聚乙烯流化床中静电分布的研究

论文摘要

聚乙烯流化床中,颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间以及颗粒与气体之间存在反复碰撞、摩擦及分离,若流化介质为高绝缘性物质,则不可避免地会发生静电的产生与积累,产生的静电场会改变流化床内的流体行为,导致颗粒团聚、粘壁,形成死区和沟流等。当静电积累到一定程度,达到周围介质的击穿场强,还可能引起火花放电甚至爆炸。静电问题已成为长期困扰气相法聚乙烯流化床生产过程的突出技术难题。因此,研究聚乙烯气固流化床中静电产生机理以及静电特征具有非常重要的理论意义和实用价值。论文针对上述问题,开展了以下四方面的工作:1.分析流化床中静电的产生机理;2.流化床中静电压分布特征的研究;3.基于静电压分布的流化床料位检测研究;4.基于流化床中静电测量的结片检测研究。具体的工作及成果如下:1.针对气相流化床聚合反应器生产聚乙烯的特点,提出了流态化颗粒的双极带电理论。该理论主要包括三部分内容:流化床中的静电产生-累积模型、颗粒的双极带电机理以及流化床中粒径分布与静电压分布的关系。前者利用能带模型对流化床中静电的产生和累积机理作出了解释;颗粒的双极带电理论则通过建立颗粒有效功函数与颗粒粒径和介电常数之间的物理模型,证明同种材质的聚合物颗粒的有效功函数随粒径增大而减小,因此不同粒径颗粒在接触分离后所带电荷极性相反。当可转移电荷载体为电子或阴离子时,则大颗粒带正电,小颗粒带负电,当电荷载体为阳离子,则大颗粒带负电,小颗粒带正电;最后提出颗粒在流化床轴向上具有一定的粒度分布,因此流化床中的静电荷同样存在一定分布,其中的静电场为非均匀电场。2.应用自行开发的静电压在线测量系统,对聚乙烯气固流化床中不同床高处的静电压进行测量,发现床内的静电场为一非均匀电场,静电压沿床层轴向呈“Z”型分布,且在床层稀密相分界面,即料位附近会发生极性的改变。实验同时发现,提高流化气速和静床高,稀密相分界面上升,极性改变位置也随之出现较明显的升高。而颗粒的粒径发生改变后,若颗粒在流化过程中存在较明显的料位,则极性改变现象明显,反之这种现象不会发生。最后结合静电产生-累积模型和颗粒的双极带电机理对上述现象进行了合理解释。3.基于静电压在料位处发生极性改变的特征,提出了一种流化床料位检测的新方法,该方法可实现床内静电压和料位高度的双重监控,能替代现有对人体具有致命伤害的γ射线,或可作为其它料位检测方法的补充。实验结果表明,该方法计算得到的料位高度值与实测值之间的最大相对误差4.08%,平均相对误差为2.02%,具有较高精度,符合工业生产中的要求。4.应用自行开发的静电流在线测量系统,提出了一种基于静电流的流化床结片检测方法。针对聚乙烯流化床中正常流化状况下,以及壁面和分布板上存在结片时的故障情况,分别对不同轴向和径向位置处的静电流进行了测量。实验结果表明,在正常流化状况下,床内流化均匀,左右两侧静电流大小和波动情况基本一致,对称性良好。当存在壁面结片和分布板上非对称分布结片时,均在一定区域破坏了流化状况的均匀性。前者主要影响结片下方区域的流化状态,造成下方左右两侧各测点处的平均静电流和标准偏差的差别较大。后者则对距离分布板较近的两个测点影响较大,同样造成了左右两侧静电流大小和波动程度的差异增大。结片位于分布板中心时,对流化床中流动状况的对称性几乎没有影响,但与空白实验结果相比,相同高度、相同气速下的平均电流和标准偏差均增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 2.1 聚乙烯流化床生产工艺简介
• 2.2 流化床中的静电
• 2.2.1 静电学发展历程
• 2.2.2 静电的测量
• 2.2.3 静电与结片
• 2.2.4 抗静电技术
• 2.2.4.1 安装接地装置
• 2.2.4.2 用添加剂增加颗粒导电性
• 2.2.4.3 电晕放电中和静电荷
• 2.2.4.4 降温减少静电
• 2.2.4.5 放射源辐射生成离子中和静电荷
• 2.2.4.6 调节生产工艺减少静电
• 2.3 聚乙烯流化床静电问题的研究现状
• 2.3.1 流化床中颗粒带电特点
• 2.3.2 静电对流化床中流体力学的影响
• 2.3.3 流化床内静电的分布
• 2.4 流化床料位检测
• 2.5 课题的提出
• 第三章 实验装置和方法
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验原料
• 3.3 静电测量原理
• 3.3.1 静电测量系统的概念模型
• 3.3.2 静电主要物理量检测原理
• 3.3.2.1 静电压的测量
• 3.3.2.2 电流的测量
• 3.3.2.3 静电荷的测量
• 第四章 聚乙烯流化床中静电产生机理
• 4.1 流化床中静电产生及累积模型的提出
• 4.2 流化颗粒的双极带电
• 4.2.1 颗粒的双极带电现象
• 4.2.2 绝缘体的功函数计算
• 4.2.3 流化床中的接触带电机理分析
• 4.3 小结
• 第五章 聚乙烯流化床静电压分布及料位检测
• 5.1 静电压分布特征的实验研究
• 5.1.1 空白实验
• 5.1.2 稳态静电压的计算
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.1.3.1 气速的影响
• 5.1.3.2 静床高的影响
• 5.1.3.3 颗粒粒径的影响
• 5.2 料位检测新方法的提出
• 5.2.1 静电压法检测料位的可行性分析
• 5.2.1.1 气速对静电分布的影响
• 5.2.1.2 静床高对静电压分布的影响
• 5.2.1.3 颗粒粒径对静电分布的影响
• 5.2.2 料位高度的检测
• 5.3 小结
• 第六章 基于静电测量的流化床结片检测
• 6.1 结片的形成
• 6.2 结片的检测
• 6.2.1 空白实验
• 6.2.2 壁面上结片的检测
• 6.2.2.1 实验方法
• 6.2.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 分布板上非对称分布的结片检测
• 6.2.3.1 实验方法
• 6.2.3.2 结果与讨论
• 6.2.4 分布板上对称分布的结片检测
• 6.2.4.1 实验方法
• 6.2.4.2 结果与讨论
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢