流化床中“颗粒温度”的研究

本申请项目以颗粒撞击壁面的振动能量信号测量和现代波谱分析为手段，分别在冷模流化床、热模聚合反应流化床和工业装置上，测定流化颗粒的"颗粒温度"（正比于颗粒脉动速度平方）等关键的湍动传递参数。通过反复改变各种实验条件及聚合反应条件下的崩床实验，研究湍流传递参数的调控规律，同时采用离散元模型进行模拟研究；研究乙烯气相聚合反应器中"颗粒温度"对保持气液固三相流态化和气固两相流态化流型共存以及保持"反应-蒸发-混合"协调的影响机制，以掌握流型稳定共存的操作区间；研究利用"颗粒温度"的实验数据协助封闭颗粒拟流体运动方程的方法，研究相间相互作用自动适应流型变换的调节机制，并应用于双流型共存的反应器结构参数和操作条件的模拟优化，提高CFD模型的预测能力。本项目研究对于面向传热强化和产品工程的双流型/双温区流化床乙烯聚合反应器以及其它的多相流过程的开发研究均具有重要的学术意义和应用价值。

2011年~2013年，本项目组按照研究计划基本完成相关研究内容。项目的主要成果包括建立了ASN激励测量和标定方法，为“颗粒温度”的实验测量方法提供了坚实的基础。采用此振动信号测量的方法，对气固流化床反应器中“颗粒温度”进行了表征，结合吸引子、复杂性分析等信号分析方法，对实验室冷漠、工业热模气固流化床中的结块故障进行了诊断，结果显示均能有效地表征结块的产生。相比其他分析方法以及结块测量手段，吸引子法表现得更加迅速、灵敏，能在结块早期就对故障有明显的反映，类似的方法应用到卧式搅拌釜中也得到了较好的结果。此工作对工业流化床的稳定操作具有十分重要的意义，表明本项目提出的测量方法具有广阔的应用前景。在实验测量方面取得进展的同时，采用目前研究广泛的CFD模拟手段， Fluent软件进行流化床模拟研究，采用基于颗粒动力学理论的双流体模型，获得了“颗粒温度”谱，并结合级串理论对颗粒温度谱划分为含能尺度、惯性尺度和耗散尺度，并发现“颗粒温度”谱衰减具有表征“滞留区”位置的潜力。与此同时，对流化床内湍动参数进行模拟，研究分析了湍动能耗散的间歇性，并考察影响湍动耗散间歇性的因素。将小波分解应用于颗粒脉动速度的分析，得到了颗粒运动引发的涡的一系列性质，并将单相流中的相干结构概念引入气固流体系中，通过进一步检测和分析验证，证明了流化床中存在着决定流场间歇性的相干结构。模拟这一部分的工作，对深刻地理解流化床中存在的湍动特性和流场间歇性的研究，具有重要的理论意义。.在此基金项目的资助下，已发表论文SCI论文12篇，EI论文6篇，还培养了3位博士研究生，其中2位已通过答辩获得博士学位。并与德国伊梅尔瑙理工大学Siegfried Stapf教授研究小组进行合作交流，并赴美国参加AIChE年会并作口头报告交流，形成了国际上的影响力。工业应用方面，结块故障检测技术，已在中石化股份有限公司的烯烃聚合流化床反应器装置中得到应用，形成流化床的稳定性在线监控技术，转化成实际生产力。