙烯蜡/石墨复合微球并控制发热速率，利用聚乙烯和聚乙烯蜡受热易粘结的特性，模拟颗粒团聚结块过程，发明了基于电磁感应加热的颗粒聚团快速固化捕捉技术。采用声发射、压差、摄像等技术观测颗粒聚团的形貌、尺寸、质量、粒径分布等参数，建立了颗粒聚团参数的定量表征方法。在此基础上，实验发现颗粒团聚过程包括渐变式团聚和突变式团聚两种模式，渐变式团聚时颗粒粒径分布为单峰分布，突变式团聚时颗粒粒径分布为多峰分布；细颗粒的团聚性能优于粗颗粒，细颗粒-细颗粒团聚及细颗粒-粗颗粒团聚是发粘颗粒团聚的主要形式。进一步，考虑颗粒碰撞聚并以及气泡剪切破碎聚团，建立了描述渐变式团聚的群体平衡模型和基于等数目事件驱动蒙特卡洛方法的颗粒团聚过程数学模型，并获得实验验证，计算发现随着床层温度的升高和流化气速的降低，聚并效率增大，破碎效率降低。最后，提出了通过液体蒸发强化传热，利用流场和传递的匹配和协调定向调控颗粒聚团尺寸的方法。研究发现液体架桥和液体蒸发这两种作用机制是协调竞争的关系，它们耦合控制着颗粒聚团的形成和演化。当液体架桥作用占主导地位时，液含量的增加将促进颗粒团聚；当液体蒸发作用占主导地位时，液含量的增加将抑制颗粒团聚。根据力平衡分析和实验结果，提出了基于相对固桥力Fr的颗粒聚团稳定存在判据：当Fr＞20时，颗粒聚团能够稳定存在；当Fr＜6时，颗粒聚团不能稳定存在；当6＜Fr＜20时，有少量颗粒聚团生成。结合所绘制的液含量、床层温度与颗粒聚团质量的关系图，通过调节液含量、流化气速、流化气温度等操作参数，精确控制液体蒸发作用和液体架桥作用的相对强度，实现颗粒聚团尺寸及其分布的定向调控。研究结果已经成功用于指导2套流化床聚合反应器的设计和优化运行。