CN109297864A - 一种粘性颗粒流化床的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性颗粒流化床反应器流化状态的声波检测方法，使用声发射信号检测方法检测粘性颗粒流化床，通过接收流化过程中颗粒撞击壁面以及颗粒间相互碰撞产生的声信号，对流化行为进行表征。另外料面为声波能量峰顶的距分布板最远处，料面上方声波能量快速下降，据此判断出流化床床高，结合初始填料时的流化床静床高可得床层膨胀比和床层空隙率；当某一位置出现多个能量峰值时，认为粘性颗粒流化床在床层中部出现了声波能量峰值，声波能量的最后一个峰值位置代表了床高，再结合流化床静床高可得床层膨胀比和床层空隙率。本发明检测过程中不需要侵入器壁，可以从根本上避免细粉堵塞问题，可用于粘性颗粒流化床轴向流化状态分布的检测。

Description

一种粘性颗粒流化床的检测方法

技术领域

本发明涉及一种粘性颗粒流化床的检测方法以及一种粘性颗粒流化性质检测方法。

技术背景

细颗粒因其具有较高的比表面积，能够有效降低传质难度，而被广泛的应用于工业生产，如制药、冶金、石油化工等。但是由于其粒径较小，颗粒间作用力相对于重力较强，使得颗粒表现出粘性大的特点，因此也被称为粘性颗粒。由于较强的粘性，粘性颗粒易发生自聚，不利于生产操作和物料运输。在工业上，为了解决这一问题，常常使用流化气使颗粒流化以减少颗粒的自聚，例如流化床反应器、气力输送等。流化后的颗粒被分散开，颗粒间相互接触面积减少，颗粒整体粘性下降。

在粘性颗粒流化床工艺中，流化状态受到多个方面因素的影响，流型复杂多变，因此在粘性颗粒流化床实际应用时对其进行在线检测是十分必要的，能够保证装置处于最佳操作条件。但是绝大多数工业装置是使用不透明材料制作的，无法直接透过器壁肉眼观察，即可视化方法在实际工业运用中不适合。而其他检测技术例如磁性颗粒示踪、X射线摄像、颗粒多普勒图谱等方法也不适合在大规模工业生产中应用。目前工业常用的流化床检测方法为压力脉动检测。压力脉动检测作为传统的流化床检测方法，在检测气泡运动上已有广泛应用，且相应的信号分析手段也已经较为成熟。但是使用压力脉动检测作为一种侵入式检测方法，使用时需要在流化床壁面开孔，插入引压管进行引压，细颗粒会进入引压管并产生堆积，导致堵塞。在实际应用中，引压管一旦发生堵塞，将导致压力波动严重衰减，根据压力脉动得到的流化床流化剧烈程度弱于实际情况，影响生产中对工艺控制，甚至导致生产安全事故。因此开发一种适用于粘性颗粒流化床的非侵入式检测方法是十分必要的。

中国专利CN1544140A公开了一种流化床反应器声波检测的装置和方法，能够对反应器内粒径分布情况、聚团情况进行定性分析。同时声发射信号检测方法还可用于颗粒流化特性的研究，为工业设计前期的研究阶段提供检测方法。中国专利CN 1831494A提出，通过声发射信号特征值E_i确定颗粒起始流化速度和起始湍流速度，并将其用于聚丙烯颗粒流化特性的检测，所得检测结果与经典的压差法检测结果相对误差仅为5.18％。但该专利涉及到的颗粒类型均为Geldart B类颗粒，并未提出针对粘性颗粒流化性质的检测方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，使用声发射信号检测方法检测粘性颗粒流化床。通过接收流化过程中颗粒撞击壁面以及颗粒间相互碰撞产生的声信号，对流化行为进行表征。检测过程中不需要侵入器壁，可以从根本上避免细粉堵塞问题。本发明拓展了声发射信号检测的使用范围，进一步完善了针对粘性颗粒流化床的检测方法，可用于粘性颗粒流化床轴向流化状态分布的检测。

本发明提供一种粘性颗粒流化床检测方法，其步骤如下：

(1)使用声波检测系统采集流化床反应器壁面不同轴向高度的声信号。

(2)对接收到的流化床反应器声信号进行傅里叶变换得到声信号的功率谱图，计算声波能量E，计算每一个位置声波能量较其下面最近一个位置的声波能量的比值a。通过分析得到的能量E及其比值a定性分析流化床的流化状态，并以此为根据调节生产。

所述声波检测系统包括依次连接的声波传感器、信号放大器、信号采集装置、信号处理装置、处理结果显示装置。所述的声波传感器在反应器器壁上等间距垂直排列分布，其安装范围从分布板到料面高度的1.3倍处。当为减小流化床周向流型分布对检测结果的影响，可以在不同周向位置设置多列声波传感器以减小检测误差。每列传感器安装数量为3-20个，当检测精度要求较高时，可以进一步增加安装数量。

由于粘性颗粒流化床的特性，在不同轴向高度会表现出不同的流型特征，因此根据声信号得到的流化床流型仅代表检测位置附近的流型，据此可以检测粘性颗粒流化床流型的轴向分布。通过声信号相对于下面最近一个位置的声信号能量相对增长率a可以定性判断流化床流化状态的轴向分布。当不同轴向位置的能量E变化不大，床底部的声能量与其他位置声能量相差不多时，认为流化床未流化，存在偏流和大量流化死区。此时由于整床基本未流化，各个区域产生的声能量均较小。当能量E沿高度不断增加时，流化床流化较好。由于流化床开始流化，高度较高位置流化较为剧烈，会产生更强的声信号。可根据比值a判断流化区域，当比值a存在明显峰值时，说明能量E在轴向方向存在突变，流化床分为两层流化，其中上层流化较下层更为剧烈；而比值a不存在明显峰值时，流化床整体流化较为接近，不存在分层流化。当能量E沿高度变化存在多个峰值时，说明流化床内部流型较为复杂，在轴向方向上可分为三个或更多的流化区域，每层流化剧烈程度不同。

本发明还提供一种粘性颗粒流化特性检测方法，包括以下步骤：

(1)在流化床中装填待检颗粒。

(2)通入流化气使颗粒流化，检测流化床壁面不同位置的声信号。

(3)改变气速，测量不同气速下的声信号。

(4)比较同一位置的声能量-气速曲线，突变位置即为起始流化气速。

(5)根据同一气速的声能量-高度曲线可得流化床床高，继而得到相应气速下的床层膨胀比和床层空隙率。

该方法实际上就是对粘性颗粒在冷模流化床中的流化形态进行检测。与前述流化床流型检测方法不同的是该方法主要检测的是流化颗粒的起始流化气速和流化床的膨胀比、空隙率。步骤(4)中，当不同位置的声波能量在某一气速下均出现突增现象时，即认为此气速为起始流化气速。步骤(5)中，同一气速下声波能量沿高度始终在增长，因此床层处于稳定流化或分层流化。料面为声波能量峰顶的距分布板最远处，料面上方声波能量快速下降，据此可以判断出流化床床高，结合初始填料时的流化床静床高可得床层膨胀比和床层空隙率；当某一位置出现多个能量峰值时，认为粘性颗粒流化床在床层中部出现了声波能量峰值，声波能量的最后一个峰值位置代表了床高，再结合流化床静床高可得床层膨胀比和床层空隙率。

附图说明

图1萤石粉原料粒径分布图；

图2实施例1不同流化气速下声能量比值a随高度变化；

图3实施例1相对增长率突变点高度变化；

图4实施例2不同气速下声波总能量沿高度变化；

图5实施例3不同流化气速下声波总能量随气速变化；

图6实施例3不同高度声能量变化。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明的定性分析过程进行详细描述。

实施例1

实施例1是粘性颗粒流化床反应器流化状态的声波检测方法的一个实施例。

使用的粘性颗粒为萤石粉，平均粒径28.5μm，其粒径分布如图1。选择的流化床反应器为圆柱形流化床反应器，其外径为250mm，壁厚4mm，床高1500mm。在距离直筒底部300mm处焊接圆板，板上为孔径1mm的圆孔，开孔率2％(约103孔)，板上覆盖有400目网以防细粉下漏，圆板与细网一起构成组合分布板。在床中装填静床高15cm的萤石粉。

从分布板处开始垂直排布声波传感器，使用的传感器直径2cm，每隔3cm设置一个传感器共设置8个。在不同气速下进行流化得到不同流化气速下声波能量，并计算能量比值a，将其随高度变化作图如图2。图中不同气速下比值a分别均存在一个明显峰值，由此判断流化床存在分层流化现象，且分层为两层。而随着气速的增大，比值a峰值的位置也在下移，如图3。

根据声能量和功率谱图的分析结果，可分析出流化床轴向方向有两个流化区域，出现了不同的流化形态，其中流化床下部为聚团固定床，上部为聚团流化床。由于下层床为固定床，流化质量较差，不利于反应器运行。而随着流化气速增大，上层床占比增大而下层床减小。因此生产时需要适当增大气速以减小下层床的比例，提高生产效率。

实施例2

实施例2是粘性颗粒流化床反应器流化状态的声波检测方法的一个实施例。

使用与实施例1相同的粘性颗粒及流化床反应器。装填17cm静床高的萤石粉。从分布板处开始垂直排布声波传感器，使用的传感器直径2cm，每隔3cm设置一个传感器共设置10个。在不同气速下进行流化得到不同流化气速下声波能量，将其随高度变化作图如图4。图中明显存在多个能量峰值，说明流化床在床层中部存在多个流化区域，其中中间部分流化区域产生的声波能量最大，流化最为剧烈，相较于其他两个区域更适合反应器生产。在实际生产中需要调节控制变量使得这一区域变宽。

实施例3

实施例3是粘性颗粒流化特性检测方法的一个实施例。

使用与实施例1相同的粘性颗粒及流化床反应器。装填12cm静床高的萤石粉。从分布板处开始垂直排布声波传感器，使用的传感器直径2cm，每隔3cm设置一个传感器共设置8个。

计算得到不同气速下声信号能量，得到声能量-气速曲线如图5。图中在0.055m/s气速时声能量发生了突变，能量迅速增强。可认为颗粒起始流化气速为0.055m/s。这与通过传统压力脉动方法得到的起始流化气速0.05m/s相接近。

计算得到不同位置的声信号能量，得到声能量-高度曲线如图6。图中气速为0.043m/s、0.049m/s、0.061m/s时声能量均沿高度持续增加,即床层处于稳定流化或分层流化状态。将声信号能量峰值平台上高度最高的点作为测量得到的床高位置，在床高以上部分声信号能量快速下降。根据声波能量得出的床高为16cm，而通过目测法测得的床高为17cm，相差1cm，小于声波传感器直径2cm。气速0.055m/s时存在多个能量峰值，而最后一个声波能量峰位于16cm，同样接近实际床高17cm。根据得到的流化床料面搞得和静床高可以进一步得到相应气速下的床层膨胀比为1.4，床层空隙率为0.7。

Claims (6)

1.一种粘性颗粒流化床反应器流化状态的声波检测方法，包括以下步骤：(1)使用声波检测系统等距检测粘性颗粒流化床反应器壁面不同轴向位置的声信号；(2)对接收到的声信号进行傅里叶变换得到声信号的功率谱图，并由此计算声波能量E；随后计算每一个检测位置声波能量与其下面最近一个检测位置的声波能量的比值a，并根据各个位置的比值a判断流化床流型，具体判断方法如下：当不同轴向位置的能量E的相对标准偏差均小于0.2，或床底部的声能量与各个位置声能量平均值相差不超过20％时，认为流化床未流化，存在偏流和大量流化死区；当能量E沿高度不断增加时，认为流化床流化较好，此时并可根据比值a判断流化区域，比值a存在大于1.5的峰值时，流化床分为两层流化，上层流化较为剧烈，而比值a不存在大于1.5的峰值时，流化床没有分层，而是以单层进行流化；当能量E沿高度变化存在多个峰值时，流化床分为三层或更多层流化，每层流化剧烈程度不同。

2.一种粘性颗粒流化特性检测方法，包括以下步骤：(1)在流化床中装填待检颗粒；(2)通入流化气使颗粒流化，检测流化床壁面不同位置的声信号；(3)改变气速，测量不同气速下的声信号；(4)比较同一位置的声波能量-气速曲线，突变位置即为起始流化气速；(5)根据同一气速的声波能量-高度曲线可得流化床床高，继而得到相应气速下的床层膨胀比和床层空隙率。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：使用的声波检测系统包括依次连接的声波传感器、信号放大器、信号采集装置、信号处理装置、处理结果显示装置。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：声波检测系统检测声波的声波传感器在反应器器壁上垂直排列，并且在料面高度的1.3倍处与分布板之间等间距分布。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：声波检测系统有多列在反应器中垂直排列的声波传感器。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：声波检测系统检测声波时声波接收频率范围为0Hz～1MHz。