烯烴聚合流化床反應(yīng)器內(nèi)動(dòng)結(jié)塊的聲發(fā)射檢測(cè)

婁仁杰，韓兆輝

(中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院大連分院，遼寧 大連 116032)

0 前言

在流化床乙烯氣相聚合過(guò)程中，由于聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大，氣、固之間的傳熱速率相對(duì)較低，聚合物顆粒容易聚集形成結(jié)塊。如果不及時(shí)采取相應(yīng)措施，將會(huì)干擾流化床的正常流化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起“熔床”，甚至導(dǎo)致非計(jì)劃停車。因此，結(jié)塊的預(yù)防和監(jiān)控意義重大。

Hendrickson[1]的研究結(jié)果表明，烯烴聚合流化床反應(yīng)器中的結(jié)塊按其產(chǎn)生機(jī)理可以分為粘結(jié)在反應(yīng)器壁面的“熱結(jié)塊”（即靜結(jié)塊）和已經(jīng)熔融固化并且在流化床底部活動(dòng)的“冷結(jié)塊”（即動(dòng)結(jié)塊）。由于熔融固化的動(dòng)結(jié)塊尺寸大，往往在分布板附近運(yùn)動(dòng)。若動(dòng)結(jié)塊進(jìn)一步粘結(jié)長(zhǎng)大，則有可能導(dǎo)致分布板堵塞，繼而引發(fā)生產(chǎn)事故。

聲發(fā)射技術(shù)通過(guò)接收和分析流化床反應(yīng)器中顆粒撞擊壁面產(chǎn)生的聲信號(hào)，并與過(guò)程中的操作參數(shù)相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)和監(jiān)控。Cody 等[2-3]通過(guò)對(duì)流化床壁面聲信號(hào)的解析，獲得了流化床內(nèi)近壁面處顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況和“顆粒溫度”。王靖岱等[4-6]對(duì)顆粒碰撞壁面產(chǎn)生的聲信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，提出了基于聲發(fā)射技術(shù)的流化床故障診斷方法。虞賢波等[7]根據(jù)黏壁結(jié)塊前后流化床聲能量的軸向、周向分布，建立了床層黏壁結(jié)塊（靜結(jié)塊）的聲發(fā)射檢測(cè)方法。但是以往的研究對(duì)象多集中于床層整體的流化狀況或者是固定在床層壁面的靜結(jié)塊，對(duì)近分布板處動(dòng)結(jié)塊的研究較少。

本文在冷模實(shí)驗(yàn)裝置中，利用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)和對(duì)比分析有無(wú)結(jié)塊時(shí)近分布板區(qū)域的聲信號(hào)，提取表征動(dòng)結(jié)塊運(yùn)動(dòng)特性的特征參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)結(jié)塊的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，由氣固流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成。其中，氣固流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置包括羅茨風(fēng)機(jī)、干燥器、流量計(jì)、閥門(mén)、DN400 mm 的鐵質(zhì)流化床；聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)包括內(nèi)置放大器的聲發(fā)射探頭、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)使用壓縮空氣作為流化氣體，使用線性低密度聚乙烯（LLDPE）作為流化顆粒，使用如圖2 所示的絲狀結(jié)塊和塊狀結(jié)塊來(lái)模擬工業(yè)反應(yīng)器中的動(dòng)結(jié)塊。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從羅茨風(fēng)機(jī)出來(lái)的氣體經(jīng)干燥器干燥和流量計(jì)計(jì)量后，經(jīng)流化床底部的混合室和分布板進(jìn)入流化床中，使得流化床內(nèi)的聚乙烯顆粒流化。顆粒撞擊流化床壁面產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡在計(jì)算機(jī)上記錄。

圖1 氣固流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置及聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 實(shí)驗(yàn)用聚乙烯結(jié)塊

實(shí)驗(yàn)前，向流化床中加入80 kg 聚乙烯，靜床高約為160 cm。分別測(cè)量了正常流化、加入絲狀結(jié)塊和加入塊狀結(jié)塊等三種情況下流化床底部近分布板區(qū)域的聲信號(hào)。其中，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率為500 kHz，采樣時(shí)間為5 s，聲發(fā)射探頭置于分布板上方10 cm 處的外壁上。三種情況下流化床內(nèi)表觀氣速均為0.55 m/s。通過(guò)對(duì)比分析有無(wú)結(jié)塊時(shí)近分布板區(qū)域的聲信號(hào)，提取可以用于表征結(jié)塊的特征參數(shù)，可以建立流化床內(nèi)動(dòng)結(jié)塊的聲發(fā)射檢測(cè)方法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

聲信號(hào)能量可以表征流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。聲信號(hào)能量越大，表明顆粒運(yùn)動(dòng)越劇烈；反之，聲信號(hào)能量越小，表示顆粒運(yùn)動(dòng)越弱。一般而言，結(jié)塊的密度和粒徑都比正常顆粒大，在流化床內(nèi)的運(yùn)動(dòng)性較差，使得其周圍的顆粒運(yùn)動(dòng)活躍性減弱，導(dǎo)致聲信號(hào)能量變小。此外，結(jié)塊與聚乙烯顆粒尺寸上的差異會(huì)導(dǎo)致聲信號(hào)頻譜的變化。因此，本節(jié)以聲信號(hào)能量和聲信號(hào)頻譜作為特征參數(shù)，對(duì)比分析有無(wú)結(jié)塊時(shí)近分布板區(qū)域聲信號(hào)的異同。

2.1 聲信號(hào)能量

圖3 給出了絲狀結(jié)塊加入過(guò)程中聲信號(hào)能量隨時(shí)間的變化。由圖3 可知，在第75 s 加入絲狀結(jié)塊后，聲信號(hào)能量出現(xiàn)一定程度的下降，但是變化不明顯。這是由于絲狀結(jié)塊結(jié)構(gòu)較為疏松，體積較大，相對(duì)密度較小，在流化床內(nèi)的沉降速度較慢，從床層上部運(yùn)動(dòng)到床層底部所需的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，在第112 s 才觀測(cè)到較為明顯的聲信號(hào)能量下降。但是，由于絲狀結(jié)塊在流化氣體作用下能再次流化，此后聲信號(hào)能量又有明顯的回升?？傮w而言，絲狀結(jié)塊加入后導(dǎo)致的聲信號(hào)能量有所降低，但是降低幅度不大。

圖3 絲狀結(jié)塊加入過(guò)程中聲信號(hào)能量隨時(shí)間的變化

圖4 塊狀結(jié)塊加入過(guò)程中聲信號(hào)能量隨時(shí)間的變化

圖4 給出了塊狀結(jié)塊加入過(guò)程中聲信號(hào)能量隨時(shí)間的變化。由圖4 可知，在第82 s 加入塊狀結(jié)塊后，聲信號(hào)能量快速下降，且此后一直在低位波動(dòng)。這是由于塊狀結(jié)塊結(jié)構(gòu)較為致密，在流化床內(nèi)的沉降速度較快，因此加入后很快就在床層底部觀測(cè)到較為明顯的聲信號(hào)能量下降。此后，由于塊狀結(jié)塊很難被流化，只能在分布板上方來(lái)回運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其周圍顆粒的平均運(yùn)動(dòng)程度減弱，從而使得聲信號(hào)能量一直維持在較低的水平。

由上述分析可知，與正常流化時(shí)相比，加入絲狀結(jié)塊和塊狀結(jié)塊后近分布板區(qū)域的聲信號(hào)能量會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降，比較而言，加入塊狀結(jié)塊后聲信號(hào)能量下降更為顯著。

2.2 聲信號(hào)頻譜

正常流化、加入絲狀結(jié)塊和加入塊狀結(jié)塊等三種情況下，流化床底部近分布板區(qū)域聲信號(hào)的頻譜如圖5 所示。由圖5 可知，加入結(jié)塊后聲信號(hào)頻譜的低頻部分（0～20 kHz）和高頻部分（70～150 kHz）的能量均出現(xiàn)不同程度的降低，且高頻部分能量的下降比低頻部分更為顯著，塊狀結(jié)塊導(dǎo)致的聲信號(hào)能量下降比絲狀結(jié)塊更為顯著。從圖5 中還可以看出，正常流化時(shí)聚乙烯顆粒撞擊金屬壁面產(chǎn)生的聲信號(hào)的主頻在80 kHz 左右，加入結(jié)塊后聲信號(hào)的主頻向低頻方向移動(dòng)。這是因?yàn)槁曅盘?hào)的主頻與顆粒粒徑負(fù)相關(guān)，顆粒粒徑越大，撞擊壁面產(chǎn)生的聲信號(hào)的主頻越低[6]。由上述分析可知，與正常流化時(shí)相比，加入絲狀結(jié)塊和塊狀結(jié)塊后，近分布板區(qū)域的聲信號(hào)頻譜的主頻向低頻方向移動(dòng)，聲信號(hào)頻譜低頻部分和高頻部分聲信號(hào)能量也會(huì)降低。

圖5 有無(wú)結(jié)塊時(shí)近分布板區(qū)域的聲信號(hào)頻譜對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分析正常流化、加入絲狀結(jié)塊和加入塊狀結(jié)塊等三種情況下聲信號(hào)能量和頻譜的差異，建立了流化床近分布板區(qū)域內(nèi)動(dòng)結(jié)塊的聲發(fā)射檢測(cè)方法。研究發(fā)現(xiàn)，聲信號(hào)能量降低、聲信號(hào)頻譜低頻部分（0～20 kHz）和高頻部分（70～150 kHz）的能量降低、聲信號(hào)頻譜的主頻向低頻方向移動(dòng)等三種現(xiàn)象可以作為近分布板區(qū)域內(nèi)動(dòng)結(jié)塊存在的聲發(fā)射判據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)，與加入絲狀結(jié)塊相比，加入塊狀結(jié)塊后，聲信號(hào)能量下降更為顯著，且聲信號(hào)頻譜的高頻部分能量下降比低頻部分更為明顯。研究結(jié)果表明，聲信號(hào)能量和聲信號(hào)頻譜均可以用于判斷在近分布板區(qū)域是否有動(dòng)結(jié)塊存在。

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