氣固單螺帶攪拌反應器的壓力特性

張彤輝，葉天洲，王 健，孫婧元*，黃正梁，李彥鵬，王靖岱，蔣斌波

（1.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750011；2.浙江大學 化學工程聯合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；3.浙江大學 化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027）

關鍵字：單螺帶攪拌反應器；壓力特性；傅里葉變換

單螺帶攪拌反應器已在氣相法聚烯烴工藝中應用多年[1]，其獨特的單端支撐無軸單螺帶設計使反應器內大流量循環和均勻混合成為可能。Cooker 等[2]定義了循環時間分布描述顆粒循環行為，并測定了催化劑注入后的循環時間分布，發現經過至少6 次循環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料而需要連續進料。Kaneko 等[3]通過DEM 模擬了螺帶混合過程，并對填料高度對混合效果的影響進行了探究，結果表明，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特性，尤其是為了消除死區而特意在螺帶底部設置的氣體分布器的壓力脈動特性[1]。關于攪拌反應器內壓力脈動的研究較少。Leva[4]研究了攪拌葉片的安裝方式及旋轉方向對床層壓降及攪拌功耗的影響，發現在攪拌床中，如果攪拌槳葉對顆粒的作用使顆粒的運動形式與普通流化床中顆粒的運動形式一致，則攪拌將降低床層壓降，而且此時攪拌功耗最低。李凡等[5]通過測量攪拌流化床中壓降與表觀氣速的關系，研究了攪拌轉速和槳葉形式對流化狀態的影響。螺帶攪拌的壓力脈動尚未見報道。本文考察反應器內壓力脈動信號，通過對原始信號和頻譜的分析，闡釋信號周期性波動的原因和氣體分布器的特性。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示，由工業裝置等比例縮放得到冷模裝置。攪拌床內徑為500 mm，高為988 mm，其中直筒段高為755 mm，由有機玻璃制造，下封頭高為111 mm，由不銹鋼制造。反應器底部由三孔進氣，經過一個氣體分布板后進入反應器。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，內徑為324 mm，高為656 mm。測量系統包括氣體流量、壓力脈動和攪拌功率的測量。氣體流量采用轉子流量計測量。壓力脈動采用壓力傳感器測量，壓力傳感器有兩個端口，若只將其正信號端口連接到攪拌床中，測量得到的是壓力及其脈動信號；若將兩端都連接到攪拌床中，測量得到的是兩端的壓差及其脈動信號。壓力信號經過信號采集卡進行A/D 轉換后輸入電腦，由軟件LabVIEW 進行采集和處理。9 個測壓孔垂直均勻分布于反應器側面，間距9 cm，可用來測量不同高度的表壓，亦可測量兩個高度之間的壓差。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。實驗中采樣頻率為400 Hz，每次采樣時間為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器實驗裝置示意圖

1.2 實驗物料

實驗物料為某石化廠未造粒的聚丙烯粉料，物性參數見表1，其粒徑分布由馬爾文激光粒度儀測量，真密度采用浸液法測量，堆密度由粉體物性測試儀測定，空隙率通過真密度與堆密度計算得到。通過測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

1.3 分析方法

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

2 結果與討論

2.1 床層壓力

攪拌會引起壓力的明顯變化。圖2 為不同高度和轉速下床層壓力的變化。測壓點位置越高，壓力越小。攪拌能明顯降低全床壓降，轉速N＞20 r/min 后壓降基本保持不變。在N＜20 r/min 階段，氣速對壓力變化影響較大。氣速較小時，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。結合實驗過程中的現象觀察，在氣速達到鼓泡床階段后（u=0.085 m/s），由于螺帶較寬，低轉速（N＜20 r/min）對氣泡起阻礙作用，導致壓降變大，高轉速（N＞20 r/min）能夠打破大氣泡，使得壓力隨氣速變化不明顯，更加穩定。可以將轉速分為兩個區，低轉速區N＜20 r/min，壓力由氣速和攪拌共同控制；高轉速區N＞20 r/min，壓力由攪拌控制。這一分區同時體現在攪拌功率上，如圖3，氣速增大，攪拌功率減小，其變化趨勢以氣速u=0.028 m/s 為分界。

圖2 不同操作條件下的攪拌反應器床層壓力

圖3 不同操作條件下的攪拌反應器攪拌功率

2.2 壓力脈動功率譜分析

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

對氣速為0.056 m/s 的不同轉速下壓力脈動信號進行FFT 變換，得到功率譜（圖5）。無攪拌時，除主峰外，功率譜上出現較多頻率低于2 Hz的雜峰，但信號強度較弱，說明攪拌床內有頻率在2 Hz 以下的小氣泡。隨著攪拌轉速增大，除主頻和主頻的倍頻外，不再出現其他雜峰，說明攪拌槳葉對氣泡的抑制作用逐漸增強，攪拌引起的壓力脈動逐漸占據主導地位。其他壓力信號功率譜的主頻與氣速和轉速的關系見圖6，可以認為主頻基本不隨氣速變化，只與攪拌轉速相關。主頻與攪拌轉速的頻率一致，說明攪拌是引起壓力周期性脈動的原因。

圖4 壓力脈動原始信號（u=0.056 m/s）

圖5 壓力脈動信號功率譜（u=0.056 m/s）

圖6 不同操作條件下的壓力脈動信號功率譜主頻

2.3 氣體分布板特性

下封頭段（0～2 點之間）壓差與直筒段（3～6點之間）壓差有明顯的區別，以u=0.014 m/s 為例（圖7）。封頭段壓差信號振動幅度更大，因為封頭段內裝有氣體分布板，同時受氣體分布板和攪拌影響，振動幅度更大，而直筒段振動幅度較小，只受攪拌作用影響，說明氣體分布板能夠將底部垂直方向的進氣流偏折，迅速分配到整個床層橫截面，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 結論

在不同轉速下影響壓力的主要因素不同：低轉速區N＜20 r/min，壓力由氣速和攪拌共同控制；高轉速區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，也呈現出明顯的分區現象，氣速分界點為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床層，因此下封頭段壓力脈動更為劇烈，而直筒段壓力脈動只受攪拌影響。