氣固單螺帶攪拌反應(yīng)器的壓力特性

張彤輝，葉天洲，王 健，孫婧元*，黃正梁，李彥鵬，王靖岱，蔣斌波

（1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011；2.浙江大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

關(guān)鍵字：?jiǎn)温輲嚢璺磻?yīng)器；壓力特性；傅里葉變換

單螺帶攪拌反應(yīng)器已在氣相法聚烯烴工藝中應(yīng)用多年[1]，其獨(dú)特的單端支撐無軸單螺帶設(shè)計(jì)使反應(yīng)器內(nèi)大流量循環(huán)和均勻混合成為可能。Cooker 等[2]定義了循環(huán)時(shí)間分布描述顆粒循環(huán)行為，并測(cè)定了催化劑注入后的循環(huán)時(shí)間分布，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過至少6 次循環(huán)才能得到較為均勻的催化劑濃度分布，因此指出催化劑不能間歇大批次進(jìn)料而需要連續(xù)進(jìn)料。Kaneko 等[3]通過DEM 模擬了螺帶混合過程，并對(duì)填料高度對(duì)混合效果的影響進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，恰好淹沒攪拌槳的料位高度最有助于均勻混合。然而前述研究均忽略了攪拌床的壓力脈動(dòng)特性，尤其是為了消除死區(qū)而特意在螺帶底部設(shè)置的氣體分布器的壓力脈動(dòng)特性[1]。關(guān)于攪拌反應(yīng)器內(nèi)壓力脈動(dòng)的研究較少。Leva[4]研究了攪拌葉片的安裝方式及旋轉(zhuǎn)方向?qū)Υ矊訅航导皵嚢韫牡挠绊?，發(fā)現(xiàn)在攪拌床中，如果攪拌槳葉對(duì)顆粒的作用使顆粒的運(yùn)動(dòng)形式與普通流化床中顆粒的運(yùn)動(dòng)形式一致，則攪拌將降低床層壓降，而且此時(shí)攪拌功耗最低。李凡等[5]通過測(cè)量攪拌流化床中壓降與表觀氣速的關(guān)系，研究了攪拌轉(zhuǎn)速和槳葉形式對(duì)流化狀態(tài)的影響。螺帶攪拌的壓力脈動(dòng)尚未見報(bào)道。本文考察反應(yīng)器內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)原始信號(hào)和頻譜的分析，闡釋信號(hào)周期性波動(dòng)的原因和氣體分布器的特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，由工業(yè)裝置等比例縮放得到冷模裝置。攪拌床內(nèi)徑為500 mm，高為988 mm，其中直筒段高為755 mm，由有機(jī)玻璃制造，下封頭高為111 mm，由不銹鋼制造。反應(yīng)器底部由三孔進(jìn)氣，經(jīng)過一個(gè)氣體分布板后進(jìn)入反應(yīng)器。氣體分布板為多孔板，孔徑為1 mm，開孔率為8%。床層底部裝有底伸式螺帶槳，外徑為464 mm，內(nèi)徑為324 mm，高為656 mm。測(cè)量系統(tǒng)包括氣體流量、壓力脈動(dòng)和攪拌功率的測(cè)量。氣體流量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。壓力脈動(dòng)采用壓力傳感器測(cè)量，壓力傳感器有兩個(gè)端口，若只將其正信號(hào)端口連接到攪拌床中，測(cè)量得到的是壓力及其脈動(dòng)信號(hào)；若將兩端都連接到攪拌床中，測(cè)量得到的是兩端的壓差及其脈動(dòng)信號(hào)。壓力信號(hào)經(jīng)過信號(hào)采集卡進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后輸入電腦，由軟件LabVIEW 進(jìn)行采集和處理。9 個(gè)測(cè)壓孔垂直均勻分布于反應(yīng)器側(cè)面，間距9 cm，可用來測(cè)量不同高度的表壓，亦可測(cè)量?jī)蓚€(gè)高度之間的壓差。本研究考察了不同高度的壓力，封頭段（0 與2 之間）和直筒段（3 與6 之間）的壓差。實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為400 Hz，每次采樣時(shí)間為120 s。攪拌功率和扭矩可在扭矩儀顯示屏上直接讀出。

圖1 氣固單螺帶攪拌反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)物料為某石化廠未造粒的聚丙烯粉料，物性參數(shù)見表1，其粒徑分布由馬爾文激光粒度儀測(cè)量，真密度采用浸液法測(cè)量，堆密度由粉體物性測(cè)試儀測(cè)定，空隙率通過真密度與堆密度計(jì)算得到。通過測(cè)量聚丙烯顆粒的壓降曲線得到起始流化氣速為0.042 m/s。

表1 聚丙烯顆粒物性參數(shù)

1.3 分析方法

采用傅里葉分析進(jìn)行壓力信號(hào)的頻譜/功率譜分析。傅里葉分析是一種經(jīng)典的頻譜分析方法，通過使用正弦和余弦函數(shù)組合以形成周期函數(shù)，而傅里葉變換就是延伸這個(gè)概念得到周期信號(hào)譜，分析頻域上的信息[6]。其中，針對(duì)離散的信號(hào)，可采用離散傅里葉變換（DFT）進(jìn)行分析處理，而快速傅里葉變換（FFT）是DFT 的一種快速實(shí)現(xiàn)方法，速度要快很多，空間也更為節(jié)省。傅里葉分析通過軟件MATLAB 2018b 編程實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的表達(dá)式見式（1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 床層壓力

攪拌會(huì)引起壓力的明顯變化。圖2 為不同高度和轉(zhuǎn)速下床層壓力的變化。測(cè)壓點(diǎn)位置越高，壓力越小。攪拌能明顯降低全床壓降，轉(zhuǎn)速N＞20 r/min 后壓降基本保持不變。在N＜20 r/min 階段，氣速對(duì)壓力變化影響較大。氣速較小時(shí)，攪拌降低壓力的作用十分明顯，隨著氣速增大，特別是超過起始流化氣速后，攪拌降低壓力的作用逐漸變得不明顯。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象觀察，在氣速達(dá)到鼓泡床階段后（u=0.085 m/s），由于螺帶較寬，低轉(zhuǎn)速（N＜20 r/min）對(duì)氣泡起阻礙作用，導(dǎo)致壓降變大，高轉(zhuǎn)速（N＞20 r/min）能夠打破大氣泡，使得壓力隨氣速變化不明顯，更加穩(wěn)定?？梢詫⑥D(zhuǎn)速分為兩個(gè)區(qū)，低轉(zhuǎn)速區(qū)N＜20 r/min，壓力由氣速和攪拌共同控制；高轉(zhuǎn)速區(qū)N＞20 r/min，壓力由攪拌控制。這一分區(qū)同時(shí)體現(xiàn)在攪拌功率上，如圖3，氣速增大，攪拌功率減小，其變化趨勢(shì)以氣速u=0.028 m/s 為分界。

圖2 不同操作條件下的攪拌反應(yīng)器床層壓力

圖3 不同操作條件下的攪拌反應(yīng)器攪拌功率

2.2 壓力脈動(dòng)功率譜分析

圖4 為以u(píng)=0.056 m/s 為例，H=270 mm 處不同轉(zhuǎn)速下的壓力原始信號(hào)。在高于起始流化氣速的條件下，無攪拌時(shí)壓力幅值即顯著脈動(dòng)，開始攪拌后呈現(xiàn)出規(guī)律的周期性。

對(duì)氣速為0.056 m/s 的不同轉(zhuǎn)速下壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT 變換，得到功率譜（圖5）。無攪拌時(shí)，除主峰外，功率譜上出現(xiàn)較多頻率低于2 Hz的雜峰，但信號(hào)強(qiáng)度較弱，說明攪拌床內(nèi)有頻率在2 Hz 以下的小氣泡。隨著攪拌轉(zhuǎn)速增大，除主頻和主頻的倍頻外，不再出現(xiàn)其他雜峰，說明攪拌槳葉對(duì)氣泡的抑制作用逐漸增強(qiáng)，攪拌引起的壓力脈動(dòng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。其他壓力信號(hào)功率譜的主頻與氣速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖6，可以認(rèn)為主頻基本不隨氣速變化，只與攪拌轉(zhuǎn)速相關(guān)。主頻與攪拌轉(zhuǎn)速的頻率一致，說明攪拌是引起壓力周期性脈動(dòng)的原因。

圖4 壓力脈動(dòng)原始信號(hào)（u=0.056 m/s）

圖5 壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜（u=0.056 m/s）

圖6 不同操作條件下的壓力脈動(dòng)信號(hào)功率譜主頻

2.3 氣體分布板特性

下封頭段（0～2 點(diǎn)之間）壓差與直筒段（3～6點(diǎn)之間）壓差有明顯的區(qū)別，以u(píng)=0.014 m/s 為例（圖7）。封頭段壓差信號(hào)振動(dòng)幅度更大，因?yàn)榉忸^段內(nèi)裝有氣體分布板，同時(shí)受氣體分布板和攪拌影響，振動(dòng)幅度更大，而直筒段振動(dòng)幅度較小，只受攪拌作用影響，說明氣體分布板能夠?qū)⒌撞看怪狈较虻倪M(jìn)氣流偏折，迅速分配到整個(gè)床層橫截面，因此直筒段的壓力變化更加均勻，而封頭段的壓力變化較大。

圖7 封頭段（a）與直筒段（b）壓差比較（u=0.014 m/s）

3 結(jié)論

在不同轉(zhuǎn)速下影響壓力的主要因素不同：低轉(zhuǎn)速區(qū)N＜20 r/min，壓力由氣速和攪拌共同控制；高轉(zhuǎn)速區(qū)N＞20 r/min，壓力由攪拌控制，不隨氣速變化而變化。氣速增大能夠降低攪拌功率，也呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)現(xiàn)象，氣速分界點(diǎn)為0.028 m/s。攪拌是引起壓力周期性變化的原因，其主頻與攪拌轉(zhuǎn)速一致，且不隨氣速變化而變化。氣體分布板能夠迅速將氣流分散到整個(gè)床層，因此下封頭段壓力脈動(dòng)更為劇烈，而直筒段壓力脈動(dòng)只受攪拌影響。