流化床聚合反应器中液体耦合作用机制及其影响下的介尺度颗粒聚团与稳定性研究

Liquid-containing gas-solid fluidized beds have been applied widely in olefin polymerization, fluid catalytic cracking, drying and granulation processes and etc. The study on the mechanisms of liquid bridge and liquid evaporation coupling behaviors are quite rare from literature. Based on fluidized bed polymerization reactor, this project studies the mechanisms of liquid coupling behaviors in the self-designed hot-mode fluidized bed setup. Various online measuring techniques, including acoustic emission, pressure fluctuation and camera, together with off-line sampling analysis and data fusion analysis, are used to characterize the fluidization in the bed, and then to quantify the liquid bridge and liquid evaporation behaviors. The project attempts to systematically study the effects of the operating parameters (i.e. liquid content, gas velocity), liquid and solid physical properties (i.e. liquid viscosity, particle size and density) on the liquid coupling behaviors, to recognize the dominant liquid behavior mechanism under different conditions and then to obtain the effective control means on liquid behavior. Moreover, the project mainly studies the changing trends of particle agglomeration and its stability under the conditions of liquid coupling behavior mechanisms. Based on time scale analysis, force balance analysis and control mechanism analysis of particle agglomeration and breakup, the meso-scale particle agglomeration and macro-scale fluidization stability can be correlated to establish the model of meso-scale particle agglomeration and stability analysis. Furthermore, the effective control of particle agglomeration and fluidization stability can be obtained. The project can help to improve scale-up design and operation stability of liquid-containing gas-solid fluidized bed reactors.

持液气固流化床广泛应用于烯烃聚合、催化裂化、干燥及造粒等化工过程，但其中液体架桥和液体蒸发的耦合作用机制尚未明确。项目以流化床聚合反应器为研究背景，在特殊设计的热态实验装置中，综合利用声发射、压力脉动、摄像等多种在线检测手段，结合离线取样分析和信息融合分析，实现床层流化特性的多层次表征，依此建立液体架桥作用和液体蒸发作用的定量表征方法。系统考察液体耦合作用随液含量、流化气速等操作参数及液体、固体物性的变化规律，识别不同条件下的液体主导作用机制，获得液体耦合作用的有效调控手段。重点研究液体耦合作用机制下颗粒聚团及其稳定性的变化规律，通过时间尺度分析、力平衡分析、颗粒团聚和破碎控制机制分析等研究手段，关联介尺度的颗粒聚团和宏尺度的流化稳定性，建立颗粒聚团与稳定性分析模型，进而实现对颗粒聚团和流化稳定性的有效调控。研究成果可用于指导持液气固流化床反应器的放大设计和稳定运行。

本项目以流化床聚合反应器为研究背景，采用实验测量和模拟计算相结合的方法对液体架桥和液体蒸发耦合作用机制进行了系统研究。实验方面，先在玻璃流化床冷模装置中开展了液体架桥作用单独存在条件下流体力学行为和流化特性的研究，然后在自行设计的流化床热态装置中开展了液体架桥和液体蒸发耦合作用机制的研究。利用声发射、压力脉动、摄像等多种在线检测手段，结合离线取样和先进分析方法，实现了颗粒、聚团、稳定性等流化特性的多层次表征，考察了不同湿含量、操作气速下的多层次行为的变化规律，建立了液体架桥作用和液体蒸发作用的耦合机制的研究方法。模拟方面，采用CFD-DEM 数值模拟方法，基于经典的液桥作用力模型，获取了多层次模拟数据（速度场、固含率、气泡、稳定性等）及介尺度颗粒聚团模拟结果，系统考察了液体架桥作用机制下液体含量、表面张力等参数的影响，获取了颗粒聚团及其稳定性的变化规律。实验和模拟相结合，通过力平衡分析、颗粒团聚和破碎控制机制分析等研究手段，关联介尺度的颗粒聚团和宏尺度的流化稳定性，建立了颗粒聚团和稳定性分析模型，进而实现了对颗粒聚团和流化稳定性的有效调控，这对持液气固流化床反应器的测量表征、聚团调控和稳定运行具有重要意义。.在此基金项目的资助下，在AIChE J、Chem Eng J、Powder Techno.等国际权威化工期刊上已发表SCI论文8篇，目前已被SCI引用20余次，还培养了4位硕士研究生，其中多名研究生获国家奖学金、湘潭大学校长特等奖等荣誉，2名已通过论文答辩获得硕士学位。在知识产权方面，已申请并公开中国发明专利3项。与加拿大蒙特利尔大学综合理工学院Jamal Chaouki教授研究小组进行合作交流。基于项目成果，受邀在美国AIChE年会、中国颗粒学会年会等国内外权威学术会议上作口头报告3次，形成了国际上的影响力。此外，还有多篇文章在总结撰写准备投稿之中。