声发射技术在气固流化床中的应用
舒伟杰 曹翌佳 任聪静 郑卫华 王靖岱 阳永荣
（浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江 杭州 310027）
摘 要： 利用声发射检测技术，根据不同粒径的颗粒在气固流化床壁面碰撞产生不同频率的声波信号的机理，结合谱分析、多尺度小波和小波包分析，可以实现气固流化床的流化速度、粒径分布、结块、流型和料位等流化动力学参数的实时在线检测。在Φ150mm 气固流化床冷模装置中，测定了流态化实验中聚乙烯颗粒碰撞壁面的声发射信号。实验发现，通过对不同气速下声波信号的小波包分析，可获得颗粒的起始流化速度和初始湍动速度。应用 AE-PSD 方程能够很好地揭示声波信号在各尺度的能量分率分布特征与粒径分布的定量关系，其平均相对误差都在 10%以下。并可以通过对声信号的 7 尺度小波分析，发现床内大颗粒的增加和结块的形成与代表大颗粒信号的第 6、7 尺度的能量变化有着密切的关系。同时，首次用声发射检测技术测得了流化床内的流动模式为带有滞留区的双循环模式。研究结果表明，声发射检测技术能快速、准确地实现流化床流化动力学参数的实时监控。
关键词：声发射，流化床，流化速度，粒径分布，结块，流型，小波，小波包，能谱
引 言
流化床气相聚合技术具有众多的优点，在过去的几十年中取得了巨大的工业成功[1]。起始流化速度和初始湍动速度是气相法聚合流化床反应器设计和生产操作的基础参数。目前对起始流化速度都是用传统的压差法[2]或压力脉动法[3]测定，虽然这两种方法原理简单、方法直观，但是临界点的判断存在着经验性和任意性。尤其是发粘物料和细粉物料，因其压降随气速的增加波动剧烈，使得起始流化速度无法确定[4]。而对初始湍动速度的测定尚未有公开发表的文献报道[5]。粒径分布和结块的测量是保证流化床长期稳定的运行和提高反应器的时空产率的关键。流化床内流型的研究是开发新型反应器的重要依据。长期以来，流化床的流型是研究热点[6]。由于针对烯烃聚合体系的颗粒流态化特性具有独特之处，加之实验手段的缺乏导致流态化研究难于深入，严重妨碍了对现有工业流化床反应器的理解，并妨碍了新型反应器的开发。本课题组基于声信号的多尺度解析，已经实现了气固流化床颗粒粒径分布的在线检测[7-8]。并在 2001 年提出了用声发射检测技术对流化床进行结块故障诊断，但该文只是简单运用原始信号获得直观的故障信息，尚未对信号进行深入的处理[9]。
声波主频的变化反映为声波各尺度（频段）能量分布的改变，正是由于不同粒径的颗粒所产生的声波能量叠加，导致声波在各尺度的能量分布不同，因此有可能通过多尺度声波能量分率的分析，实现流化速度的测定与粒径分布和结块的预测。同时，由于流化床局部区域的声波能量反映了颗粒与壁面、颗粒与颗粒之间的撞击规律，从中可以获得壁面内颗粒的浓度和颗粒的碰撞频率等信息，揭示流化床内整体的信息。
本文拟采用声检测技术，利用流态化时颗粒碰撞壁面产生的声波信号，对其进行多尺度小波包、小波和频谱图的解析，实现流化床内起始流化速度和初始湍动速度的测定、颗粒粒径分布和结块的实时在线检测以及床内流型和料位的监测。
