脈沖氣流對烯烴流化床氣泡特性的影響

王蕾，陳東輝，杜長河，李洪偉，洪文鵬

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

流化床是一種典型的氣固兩相流反應器，它能使固體顆粒利用氣體在床內(nèi)懸浮達到流化的狀態(tài)，被廣泛應用于固體干燥、燃燒、藥品生產(chǎn)等工業(yè)過程中。流化床中流化效果的提高有利于節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率，所以提高流化效果的方法被不斷探索。目前對于流化效果提高主要包括優(yōu)化反應器結(jié)構(gòu)、聲場激勵[1-2]、機械振動[3]等方法。其中，將脈沖氣流加入到流化床中，能夠起到強化流化床內(nèi)換熱的效果，使換熱系數(shù)和熱效率得到提高；也能提高流化質(zhì)量，減少生產(chǎn)過程中溝流、結(jié)片等異?，F(xiàn)象的發(fā)生。因此，脈沖氣流成為一種簡單、有效的強化手段。

脈沖燃燒干燥器是典型的脈沖氣流反應器。Hanby[4]對氣體燃料脈沖燃燒器的傳熱特性進行探究，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流會影響燃燒器中速度振幅以及平均速度的大小，傳熱系數(shù)取決于兩者的比值大小，傳熱系數(shù)最高時可達到平穩(wěn)流化床傳熱系數(shù)的2.5倍。Karamercan等[5]通過管內(nèi)脈沖氣流的實驗研究，對于雷諾數(shù)不同的流體進行傳熱系數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)脈沖氣流的條件下傳熱系數(shù)較正常的提高了60%～70%。Massimilla等[6]在脈沖干燥器上對小麥等物料進行干燥，發(fā)現(xiàn)脈沖干燥器的干燥性能要高于傳統(tǒng)的流化床和固定床。Nitz 等[7]對新鮮菜豆進行對流干燥實驗研究，將常規(guī)流化床與脈沖流化床結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)脈沖所提供的減少的氣流速率并沒有降低干燥速率。黃穎等[8]對脈動流化床氣泡特性進行了二維冷態(tài)模擬實驗，發(fā)現(xiàn)脈動氣流可以有效減小氣泡大小，從而促進氣固兩相之間的接觸。Li等[9]建立了混合脈沖流化床干燥顆粒實驗裝置，與CFD-DEM 數(shù)值模擬方法結(jié)合對混合脈沖流化床的性能進行了研究，結(jié)果表明顆粒在混合脈沖流化床中表現(xiàn)出有規(guī)律的周期性運動，從而促進了顆粒的流化效果。KhosRavi等[10]對脈沖流化床的水動力特性進行實驗研究，表明隨著脈動頻率的增加，平均床層壓降更接近連續(xù)氣流；脈沖氣流降低了微流化速度，增強了微顆粒的流化。Li等[11]分析了表觀氣速、脈動頻率和粒徑對氣泡特性和床層膨脹的影響，結(jié)果表明高密度脈沖氣固流化床能夠有效地將氣固兩相結(jié)合，產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的混合物。Simler等[12]使用離散單元法對于脈沖流化床中顆粒氣泡特性以及床層的壓降變化進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)脈沖流化床中無論是加入方波還是正弦波都會使床內(nèi)固體顆粒的流動狀態(tài)發(fā)生改變。Li等[13]通過CFD模擬脈沖流化床，并對其特性進行探究，證實脈沖氣流的加入會提高顆粒的流化質(zhì)量，減少騰涌、結(jié)塊、溝流等惡性現(xiàn)象的發(fā)生。

目前對于脈沖流化床的研究，大多是對脈沖燃燒器和脈沖流化床干燥器的研究，以及對床內(nèi)傳熱特性、氣泡特性等的研究，脈沖氣流在其他領域的應用并沒有得到充分拓展。脈沖氣流產(chǎn)生的振動能量能夠有效抑制烯烴反應器中由于靜電而產(chǎn)生的顆粒團聚、結(jié)片等現(xiàn)象；并且在烯烴反應器中，由于反應器內(nèi)顆粒流動會產(chǎn)生大量的靜電信號，這部分靜電信號蘊含著豐富的顆粒運動信息，如何使用烯烴流化床產(chǎn)生的靜電信號獲得顆粒相關參數(shù)具有重要意義。因此，本文針對烯烴反應器中顆粒容易發(fā)生團聚的現(xiàn)象，設計搭建烯烴流化床實驗平臺，從靜電信號的角度研究了脈沖氣流對于流化床特性的影響。通過對不同實驗工況下靜電信號的分析，探究流化床內(nèi)部氣泡尺寸的變化，并估算出氣泡尺寸。此外，探究了脈沖頻率及脈沖進氣風速對烯烴流化床內(nèi)顆粒團聚體的影響。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1 所示，流化床床體為圓柱形，直徑為0.28m，高度為1m。實驗中使用的物料為聚乙烯顆粒，平均直徑為28 目，約為600μm，實際測得聚乙烯顆粒的堆積密度為298kg/m3。每次實驗前先將物料進行篩選。保證顆粒的床層堆積高度為0.1m，所用顆粒質(zhì)量約為1.9kg。

圖1 實驗系統(tǒng)

實驗時，首先將羅茨鼓風機打開，開啟空氣預熱器預熱5min 后全部關閉。然后將預先干燥好的聚乙烯顆粒堆積在床層底部；設定好數(shù)據(jù)采集器后再次打開風機及空氣預熱器；實驗數(shù)據(jù)通過NI 數(shù)據(jù)采集儀進行采集，采樣頻率設置為512Hz，數(shù)據(jù)每間隔5min 采集一次，設置總采樣時間為30min。實驗過程中，空氣經(jīng)過羅茨鼓風機壓縮進入管道，左側(cè)為平穩(wěn)氣流，右側(cè)管路由電磁閥控制產(chǎn)生脈沖氣流，兩股氣流耦合后進入到空氣預熱器中。溫度控制柜設定預熱器溫度，氣體在預熱器內(nèi)經(jīng)過加熱后進入流化床。流化床出口位置的溫濕度記錄儀用來監(jiān)測流化床出口的溫、濕度變化情況。實驗過程中顆粒流動產(chǎn)生靜電信號，通過靜電傳感器進行測量。

1.2 靜電傳感器工作原理

靜電傳感器如圖2 所示，主要由三部分組成：第一部分為用于測量流化床內(nèi)顆粒流動產(chǎn)生感應電流的環(huán)式電極，鑲嵌于管壁內(nèi)部，暴露于流動介質(zhì)中。其結(jié)構(gòu)簡單、堅固，性價比高，測量得到的空間靈敏度較高。第二部分是轉(zhuǎn)換模塊，首先通過轉(zhuǎn)換模塊將感應電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)過放大電路預放大處理。放大后的電壓信號經(jīng)過濾波模塊濾去高頻率信號，同時濾波模塊自帶增益效果，再次放大電壓信號。流化床內(nèi)顆粒流動產(chǎn)生的感應電流信號，經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換，兩次放大處理后由NI數(shù)據(jù)采集卡收集，最終存儲在計算機分析處理使用。

圖2 靜電傳感器工作原理

1.3 實驗誤差分析

本文采用實驗研究的方法對流化床中顆粒靜電信號進行測量。由于感應電流比較微小，對數(shù)據(jù)采集、傳輸過程的要求都比較高，因此實驗會產(chǎn)生一定的誤差。實驗系統(tǒng)誤差主要包括實驗設備、電壓變化、環(huán)境干擾、人為因素。系統(tǒng)誤差通過一定的方法可以再現(xiàn)出來。因此可以通過理論分析結(jié)合實際驗證找到系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因，盡量減少系統(tǒng)誤差的生成，同時對無法消除的系統(tǒng)誤差進行修正。

通過靜電傳感器實現(xiàn)靜電信號的測量，靜電傳感器使用的電子模塊為轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊及濾波模塊。通過實際測量設置好各模塊的參數(shù)，其中放大模塊放大倍數(shù)為63 倍，限壓12V；濾波模塊放大倍數(shù)為50，限壓10V，截止頻率500Hz。所使用的模塊動態(tài)響應特性較高，適用于1MHz以內(nèi)的信號處理。

根據(jù)使用要求，對實驗過程中的部分參數(shù)進行測量值與實際值的對比分析。通過在流動方向平行安裝兩組感應電極，將兩電極間距設為L，信號在兩電極間的渡越時間為τ，則顆粒測量速度為v=L/τ。當顆粒流經(jīng)電極時，荷電顆粒會在感應電極處形成感應電流。當顆粒流動狀態(tài)不發(fā)生變化時，兩電極檢測到的信號波動也是相同的，只是存在一定的相位延遲。因此可將下游電極的靜電信號波動視為上游電極的時延信號，理論速度則是通過兩個傳感器波形分析，找到波形近似的點的時間差減去渡越時間τ進行計算。

顆粒荷質(zhì)比使用均方根估算法進行估算。靜電信號發(fā)生器在靜電傳感器中心處產(chǎn)生定量的電荷，由靜電傳感器測得靜電信號最終轉(zhuǎn)化為電壓信號，建立電壓信號和靜電傳感器之間的關系。再由實驗測量流化床中顆粒的靜電信號的均方根估算出傳感器處電荷量的大小，最終計算出顆粒的荷質(zhì)比。

通過計算獲得傳感器截面的相對速度和顆粒荷質(zhì)比。通過在傳感器位置直接傾倒顆粒，計算顆粒的實時速度，與理論值作對比，獲得系統(tǒng)誤差對顆粒速度的影響規(guī)律，結(jié)果如表1所示。對于顆粒荷質(zhì)比，可以在實驗過程中對床內(nèi)顆粒取樣，通過法拉第筒直接測量顆粒的荷質(zhì)比，并與靜電傳感器測量結(jié)果對比，找出實驗系統(tǒng)誤差并進行修正，結(jié)果如表2。

表1 理論速度與測量速度對比結(jié)果

表2 法拉第筒法和靜電法測量顆粒的荷質(zhì)比對比結(jié)果

從表1、表2 的實際測量值與理論值的對比發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在一定的系統(tǒng)誤差。在相對速度測量上，靜電法測得相對速度比理論值要小一些，偏差范圍在0.05～0.18m/s。而荷質(zhì)比測量上，由于環(huán)式感應電極測量的是整個床層截面的顆粒荷質(zhì)比，而法拉第筒測量的是壁面附近顆粒的荷質(zhì)比。顆粒在流化床內(nèi)流化過程中，顆粒濃度分布極不均勻，床層內(nèi)各部分攜帶的電荷量不同。所以由靜電法估算出的顆粒荷質(zhì)比要比法拉第筒法測得值偏大一些，對比法拉第筒法偏差在5%～9%之間。

為了消除實驗誤差對實驗結(jié)果的影響，用實測數(shù)據(jù)的平均與理論值通過最小二值法擬合出修正系數(shù)，對系統(tǒng)誤差修正。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電信號來源的確定

實驗過程中測量到的靜電信號來源比較多，主要為顆粒流動及周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁擾動，因此有必要對于實驗過程中靜電信號波動來源進行分析。不同信號的振動頻率不同，在頻譜圖上的位置也就不同。為了確定實驗數(shù)據(jù)中功率譜密度函數(shù)（PSDF）中波峰信號的來源，設置兩組對比工況與正常流化時的功率譜密度函數(shù)進行對比，分別為正常通入空氣但不放置顆粒的空柱床以及僅放置顆粒不通入空氣的固定床兩組工況，結(jié)果如圖3。

對工況中的靜電信號來源進行對比，正常流化下的靜電信號來源主要有顆粒流動產(chǎn)生的靜電信號、氣體流動產(chǎn)生的靜電信號及環(huán)境擾動，空柱床中信號的來源為氣體流動及環(huán)境擾動，而固定床中僅有環(huán)境擾動信號。通過上述對比，在功率譜密度函數(shù)圖中確定出流化床內(nèi)由顆粒流動引起的波峰頻段。從圖3中可以看出，在140Hz位置處僅在正常工況下的流化床中出現(xiàn)波峰，而另外兩組對比工況未出現(xiàn)。

圖3 流化床、固定床和空柱床的功率譜密度函數(shù)圖

為了保證對顆粒流動引起的信號分析充分，這里將三者相同的波動頻段確定為環(huán)境擾動信號。將頻譜圖分為三部分：低于85Hz的波動為低頻擾動，高于235Hz為高頻擾動，由流化床內(nèi)顆粒流體力學特性引起的波動介于85～235Hz之間。

2.2 脈沖氣流對氣泡特性的影響

本文實驗在平穩(wěn)氣流的基礎上加入了脈沖氣流，在保證平穩(wěn)氣流端進氣風速大于臨界流化風速的基礎上，改變脈沖參數(shù)進行實驗研究。實驗測得臨界流化速度Umf=0.47m/s。

Wang 等[14]和Gui 等[15]的研究表明，設置脈沖氣流時，脈沖風速要大于平穩(wěn)風速，否則顆粒在流化時將產(chǎn)生不活躍階段，從而影響流化效果。在前4組實驗工況中，保持總進氣風速Ua為0.72m/s，平穩(wěn)氣流風速Us為0.61m/s，脈沖氣流進風風速Up為0.11m/s，將脈沖氣流頻率由0.05Hz 增加到2.5Hz，測得4組工況下的靜電信號，進行功率譜密度函數(shù)分析，結(jié)果如圖4。在功率譜密度函數(shù)圖中，波峰的變化主要是因為床內(nèi)顆粒氣泡行為發(fā)生改變。隨著頻率的增加，氣泡的聚并、破碎頻率在不斷增加，氣泡數(shù)量增加，但是氣泡的尺寸有所降低，即氣泡越來越小。功率譜密度函數(shù)中，主頻位置對應著氣泡尺寸，當主頻增大時，床內(nèi)顆粒氣泡尺寸減小。功率譜中主峰的帶寬對應著氣泡分布情況，頻帶越寬，說明床中氣泡的分布范圍更廣，氣泡尺寸更加多樣。

流化開始10min后，顆粒流態(tài)化較完全，選取15～20min 的靜電信號進行分析。從圖4 中可以看到，4 組工況在85～235Hz 之間均出現(xiàn)了明顯的波峰。脈沖頻率為0.05Hz 時，主頻最小，說明此時氣泡尺寸最大。隨著脈沖頻率的增大，主頻出現(xiàn)了右移現(xiàn)象，說明床內(nèi)顆粒氣泡尺寸減小。當脈沖頻率為0.5Hz 時，主頻最大，此時顆粒氣泡尺寸最小。繼續(xù)增加脈沖頻率，氣泡尺寸反而增大。

圖4 Ua=0.72m/s、Up=0.11m/s時不同脈沖頻率下PSDF圖

在5～7組工況中，保持脈沖頻率為0.5Hz不變，改變脈沖氣流與平穩(wěn)氣流之間的配比。同樣選取穩(wěn)定流化后的15～20min進行分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到，三組工況下的功率譜密度函數(shù)圖的主峰均出現(xiàn)在145Hz位置處，說明三組工況下的顆粒氣泡尺寸一致。隨著脈沖氣流風速的增加，功率譜密度圖中波峰的帶寬略有增加，此時床內(nèi)氣泡尺寸變得多樣。圖5中頻譜主峰振幅的大小反映的是對靜電信號波動強度的影響程度，而靜電信號的波動又由氣泡的破裂引起。由圖5看出，隨著脈沖氣流的增加，頻譜的主峰振幅大小也逐漸增大。隨著氣泡帶動顆粒上升循環(huán)速率的增大，氣泡破裂對靜電信號瞬時波動提供的能量多，所以主峰振幅變大。

圖5 Ua=0.72m/s、f=0.5Hz時不同脈沖進氣風速下PSDF圖形

通過以上討論，發(fā)現(xiàn)脈沖能量對于流化床內(nèi)烯烴顆粒的作用主要體現(xiàn)在顆粒氣泡尺寸的變化情況。當脈沖能量作用于顆粒時，顆粒形成的氣泡尺寸會減小，脈沖能量的作用效果主要體現(xiàn)在脈沖頻率上。

2.3 基于靜電信號的氣泡尺寸估算

設靜電信號時間序列在流化床內(nèi)部的電極處的功率譜密度函數(shù)為φxx，表示為式(1)。在流化床出口位置電極的靜電信號功率譜密度函數(shù)為φyy，表示為式(2)。

由兩者的信號來源分析，流化床內(nèi)部所接收的靜電信號主要由兩部分構(gòu)成：一部分是由于顆粒流化所產(chǎn)生的靜電信號；另一部分則是周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾信號。而流化床出口位置設置的電極主要用來接收環(huán)境產(chǎn)生的靜電信號。兩個時間序列的交叉功率譜密度φxy表示為式(3)。

兩個時間序列的共同特征系數(shù)表示為式(4)[16]。

相關功率譜密度函數(shù)COPxy表示為式(5)。

非相關功率譜密度函數(shù)IOPxy表示為式(6)。

非相干功率譜系數(shù)則表示為式(7)。

由內(nèi)部電極的靜電信號的功率譜密度函數(shù)的顆粒氣泡尺寸Db估算公式表示為式(8)。

基于上述原理，對靜電信號進行氣泡尺寸估算。保持總進氣風速Ua為0.81m/s，平穩(wěn)氣流進氣風速Us為0.72m/s，脈沖氣流進氣風速Up為0.09m/s，逐漸增大脈沖頻率，具體工況設置如表3所示，實驗結(jié)果如圖6所示。逐漸增大脈沖頻率時，氣泡尺寸快速減小。當脈沖頻率為0.5Hz時，氣泡尺寸減小到了一個較低值。當脈沖頻率較大時，氣泡尺寸反而有所增加。

圖6 Ua=0.81m/s、Up=0.09m/s時不同脈沖頻率氣泡估算

表3 氣泡尺寸估算的脈沖頻率工況

保持總進氣風速Ua為0.81m/s，脈沖頻率f為0.5Hz 不變，逐漸加大進風處的脈沖氣流進風量，具體工況設置如表4所示，實驗結(jié)果如圖7所示。

表4 氣泡尺寸估算的脈沖進氣配比工況

從圖7中可以看到，開始加入脈沖氣流時，氣泡尺寸出現(xiàn)快速下降的一個階段，此時脈沖作用效果逐漸發(fā)揮作用；當脈沖進氣風速達到0.05m/s 左右時，氣泡尺寸基本穩(wěn)定；之后無論脈沖風速增加到多大值，氣泡尺寸均在6～8mm之間波動。

圖7 Ua=0.81m/s、f=0.5Hz時不同脈沖進氣風速的氣泡尺寸估算

上述結(jié)果與圖4、圖5 中對流化床內(nèi)靜電信號的功率譜密度函數(shù)分析結(jié)果相同，均證明了脈沖氣流的加入會使氣泡的尺寸減小，說明使用靜電法估算氣泡尺寸的方法可行。

2.4 脈沖氣流對團聚現(xiàn)象的影響

在流化床烯烴反應器中，由于靜電現(xiàn)象的存在導致顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象。為了測定脈沖氣流對烯烴反應器團聚現(xiàn)象所起的作用，通過實驗測定團聚顆粒的實際質(zhì)量，以實驗結(jié)果直接評定脈沖氣流對烯烴反應器團聚現(xiàn)象的影響結(jié)果。由于實驗環(huán)境中溫度、濕度等不能控制完全相同，所以即使同一脈沖條件，團聚顆粒質(zhì)量也會存在差異。將稱重的實際質(zhì)量與之前討論結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)這種差異不影響總體變化趨勢。

為了獲得流化過程中發(fā)生團聚現(xiàn)象的聚乙烯顆粒。在實驗開始前對聚乙烯顆粒進行篩選，留下粒徑為600μm 左右的顆粒作為實驗所用物料。對聚乙烯顆粒充分流化，實驗結(jié)束后將實驗物料在流化床中倒出，再次對實驗后的物料篩選。將實驗過程中發(fā)生團聚的顆粒篩出并稱重記錄。在探究脈沖氣流頻率參數(shù)對顆粒團聚現(xiàn)象的影響實驗中，保持總進氣風速Ua為0.79m/s、平穩(wěn)氣流進氣風速Us為0.72m/s、脈沖氣流進氣風速Up為0.07m/s，改變脈沖頻率進行實驗。

不同脈沖頻率下的團聚顆粒質(zhì)量如表5 所示。當脈沖頻率為0Hz時，此時僅平穩(wěn)氣流進風，團聚顆粒質(zhì)量為7.6g。隨著脈沖頻率逐漸增加到0.5Hz時，團聚顆粒質(zhì)量下降到2.9g 左右，達到最小值，說明此頻率對于團聚現(xiàn)象的改善效果最為顯著。在加入不同頻率的脈沖氣流后，團聚顆粒質(zhì)量都比0Hz時的小，說明脈沖氣流的加入能夠有效抑制流化過程中的團聚現(xiàn)象。

表5 不同脈沖頻率團聚顆粒質(zhì)量

為了驗證脈沖進氣風速對于團聚現(xiàn)象的影響結(jié)果，現(xiàn)保持總進氣風速Ua為0.79m/s，脈沖氣流頻率f為0.5Hz，逐漸加大脈沖氣流的占比進行實驗，結(jié)果如表6所示。當脈沖氣流進氣風速Up為0.02m/s時，團聚顆粒的質(zhì)量在6.4g左右，為最大值。脈沖氣流進氣風速逐漸增加時，團聚顆粒的質(zhì)量呈現(xiàn)減少的趨勢。當脈沖氣流進氣風速Up達到0.18m/s時，團聚顆粒質(zhì)量達到最小值3.6g。所以隨著脈沖氣流進風速度的增加，能夠使團聚顆粒生成質(zhì)量減少。

表6 不同脈沖進氣風速下團聚顆粒質(zhì)量

3 結(jié)論

本文通過搭建烯烴流化床實驗平臺，運用靜電傳感器測量流化床內(nèi)靜電信號，分析不同脈沖氣流對烯烴流化床氣泡特性的影響。得到的主要結(jié)論如下。

（1）在靜電信號的功率譜密度函數(shù)圖中，流化床中顆粒產(chǎn)生的靜電信號主要分布在85～235Hz 頻段內(nèi)，其余頻段為環(huán)境干擾信號。

（2）加入脈沖氣流后，能夠明顯減小氣泡尺寸，提高顆粒的流化效果。對比脈沖頻率和脈沖風速這兩個操作參數(shù)，脈沖頻率對于氣泡尺寸的影響更顯著。

（3）靜電法估算氣泡尺寸的變化趨勢與功率譜密度函數(shù)圖中氣泡變化趨勢相同，由此說明使用靜電法估算氣泡尺寸的方法可行。

（4）脈沖氣流對于烯烴反應器中顆粒團聚現(xiàn)象起到抑制作用。在脈沖頻率為0.5Hz左右時，抑制效果最顯著；隨著脈沖氣流進風速度的增加，團聚顆粒生成質(zhì)量減少。

符號說明

Db—— 氣泡尺寸，mm

f—— 頻率，Hz

Ua—— 總進氣風速，m/s

Umf—— 臨界流化風速，m/s

Up—— 脈沖風速，m/s

Us—— 平穩(wěn)風速，m/s

ρs—— 聚乙烯顆粒的密度，kg/m3

εmf—— 最小流化速度下的床層空隙率