多相流體系臨界現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變和調(diào)控.pdf

1、在復(fù)雜多變的多相流體系中，準(zhǔn)確檢測(cè)各種操作參數(shù)的關(guān)鍵是如何用最佳的檢測(cè)手段提取體系中的有效信息進(jìn)行分析。利用反映多相流動(dòng)特性的波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)從中提取出的特征信息，從而實(shí)現(xiàn)多相流參數(shù)的測(cè)量一直是多相流檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在多相流體系中，廣泛存在各種臨界現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)變方式和規(guī)律是多相流反應(yīng)器的重要調(diào)控依據(jù)。因此，將各種臨界現(xiàn)象作為一種特殊的問(wèn)題加以研究，分析不同操作條件下臨界現(xiàn)象的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立波動(dòng)信號(hào)與各種臨界參數(shù)的直接關(guān)聯(lián)，不僅

2、極富挑戰(zhàn)性，同時(shí)對(duì)于掌握多相流體系的流動(dòng)狀態(tài)以解決實(shí)際生產(chǎn)中涉及多相流體系的各種具體問(wèn)題具有重要意義。
　　 針對(duì)多相流體系中存在的各種臨界現(xiàn)象以及關(guān)鍵參數(shù)，本研究選擇了具有實(shí)時(shí)在線、安全環(huán)保、簡(jiǎn)便準(zhǔn)確、不侵入流場(chǎng)以及適合工業(yè)裝置等惡劣外部環(huán)境特點(diǎn)的聲發(fā)射測(cè)量技術(shù)作為手段，結(jié)合頻譜分析、小波分析以及多尺度分析方法等多種分析手段，通過(guò)單通道和多通道測(cè)量方法，分析了時(shí)域和空間兩個(gè)層面存在的各種臨界現(xiàn)象，獲得了多相流體系中氣固兩相體系

3、和液固兩相體系的關(guān)鍵參數(shù)與聲信號(hào)存在的直接關(guān)聯(lián)。首先，通過(guò)單通道隨時(shí)域變化的信號(hào)特征分析，建立了包括臨界流化速度、臨界湍動(dòng)速度、臨界懸浮轉(zhuǎn)速等臨界參數(shù)的判斷準(zhǔn)則；其次，通過(guò)多通道隨空間變化的信號(hào)特征分析，建立了包括顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流化質(zhì)量惡化、淤漿懸浮高度等臨界現(xiàn)象的判斷準(zhǔn)則；最后，以多相流體系中的氣固流化床為例，基于臨界現(xiàn)象理論，針對(duì)不同顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)及其轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立了顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控依據(jù)。分別獲得了包括分布板結(jié)構(gòu)、布?xì)夥绞?、?/p>

4、加攪拌設(shè)備以及床結(jié)構(gòu)等因素對(duì)氣固體系顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出了不同因素影響下相應(yīng)的流化質(zhì)量改善策略，為工業(yè)生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。本論文的主要研究成果如下：
　　 1．基于單通道聲發(fā)射技術(shù)，研究了多相流體系中隨時(shí)域變化的各種臨界現(xiàn)象。通過(guò)分析聲信號(hào)的時(shí)域特征變化，建立了各種時(shí)域臨界參數(shù)的判斷準(zhǔn)則。其中包括代表氣固流化床流型臨界轉(zhuǎn)變的臨界流化速度、臨界湍動(dòng)速度和代表液固攪拌體系流型臨界轉(zhuǎn)變的臨界懸浮轉(zhuǎn)速。
　　 1)在氣固

5、流化床體系中，采用頻譜分析，得到了氣固流化床中固體顆粒碰撞壁面產(chǎn)生聲信號(hào)的機(jī)理和特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲信號(hào)的能量和方差隨氣速呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，能量值和方差值在臨界流化速度和臨界湍動(dòng)速度附近均有階躍性的增長(zhǎng)?；诖?，提出了能量比和方差比的概念，研究發(fā)現(xiàn)在流型臨界轉(zhuǎn)變處存在能量比和方差比的極值。由此，得到了基于聲發(fā)射技術(shù)的氣固流化床中流型臨界現(xiàn)象轉(zhuǎn)變的判斷依據(jù)，即當(dāng)聲能量比或方差比達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的表觀氣速為臨界流化速度，能量比或方差比達(dá)到

6、次最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的表觀氣速為臨界湍動(dòng)速度。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)考察了不同Geldart分類(lèi)顆粒對(duì)流型臨界轉(zhuǎn)變的影響，對(duì)比分析了不同分類(lèi)顆粒的流化特性。
　　 2)在液固攪拌釜體系中，結(jié)合聲信號(hào)的頻譜分析、小波分解和R/S分析，得到了攪拌釜反應(yīng)器中固體顆粒碰撞壁面產(chǎn)生聲信號(hào)的機(jī)理和特征。根據(jù)各小波尺度下聲信號(hào)的Hurst指數(shù)變化規(guī)律，獲得了液固攪拌釜中代表固體顆粒相運(yùn)動(dòng)特征的聲信號(hào)特征頻段（S1尺度）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲信號(hào)特征頻段能量隨攪拌轉(zhuǎn)

7、速呈現(xiàn)規(guī)律性的變化?；诖?，選取特征頻段的能量分率值作為特征參數(shù)，根據(jù)S1尺度能量分率值隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，提出了攪拌釜反應(yīng)器中流型臨界轉(zhuǎn)變的判斷依據(jù)，即當(dāng)聲信號(hào)特征頻段能量分率快速減少并開(kāi)始趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速為臨界懸浮轉(zhuǎn)速。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)考察了粒徑、表觀漿液濃度和槳葉離底高度等操作條件對(duì)臨界懸浮轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律。結(jié)果表明，臨界懸浮轉(zhuǎn)速隨著粒徑、漿液濃度和槳葉離底高度的增加而增加。
　　 2．基于多通道聲發(fā)射測(cè)量技術(shù)，研究了

8、多相流體系中隨空間變化的各種臨界現(xiàn)象。通過(guò)分析聲信號(hào)的空間特征變化，建立了各種空間臨界現(xiàn)象的判斷準(zhǔn)則。其中包括代表氣固流化床中流化質(zhì)量臨界轉(zhuǎn)變的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)和代表液固攪拌體系兩相混合均勻程度臨界轉(zhuǎn)變的淤漿懸浮高度。
　　 1)在氣固流化床反應(yīng)器中，沿壁面不同高度設(shè)置多通道聲發(fā)射探頭，結(jié)合聲信號(hào)能量分析，得到了固體顆粒不同分布和運(yùn)動(dòng)方式呈現(xiàn)的循環(huán)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。利用聲信號(hào)能量的空間分布，獲得了表征流化質(zhì)量臨界轉(zhuǎn)變的流動(dòng)結(jié)構(gòu)的判斷依據(jù)，揭

9、示了聚乙烯流化床內(nèi)存在大、小兩個(gè)循環(huán)的整床流動(dòng)模式，兩個(gè)循環(huán)的分界即為顆粒流化滯留區(qū)域。根據(jù)聲信號(hào)能量沿床高的變化規(guī)律可以確定滯留區(qū)的位置，在滯留區(qū)位置聲能量存在極小值，對(duì)應(yīng)為顆粒運(yùn)動(dòng)相對(duì)不活躍的區(qū)域，聚合物團(tuán)聚和結(jié)塊現(xiàn)象容易在此區(qū)域產(chǎn)生。同時(shí)，通過(guò)考察不同操作條件如表觀氣速、顆粒粒徑、靜床高以及顆粒種類(lèi)對(duì)顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)臨界轉(zhuǎn)變的影響，得到了相應(yīng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除靜床高外，表觀氣速、粒徑大小和顆粒種類(lèi)均對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)存在較大影響

10、，當(dāng)上述操作條件變化時(shí)，顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)往往隨之發(fā)生改變，流動(dòng)結(jié)構(gòu)在單循環(huán)和雙循環(huán)之間轉(zhuǎn)變。研究表明，利用不同操作條件下聲信號(hào)能量在空間的分布規(guī)律，獲得整床顆粒的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和滯留區(qū)位置，可以為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供穩(wěn)定操作的依據(jù)，以改善反應(yīng)器的流化質(zhì)量。
　　 由于滯留區(qū)高度對(duì)應(yīng)為顆粒運(yùn)動(dòng)不活躍的位置，在實(shí)驗(yàn)室冷模裝置中考察了結(jié)塊存在時(shí)，顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的臨界轉(zhuǎn)變規(guī)律。通過(guò)人為模擬結(jié)塊產(chǎn)生（在流化床中添加不同重量的結(jié)塊），考察了結(jié)塊尺寸對(duì)循環(huán)模

11、式的影響。結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)塊尺寸達(dá)到一定程度時(shí)，聚乙烯顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變，由單循環(huán)流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p循環(huán)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而結(jié)塊所處高度對(duì)應(yīng)于大、小循環(huán)界面的滯留區(qū)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從另一角度闡明了滯留區(qū)存在與結(jié)塊產(chǎn)生的因果聯(lián)系。由此說(shuō)明，當(dāng)流化床內(nèi)存在的結(jié)塊到達(dá)一定量以后，結(jié)塊影響的區(qū)域變大，甚至改變了整床的顆粒分布和運(yùn)動(dòng)方式，轉(zhuǎn)變了循環(huán)模式。
　　 同時(shí)，基于氣固流化床顆粒流化結(jié)構(gòu)的理論，提出了利用“顆粒溫度”概念來(lái)定量表征流化床不

12、同位置顆粒運(yùn)動(dòng)活躍程度的理念。根據(jù)顆粒作用于器壁產(chǎn)生聲信號(hào)的機(jī)理以及“顆粒溫度”的本質(zhì)特征，首次建立了基于“顆粒溫度”和聲發(fā)射技術(shù)的定量表示顆粒運(yùn)動(dòng)活躍程度的理論模型。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)得出了顆粒溫度的計(jì)算公式，獲得了流化床內(nèi)不同區(qū)域（主流區(qū)和滯流區(qū)）的顆粒溫度空間分布。基于此，提出了“臨界顆粒溫度”和“臨界操作氣速”的概念，進(jìn)而得到了氣固流化床良好流化的判據(jù)，即當(dāng)流化床內(nèi)所有區(qū)域的顆粒溫度均大于臨界顆粒溫度（T*≥T*cr）時(shí)，床內(nèi)顆

13、粒具有一定的活躍程度，整床流化質(zhì)量良好，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚結(jié)塊的流化床故障?；谂袚?jù)，得到了不同顆粒粒徑下的臨界操作氣速。利用臨界顆粒溫度和臨界操作氣速，可對(duì)工業(yè)上生產(chǎn)監(jiān)控和操作優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，由此實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射技術(shù)定量監(jiān)測(cè)反應(yīng)器流化質(zhì)量及其臨界轉(zhuǎn)變的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
　　 2)在液固攪拌釜體系中，沿反應(yīng)器壁面不同高度設(shè)置多通道聲發(fā)射探頭，研究了聲信號(hào)在空間的分布規(guī)律。根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)碰撞攪拌釜壁面產(chǎn)生聲信號(hào)的機(jī)理，結(jié)合頻譜分析、小波分解和

14、R/S分析，發(fā)現(xiàn)代表顆粒相運(yùn)動(dòng)特性的聲信號(hào)特征頻段能量值與液固兩相的混合程度緊密相關(guān)。隨著攪拌釜軸向高度位置的增加，聲能量值呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。基于此，提出了聲發(fā)射技術(shù)測(cè)量攪拌釜淤漿懸浮高度的判據(jù)，即當(dāng)聲信號(hào)特征頻段能量或能量比出現(xiàn)階躍性變化時(shí)對(duì)應(yīng)的高度為淤漿懸浮高度，利用此判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于聲發(fā)射技術(shù)的液固體系混合程度臨界轉(zhuǎn)變的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)改變顆粒尺寸、攪拌槳的形式（盤(pán)式渦輪和槳式葉輪）等操作條件，驗(yàn)證了聲發(fā)射技術(shù)測(cè)量淤漿懸浮

15、高度的判據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與目測(cè)法很好地吻合，兩種槳型實(shí)驗(yàn)的平均相對(duì)誤差分別為6.5％和8.9%，具有較高精度。
　　 3．以多相流體系中的氣固流化床為例，基于臨界現(xiàn)象理論，建立了顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的臨界調(diào)控依據(jù)，分別獲得了包括外加攪拌設(shè)備、不同布?xì)夥绞健⒉煌植及褰Y(jié)構(gòu)以及不同床結(jié)構(gòu)下顆粒流動(dòng)模式的臨界轉(zhuǎn)變規(guī)律，并提出了相應(yīng)的流化質(zhì)量改善策略。
　　 1)通過(guò)在氣固流化床中引入外加攪拌裝置，指出了攪拌槳葉作用對(duì)顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有較大影

16、響。由于攪拌槳的作用，床內(nèi)粒子不斷被帶入氣泡內(nèi)部，床內(nèi)氣泡不斷破碎，使得大氣泡、溝流和節(jié)涌減少甚至消失，保持了流化床良好的流化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)比沒(méi)有攪拌作用時(shí)的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)，攪拌槳葉的引入強(qiáng)化了流化過(guò)程，在加強(qiáng)氣泡相和顆粒相相互作用的同時(shí)，消除了滯留區(qū)域，減少了流化的不均勻和不穩(wěn)定，同時(shí)使得料位更加穩(wěn)定。
　　 2)通過(guò)改變孔板型氣體分布板的布?xì)夥绞剑O(shè)計(jì)了內(nèi)圓-外環(huán)相同面積的兩路不同進(jìn)氣方式，系統(tǒng)分析了不同表觀氣速下的聲能量

17、空間分布與流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)受到表觀氣速大小和布?xì)夥绞降墓餐绊?。同時(shí)利用聲信號(hào)能量的空間分布規(guī)律，獲得了不同布?xì)夥绞较抡驳念w粒運(yùn)動(dòng)方向和氣泡分布情況。結(jié)果表明，內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩種不同的布?xì)夥绞皆斐闪私厝徊煌念w粒運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
　　 3)針對(duì)四塊不同結(jié)構(gòu)的氣體分布板，利用聲發(fā)射技術(shù)研究了裝載不同分布板的流化床顆粒死區(qū)分布情況以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)的臨界轉(zhuǎn)變。通過(guò)不同區(qū)域的聲信號(hào)能量和方差分析，得到了顆粒死區(qū)分布和流

18、化均勻性的判斷依據(jù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比并分析了不同分布板結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響及其內(nèi)在原因，篩選得出了滿足壓降穩(wěn)定性及流化質(zhì)量良好的抗沉積分布板，提供了分布板優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
　　 4)針對(duì)二維氣固流化床，實(shí)驗(yàn)考察了床結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒循環(huán)模式的影響。結(jié)果表明，二維流化床由于受到邊壁效應(yīng)的影響，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)與三維流化床存在較大差別，氣泡只能在二維空間發(fā)展，床內(nèi)更容易出現(xiàn)大尺寸扁平氣泡。因此，在二維床中容易形成節(jié)涌等不穩(wěn)定流化狀況，并且不能形成類(lèi)