氣固流化床中顆粒渦的形成、演化及其調控的機制研究

《氣固流化床中顆粒渦的形成、演化及其調控的機制研究》是依託浙江大學，由王靖岱擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：氣固流化床中顆粒渦的形成、演化及其調控的機制研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：王靖岱
• 項目類別：重大研究計畫

項目摘要

由顆粒渦動態形成導致的顆粒團聚、結塊結渣是氣固流化床中重要的介尺度行為，廣泛存在於氣相聚合反應、礦物燃料熱轉化以及造粒乾燥等關鍵工業裝置中，直接操縱裝置的安全可靠性。本申請擬採用創新的實驗模擬體系和方法對顆粒渦介尺度結構形成及演化規律進行研究，設計具有核殼結構的聚乙烯/鋁粉複合微球作為示蹤顆粒或流化顆粒，通過電磁感應脈衝加熱鋁粉，模擬反應放熱，利用聚乙烯受熱易粘結的特性，快速“熔結”捕捉顆粒渦動態結構；採用核磁與顯微拉曼光譜等技術對顆粒聚團樣品進行斷層掃描和切片分析，根據切面形態，孔隙率和結晶度的分布，追蹤反演顆粒渦的形成與演化過程；採用聲發射等技術線上檢測顆粒聚團的動態尺寸和脈動量等，研究液體閃蒸和熔點改變對聚團的調控作用；聯合離散元模擬和顆粒脈動參數的小波分析，研究顆粒聚團前驅體—渦旋/尾渦的演化規律，最終目標是建立顆粒渦介尺度結構的競爭演化模型，有效指導流化床工業反應器的放大和運行。

結題摘要

由顆粒渦動態形成導致的顆粒團聚、結塊結渣是氣固流化床中重要的介尺度行為，廣泛存在於聚合反應、礦物燃料熱轉化以及造粒乾燥等關鍵工業裝置中，決定了工業裝置的穩定運行、產品性能及其產能。為揭示流化床反應器中顆粒渦對催化劑細顆粒的作用機制，本項目研究了尾渦對不同粒徑的顆粒具有選擇性交換作用；採用計算流體力學模擬方法，研究了顆粒渦對壁面注入催化劑細顆粒的擴散混合行為的影響。本研究建立了氣泡顆粒渦傳熱模型，匹配顆粒渦壽命、催化劑動力學和噴液參數，實現了顆粒渦內催化劑細顆粒的可控釋放和傳熱強化，構建差異化環境中的交替聚合。通過在側壁噴液流化床中建立電磁感應加熱外覆石蠟的石墨顆粒的方法，模擬了液體存在下活性顆粒的反應放熱過程，揭示了液橋力、固橋力及二者協同作用下的顆粒團聚流態化行為及轉變規律。通過建立顆粒團聚力和破碎力與顆粒流態化行為的物理關聯，提出基於顆粒團聚力與破碎力之比分布的流態化轉變判據。本項目由此建立了聚團競爭演化模型，確定了多溫區流化床的流體力學穩定操作域。進一步地，本項目耦合顆粒渦和顆粒聚團特徵項，建立了多溫區流化床的兩區三相反應器模型及反應系統動態模型，揭示了反應器和反應系統的熱穩定性特徵及操作域，提出了放大過程熱穩定性相似性的判據基於流化床反應器兩相模型。選取Hopf分叉點為判據對催化劑進料速率和活化能操作空間進行劃分，為持液氣固流化床的流體力學穩定操作域和氣液法流化床工業反應器的最佳化操作提供了指導。本項目形成的多溫區流化床聚乙烯成套技術已成功套用於天津石化14萬噸/年工業裝置，成功生產熱收縮膜等高端專用料，經濟效益顯著。本項目研究結果為氣液法工藝中反應器的最佳化放大提供了重要的理論依據，有效地支撐了30萬噸/年裝置的反應器設計和工藝開發。