气固流化床中静电检测方法的研究进展①

周 浩 孙旭辉

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料事业部)

气固流化床中静电检测方法的研究进展①

周 浩 孙旭辉

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料事业部)

比较了应用于气固流化床中的4种静电检测方法的优缺点，指出为了获取更为精确的检测结果，气固流化床中静电检测方法的未来发展必将是寻求多种检测手段或者多探头结合的解决方案。

气固流化床 静电检测 法拉第筒 静电探头 双电极组合

气固流化床被广泛应用于烯烃聚合、干燥及造粒等工业过程当中[1]。在流化床的运行过程中，流化颗粒与颗粒和流化颗粒与壁面之间不断重复地碰撞摩擦，致使静电荷在流化颗粒的表面产生并积累。过量的静电荷积累将会导致聚团、粘壁等危害的发生，严重时甚至引起流化床非正常停车，引发重大经济损失[2，3]。因此，对流化床内静电的检测和控制能够有效提高装置运行的稳定性，具有重要的研究价值。流化床中静电的检测是指通过一定的手段，获取流化床中表征静电水平的物理参数，这些物理参数通常包括电荷量、静电势和静电流。流化床中的静电检测方法可以分为法拉第筒法和静电探头法，其中法拉第筒法主要通过检测流化颗粒的电荷量从而表征流化床内的静电水平；而静电探头法则通常是检测流化床内的静电势或者静电流。静电探头法又可根据检测原理的不同分为接触式静电探头和感应式静电探头。

1 法拉第筒法

通过法拉第筒可直接获取取样颗粒的荷电量，从而获得流化床内的静电水平，因此法拉第筒法是流化床中最基础、最常用的静电检测方法。然而，当采用法拉第筒法检测流化床中某一区域颗粒的荷电量时，将不得不通过某一手段将此位置的流化颗粒转移至法拉第筒中。在这一转移过程中，流化颗粒将不可避免地与其他物体(如取样夹具与输送管道)接触，从而导致流化颗粒的二次荷电或者电荷耗散，影响最终检测结果的准确性。因此，有研究者设计了特制的取样装置，也有研究者将法拉第筒直接安装于流化床，从而降低或者避免取样过程引起的误差。

Mehrani P等制作了与流化颗粒材质相同的夹具，他们认为这种与流化颗粒材质相同的夹具将会由于它与流化颗粒的功函数相同，从而减少颗粒取样过程对最终检测结果的影响，但是这一方法并不能完全消除取样过程的影响[4]。Sowinski A等将法拉第筒直接安装于流化床的下部和上部，分别对流化一段时间后的床层主体颗粒和扬析颗粒的荷电量进行了检测，这种方法有效地避免了取样过程，然而这种方法的局限性较为明显，无法应用于检测某一特定局部颗粒的荷电量[5,6]。Mehrani P等直接将实验过程中的流化床与法拉第筒结合，制造了一种如图1所示的用于实验过程中检测流化床整体带电水平的法拉第筒流化床[7,8]。可以看出，该流化床的结构与法拉第筒一致，流化床的内外两层由黄铜制得，内层既是流化区域又是检测区域；外层为屏蔽层，检测过程中接地。在内外两层中镶嵌有厚厚的聚四氟乙烯，且流化床的分布板也同样由聚四氟乙烯制得。该装置能够避免取样过程造成的检测误差，能够较好地检测流化床内的整体带电水平。但是也很明显，该装置仅限于实验过程中，无法在实际工业过程中使用，并且同样无法用于检测特定局部颗粒的荷电量。

图1 法拉第筒流化床

除此之外，采用法拉第筒检测流化床内颗粒的带电量仍然存在着另一个较为明显的问题。已有研究表明，流化床内的颗粒存在着双极带电的现象，但是由法拉第筒直接检测得到的颗粒荷电量为平均荷电量，无法获取所取样品中的正负电荷分布。针对这一问题，Mehrani P等提出了如图2所示的检测装置[4]。该检测装置的主体由两层法拉第筒构成，上层法拉第筒的下底开有圆孔，且一侧安装有一根空气吹扫管。在一定的吹扫气速下，当取样颗粒由法拉第筒上部中心倒入，带正电的小颗粒将会在吹扫气的作用下向上层法拉第筒的壁面运动，而带负电的大颗粒则进入下层法拉第筒，实现正负电荷的分离。

图2 荷电颗粒转移和电荷检测装置

Zhao H等将多层串联法拉第筒安装于流化床下部，希望借助同极性颗粒之间的斥力，使得同一极性的颗粒能够在沉降过程中向法拉第筒壁面运动，最终实现不同极性颗粒的分层分布[9]。但是这一方法的结果并不明显，收集得到的同一法拉第筒中的颗粒并非由单一极性的荷电颗粒构成。Waitukaitis S R等在Zhao H等的基础上进一步发展了此检测方法[10]，在研究过程中，他们采用了如图3所示的检测装置。他们在荷电颗粒自由沉降的过程中施加高压直流电场，在直流电场中，不同极性、不同荷电量的颗粒将会以不同方向和不同的加速度运动。基于这一特点，他们采用高速摄像机跟踪颗粒运动轨迹，并通过加速度计算进一步获得了每个单一颗粒的荷电量。但是很明显，这种方法将受到摄像设备的局限，同时无法应用于高浓度的场合。

图3 基于自由沉降的颗粒双极带电检测装置

此外，还有研究者借助于静电分选的概念，提出了如图4所示的检测装置[11]。在取样颗粒进入法拉第筒之前，首先经过一个由两块倾斜电极板构成的直流电场，在直流外加电场的作用下，带有不同极性静电荷的颗粒将会往不同的极板运动，最终带有正电的颗粒进入右边的法拉第筒，而带有负电的颗粒进入左边的法拉第筒，实现了区分取样颗粒中不同极性电荷的目的。

图4 改进型法拉第筒检测装置

2 接触式静电探头

接触式静电探头是一种在线静电检测方法。安装于流化床内某一位置的接触式静电探头在颗粒流化的过程中，由于不断地与局部荷电颗粒接触，接触式静电探头所在的检测回路中将会有电荷运动，产生静电势或者静电流信号。这一电荷运动既包含颗粒转移至探头的电荷，也包括荷电颗粒感应和颗粒与探头直接摩擦产生的电荷，信号的种类由检测回路的结构决定。因此，通过此种方式检测得到的静电流或者静电势信号并不能与流化床内颗粒的真实荷电量建立一一对应的定量关系，只能用于定性表征探头所在区域静电水平的相对大小。

接触式静电探头可根据其形式不同分为球形探头、环形探头等。常见的球形静电探头[12～15]的结构如图5所示，探头中使用了大量的陶瓷绝缘层和聚四氟乙烯屏蔽层，保证探头的绝缘性和稳定性，避免检测得到的静电信号在传输过程中耗散，同时避免探头受到环境中其他电信号的干扰。在实际检测过程中，前端的球形探头伸入流化床中，后端通过信号线与检测回路连接。由此可知，采用球形静电探头检测流化床中的静电水平是一种侵入式检测方法，这种方法将不可避免地对流化床中的流场产生干扰。因此，在工业生产过程中，这种方式常常仅用于检测壁面静电。除了球形静电碰撞探头外，还有研究者提出了贴于床层内壁面的环形探头[16]，用以测量不同轴向高度处床层的平均带电水平。

图5 球形静电探头结构

环形接触式静电检测方法与球形接触式检测方法类似，仅仅是探头的形式不同。相比于球形电极，环形电极可紧贴于床层内壁面[16]，从而减小探头对流场的干扰。但是有利必有弊，由于探头需贴于床层内壁面，因此这种方法也仅限于检测壁面附近的平均带电水平，而无法检测流化床中不同径向位置的带电水平。

3 感应式静电探头

感应式静电探头是指利用静电感应原理检测流化床内静电水平的检测方法[17～19]。当荷电颗粒经过探头检测的敏感区时，将会在探头处产生感应电荷，从而在检测电路中产生感应静电流或者感应静电势信号。

在采用有机玻璃制得的床层壁面绝缘的流化床进行实验时，将接触式静电探头贴附于床层外壁面即可获得感应式静电探头，但该方法无法应用于工业装置中，并且这种方法仅限于检测壁面附近的静电水平。在工业装置中，可通过在接触式静电探头的前端包覆聚四氟乙烯绝缘塑料制得感应式静电探头[20]，如图6所示。理论上，感应式静电探头获得的信号仅为感应静电信号，相比于接触式静电探头获得的信号更为纯粹，更易于从中解析获得直接表征颗粒荷电水平的电荷量。但感应静电信号的产生不仅受到颗粒荷电量的影响，同时还受到颗粒运动速度的影响，因此目前仍然没有研究者通过解析感应静电信号直接获得流化颗粒的荷电量的报道。与接触式静电探头类似，此种方法也只能用于定性检测流化床内某一位置的静电水平。

图6 感应式静电采集系统

4 双电极组合式静电探头

如前文所述，无论是感应式静电探头还是接触式静电探头，都无法直接获得流化颗粒的荷电量。因此，有研究者提出了双电极组合式静电探头的概念，期望通过此种方式直接检测得到流化颗粒的荷电量。

图7为He C等提出的双电极静电碰撞探头[21,22]，此种静电探头的前端由两个电极构成，这两个电极的材料可以是相同材料也可以是不同材料。当荷电颗粒先后与两个检测电极接触，将会产生不同的静电信号，对这两个信号的异同进行解析将有可能得到被检测颗粒的荷电量。目前，该方法仍处于开发阶段，由此检测方法建立的颗粒荷电量预测模型中含有由实验体系决定的模型参数。为了获得这一模型参数，需要在特定实验体系下进行多次实验。因此虽然该方法相比于已有方法具有较大的进步，但目前仍无法推广应用。

图7 双材料探头和探头表面材质

5 结束语

综上所述，气固流化床的各种单一静电检测手段均有明显的缺点。法拉第筒法能够直接获得颗粒的荷电量，但对采样颗粒进行预处理即使可以得到采样颗粒的正负电荷分布，也无法绝对消除采样过程对最终结果的影响，且过多的前处理过程也会加大最终的检测误差。接触式和感应式静电探头的出现，虽解决了在线实时检测的难题，但静电探头的使用一方面有可能对流场产生干扰，另一方面通过此方法检测得到的仅为带电水平的相对大小。因此，单一检测方式或者单一探头已无法满足实验和工业中的种种检测要求，气固流化床中静电检测方法的未来发展趋势必将是寻求多种检测手段或者多探头结合，从而通过相关性计算和数据融合，获得更为准确、更为多维的检测结果。

[1] Daizo K,Levenspiel O D.Fluidization Engineering[M].Boston:Butterworth-Heinemann,1991.

[2] Hendrickson G.Electrostatics and Gas Phase Fluidized Bed Polymerization Reactor Wall Sheeting[J].Chemical Engineering Science,2006,61(4):1041～1064.

[3] Wang F,Wang J,Yang Y.Distribution of Electrostatic Potential in a Gas-Solid Fluidized Bed and Measurement of Bed Level[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2008,47:9517～9526.

[4] Mehrani P,Bi H T,Grace J R.Bench-scale Tests to Determine Mechanisms of Charge Generation due to Particle-particle and Particle-wall Contact in Binary Systems of Fine and Coarse Particles[J].Powder Technology,2007,173(2):73～81.

[5] Sowinski A,Salama F,Mehrani P.New Technique for Electrostatic Charge Measurement in Gas-Solid Fluidized Beds[J].Journal of Electrostatics,2009,67(4):568～573.

[6] Sowinski A,Miller L,Mehrani P.Investigation of Electrostatic Charge Distribution in Gas-Solid Fluidized Beds[J].Chemical Engineering Science,2010,65(9):2771～2781.

[7] Mehrani P,Bi H T,Grace J R.Electrostatic Charge Generation in Gas-Solid Fluidized Beds[J].Journal of Electrostatics,2005,63(2):165～173.

[8] Mehrani P,Bi H T,Grace J R.Electrostatic Behavior of Different Fines Added to a Faraday Cup Fluidized Bed[J].Journal of Electrostatics,2007,65(1):1～10.

[9] Zhao H,Castle G S P,Inculet I I.The Measurement of Bipolar Charge in Polydisperse Powders Using a Vertical Array of Faraday Pail Sensors[J].Journal of Electrostatics,2002,55(3):261～278.

[10] Waitukaitis S R,Lee V,Pierson J M,et al.Size-dependent Same-material Tribocharging in Insulating Grains[J].Physical Review Letters,2014,112(21):218001～5.

[11] Bilici M A,Sankaran R M,Lacks D J.Particle Size Effects in Particle-particle Triboelectric Charging Studied with an Integrated Fluidized Bed and Electrostatic Separator System[J].The Review of Scientific Instruments,2014,85(10):163.

[12] Wang F,Wang J,Yang Y.Distribution of Electrostatic Potential in a Gas-Solid Fluidized Bed and Measurement of Bed Level[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2008,47:9517～9526.

[13] Wang J,Xu Y,Li W,et al.Electrostatic Potentials in Gas-Solid Fluidized Beds Influenced by the Injection of Charge Inducing Agents[J].Journal of Electrostatics,2009,67(5):815～826.

[14] Moughrabiah W O,Grace J R,Bi X T.Electrostatics in Gas-Solid Fluidized Beds for Different Particle Properties[J].Chemical Engineering Science,2012,75(25):198～208.

[15] Moughrabiah W O,Grace J R,Bi X T.Effects of Pressure,Temperature,and Gas Velocity on Electrostatics in Gas-Solid Fluidized Beds[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2009,48(1):320～325.

[16] Tiyapiboonchaiya P,Gidaspow D,Damronglerd S.Hydrodynamics of Electrostatic Charge in Polypropylene Fluidized Beds[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2012,51(25):8661～8668.

[17] Chen A,Bi H,Grace J R.Effects of Probe Numbers and Arrangement on the Measurement of Charge Distributions around a Rising Bubble in a Two-dimensional Fluidized Bed[J].Chemical Engineering Science,2006,61(19):6499～6510.

[18] Chen A,Bi H T,Grace J R,et al.Measurement of Charge Distribution around a Rising Bubble in a 2-D Fluidized Bed[J].AIChE Journal,2006,52(1):174～184.

[19] Yao L,Bi H T,Park A H.Characterization of Electrostatic Charges in Freely Bubbling Fluidized Beds with Dielectric Particles[J].Journal of Electrostatics,2002,56(2):183～197.

[20] 许南,黄正梁,王靖岱,等.基于感应式静电传感器的流化床中颗粒循环时间的测量[J].化工学报,2012,63(5):1391～1397.

[21] He C,Bi X T,Grace J R.Simultaneous Measurements of Particle Charge Density and Bubble Properties in Gas-Solid Fluidized Beds by Dual-tip Electrostatic Probes[J].Chemical Engineering Science,2015,123:11～21.

[22] He C,Bi X T T,Grace J R.Contact Electrification of a Novel Dual-material Probe with Charged Particulate Flow[J].Powder Technology,2014,253(2):1～9.

ResearchProcessinDetectionMethodsforElectrostaticChargesinGas-SolidFluidizedBed

ZHOU Hao, SUN Xu-hui

(PlasticsDivision,SinopecShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.)

Relative merits of four methods to detect the electrostatic charges in gas-solid fluidized bed were compared to indicate that, for purpose of obtaining exact detection results, having various detection methods or multi probe combined for the application becomes necessary.

gas-solid fluidized bed, detection of electrostatic charge, Faraday cup, electrostatic probe, dual-electrode combination

周浩(1970-)，高级工程师，从事聚烯烃生产管理与产品开发工作，Zhouh.shsh@sinopec.com。

TQ573+.4

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1000-3932(2017)06-0523-05

2016-08-02,

2017-03-06)