CN113274952A - 一种流化床外循环的稳定控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流化床外循环的稳定控制方法。根据不同的操作条件，利用本发明提出的不同输送条件下最小输送速度的计算模型可对循环管道内的输送气量进行定量调整，实现输送管道内固体颗粒的稳定、低能耗输送。该技术可实现流化床外循环固体颗粒的稳定、低能耗输送，填补了相关领域的空白。

Description

一种流化床外循环的稳定控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种循环流化床外循环的控制方法，尤其涉及的是一种循环流化床外循环管道中固体颗粒稳定、低能耗输送的控制方法。
背景技术
流化床反应器由于具备良好的传质传热效率而被广泛应用于化工、能源、石油、冶金、材料等领域中。流化床中的固体颗粒往往存在着较宽的粒径分布与密度分布，长时间流化后会出现颗粒的分级现象。即颗粒沿着流化床的中轴线出现不同的粒径分布，在流化床下部大颗粒较为集中，在流化床上部小颗粒较为集中，导致流化床内颗粒的混合程度降低。为了提高流化床内的颗粒混合程度，减小乃至消除颗粒分级带来的负面影响，中国专利CN200680048747.8提出从流化床下部将大颗粒引出，并借助于外循环管道将颗粒输送至流化床上部的方式，来改善颗粒在流化床内的混合。该方法无需通过增设搅拌桨等动设备便可实现流化床内颗粒混合的强化，具有更高的运行稳定性与经济性。
然而，流化床的外循环管道多为复杂输送系统，同时包含有水平管、倾斜管、竖直管输送系统。颗粒在不同输送系统内的运动状态会由于受力的改变而发生改变，如何在保证外循环管道内颗粒输送稳定性的同时减少输送过程的能耗损失具有十分重要的应用价值。由于对输送过程机理认识(尤其是倾斜管输送)不够深入，为防止管道堵塞，工业界多采用加大输送气速的方式使颗粒在外循环管道内实现稀相稳定输送，但这无疑会大大增加输送能耗与颗粒的磨损。而减小气速虽然可以减少输送能耗与颗粒磨损，但若操作不当则可能导致颗粒在管道内发生沉积，最终导致外循环管道堵塞。
综上，提出一种可有效实现流化床外循环组合管道内颗粒的低能耗稳定输送的方法具备十分重要的理论与应用价值。考虑到相同输送条件下，倾斜管输送会产生最大的压力损失，故本发明拟基于分段添加输送气(水平管与倾斜管入口处)的思路，结合输送过程中压降最小输送速度的定量，提出一种流化床外循环的定量稳定控制方法，填补相关领域的空白。
发明内容
本发明的目的在于填补相关领域的空白，提出一种可有效实现流化床外循环组合管道内颗粒的低能耗稳定输送方法。通过在流化床外循环管道的水平段与倾斜段分段添加基于压降最小输送速度计算得到的不同气量的输送气，实现了颗粒在流化床外循环管道内的稳定低能耗输送。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种流化床外循环的稳定控制方法，包括以下步骤：
1)获取流化床外循环管道水平段内的气体流量与颗粒质量流量；
2)根据外循环管道倾斜段的倾斜角度θ，利用式(1)获得该倾斜角度下倾斜管输送的压降最小输送速度Umin,θ与竖直管输送的压降最小输送速度Umin,90°之比；
Figure BDA0003074068200000021
式中，λ表征颗粒的重力阻力系数，取值范围在0-1之间。
3)根据外循环管道水平段内颗粒质量流量，利用式(2)获得该操作条件下竖直管气力输送的压降最小输送速度；
Figure BDA0003074068200000022
式中，g为重力加速度，dp为输送颗粒粒径，Gs为输送颗粒质量流量，ρg为输送气体密度，D为输送管道内径，Ar为阿基米德准数，可由式(4)计算得到，其余的α、β、γ、η、κ为待定参数。
Figure BDA0003074068200000023
式中，ρp为输送颗粒密度，μg为输送气体粘度。
4)根据竖直管输送的压降最小输送速度，利用式(4)获得相同输送条件下的水平管压降最小输送速度；
Umin,0°＝λUmin,90° (4)
5)根据式(5)计算得到颗粒在流化床外循环管道水平段内稳定且最低能耗输送的气量Qconvey，并将流化床外循环管道水平段的气量调整至Qconvey；
Figure BDA0003074068200000031
6)根据式(6)计算得到颗粒在流化床外循环管道倾斜段内稳定且最低能耗输送需要补充的气体流量Qadd，并在外循环管道的倾斜段入口处添加Qadd气量的输送气；
Figure BDA0003074068200000032
所述的流化床外循环的稳定控制方法适用于气相法聚乙烯工艺的流化床外循环或乙烯丙烯共聚工艺的流化床外循环。
所述的流化床外循环的稳定控制方法中，输送颗粒的粒径小于等于4.5mm，输送颗粒的真密度范围为880-960kg/m3。
所述步骤1)中的颗粒质量流量的方法包括称重法、科里奥利力法、射线法、微波法、声波法、静电法、电容法、层析成像法、多普勒法、空间滤波法与高速摄像法。
所述步骤2)中的不同倾斜角度下倾斜管输送与竖直管输送的压降最小输送速度之比的计算公式中的待定参数λ与颗粒性质、输送管道材质、输送气体性质有关，可进行少量颗粒的悬浮实验获得或由不同倾斜角度下压降最小输送速度的变化趋势回归得到。
本发明具有以下优点：调控方法简单且易于操作，且可灵活运用装置原有的各种检测装置(气体流量计、固体质量流量计等)；利用本发明提出的分段进气量的计算公式，可实现颗粒的稳定、低能耗输送。
附图说明
图1是流化床外循环示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为流化床外循环的示意图。流化床内反应生成的固体物料自底部出流化床，并经组合管道(水平管、倾斜管与竖直管)循环回流化床内。而为了保证固体物料在外循环管道内的稳定输送，需要在外循环管道的水平段入口与倾斜管入口分别注入一定量的输送气。因此，在外循环管道的水平段，设置气体流量与固体质量流量检测设备，以实时获得固体物料的输送条件。获取输送条件后，可根据本发明提出的输送气量的计算公式调整水平段的输送气量，并在倾斜段的入口处添加一定气量的输送气。同时，由于倾斜管输送过程中的压力损失高于相同输送气速与固体质量流量下水平管输送与竖直管输送的压力损失，无需再在后续的输送管道入口处添加额外的输送气。
采用空气作为输送气，聚丙烯颗粒作为输送颗粒(粒径1.5mm，真密度900kg/m3)，内径为25mm的有机玻璃管作为输送管道(含有水平段、45°倾斜段与竖直段)进行输送实验(颗粒质量流率为10.0kg/(m2·s))。
竖直管的压降最小输送速度可以通过进行系列输送实验，并基于式(2)进行参数回归得到。或通过查阅文献获得。本实施例中的竖直管压降最小输送速度(式(7))是通过查阅文献获得(Powder Technology,2011,207:119-133)。
Figure BDA0003074068200000041
按照式(7)进行计算，得到本实施例操作条件下的竖直管压降最小输送速度0.48m/s(气量0.85m3/h)。
此时，取重力阻力系数为0.5(进行系列输送实验，基于式(1)进行参数回归得到)，则根据上文式(1)可得水平段最小输送速度为0.24m/s(气量0.43m3/h)，倾斜段最小输送速度为0.51m/s(0.91m3/h)。值得一提的是，式(1)描述的是不同倾斜角度下气力输送过程中压降最小输送速度(在该输送气速下，颗粒均能稳定输送)的变化趋势，因此只要证明在任一倾斜角度下，根据本发明计算得到的输送气速可以使颗粒在管道内稳定输送，则本发明应当是在所有倾斜角度下均适用的。因此，本实施例中仅以45°的倾斜角为例进行说明详细的实施过程。
当水平段输送气力为0.43m3/h时，颗粒可悬浮稳定输送，且输送能耗较少。当若倾斜段补充气量小于0.48m3/h时，倾斜段内会出现颗粒沉积，难以稳定输送。仅有当倾斜段补充气量大于等于0.48m3/h时，颗粒方可在倾斜段内稳定能耗输送。
以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取流化床外循环管道水平段内的气体流量与颗粒质量流量；
2)根据外循环管道倾斜段的倾斜角度θ，利用式(1)获得该倾斜角度下倾斜管输送的压降最小输送速度Umin,θ与竖直管输送的压降最小输送速度Umin,90°之比；
Figure FDA0003074068190000011
式中，λ表征颗粒的重力阻力系数，取值范围在0-1之间；
3)根据外循环管道水平段内颗粒质量流量，利用式(2)获得该操作条件下竖直管气力输送的压降最小输送速度；
Figure FDA0003074068190000012
式中，g为重力加速度，dp为输送颗粒粒径，Gs为输送颗粒质量流量，ρg为输送气体密度，D为输送管道内径，Ar为阿基米德准数，可由式(4)计算得到，α、β、γ、η、κ为待定参数；
Figure FDA0003074068190000013
式中，ρp为输送颗粒密度，μg为输送气体粘度。
4)根据竖直管输送的压降最小输送速度，利用式(4)获得相同输送条件下的水平管压降最小输送速度；
Umin,0°＝λUmin,90° (4)
5)根据式(5)计算得到颗粒在流化床外循环管道水平段内稳定且最低能耗输送的气量Qconvey，并将流化床外循环管道水平段的气量调整至Qconvey；
Figure FDA0003074068190000014
6)根据式(6)计算得到颗粒在流化床外循环管道倾斜段内稳定且最低能耗输送需要补充的气体流量Qadd，并在外循环管道的倾斜段入口处添加Qadd气量的输送气；
Figure FDA0003074068190000015
2.根据权利要求1所述的流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于：所述的流化床外循环为气相法聚乙烯工艺的流化床外循环或乙烯丙烯共聚工艺的流化床外循环。
3.根据权利要求1所述的流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于：输送颗粒的粒径小于等于4.5mm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于：输送颗粒的真密度范围为880-960kg/m3。
5.根据权利要求1所述的流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于：所述步骤1)中获取颗粒质量流量的方法包括称重法、科里奥利力法、射线法、微波法、声波法、静电法、电容法、层析成像法、多普勒法、空间滤波法与高速摄像法。
6.根据权利要求1所述的流化床外循环的稳定控制方法，其特征在于：所述步骤2)中的不同倾斜角度下倾斜管输送与竖直管输送的压降最小输送速度之比的计算公式中的待定参数λ通过颗粒的悬浮实验获得或由不同倾斜角度下压降最小输送速度的变化趋势回归得到。
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