CN101097134A - 管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置，所述的装置由连接法兰、监测管段、高精度铠装热电阻、固定螺母、密封圈、安装座、高精度贴片热电阻、固定磁铁、环境温度测试热电阻、滤波器、A/D转换器、数据采集器、数字通讯卡、计算机等组成。本发明通过计算机采集盐析前后由高精度热电阻和高精度贴片热电阻传输的信号以及计算相应的盐析层热阻值，进而获得盐析层厚度的精确数值，可以达到实时监测输送盐类溶液工艺流程中管道内壁上由于各种因素影响的盐析层厚度的变化状况，以提高系统运行的安全性和相关设备的使用寿命。

Description

管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种主要用于石油、化工、造纸领域中输送含盐的液固两相流体时因盐析晶体在浓度、温度、速度等条件共同作用下不断析出，盐析层厚度连续增长而影响流程运行的在线监测方法及装置。

背景技术

盐析是以钠、钾离子为主要成分的单一溶液或多种物质的混合溶液中固体物质析出的过程，伴有盐析的液固两相(或多相)流动是工业上常见的现象，尤其集中于石油、化工、造纸行业中。在介质的输送中一旦发生盐析现象，析出的固相物质会发生沉降并以不同的速度粘结于管道内壁，沉积层会随着介质输送时间的加长而增厚，结果导致过流通道面积变小，流程需要的技术性能参数改变，影响到流程的正常运行，严重时需进行输送设备的清理与更换，造成不同程度的直接或间接经济损失。又由于工业钢制管路输运的封闭性和非透明性，通常对于这种危害人们难以及时发现和处理。常规的作法就是定期拆卸管路进行观测，如文献“管内绿液输运过程中结盐机理”(来源：江苏大学学报(自然科学版)2005，11(6)：514-516)所述，但这一作法既费力又不可靠。

美国田纳西州Oak Ridge National laboratory(ORNL)的Timothy D.Welch在发布的报告“Tank Waste Transport，Pipeline Plugging，and the Prospects for Reducing the Risk of WasteTransfers”(Source:Web site:http://www.osti.gov/contact.html，Aug 2001.)中提及了管道堵塞的六种机理，其中有三种机理涉及具有结盐或化学反应的两相流动，并运用多种数值计算方法研究了盐析过程。这种理论分析及数值计算不全面，没有将浓度、温度、速度等影响盐析速率的因素加以全面考虑，没有给出管内盐析层厚度随时间发展的趋势性分析。

国内也有采用从盐析机理出发，推导出相关的数学模型进而编制程序的方法来预测盐析量的方法。这种方法的不足在于一方面由于机理研究的滞后性导致计算结果与实际情况存在较大差异，另一方面其结果仅仅预测出输送介质中的盐析量，而不能给出管道内壁上盐析层厚度的具体数值。这一数值又是影响到整个工艺流程正常运行的关键性因素。

目前，由于缺少管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置，无法对输送盐类溶液的系统进行实时监控，也就不能保证其安全、稳定和可靠的运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置，旨在实时监测输送盐类溶液工艺流程中管道内壁上由于各种因素影响的盐析层厚度的变化规律，以提高系统运行的安全性和相关设备的使用寿命。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种管内盐析层厚度增长的在线监测方法，该方法包括如下步骤：

(1)在未发生盐析状态下，由高精度贴片热电阻7测得监测管段2外壁面温度T_w2，由高精度铠装热电阻3测得主流温度T_b及由环境温度测试热电阻9测得室内环境温度T_e；

(2)由计算机采集五个测点的温度信号，并分别计算外壁面因辐射及空气自然对流而产生的热损失q₁、q₂，列出主流至外壁面的总散热速率q；

(3)由第1、第2步计算盐析过程的对流传热热阻及系数h；

(4)在盐析状态，同样测得主流温度T_h、监测管段外管壁面温度T_w2及环境温度T_e，并由计算机连续采集温度信号；

(5)由第3、第4步的结果，根据以下两式计算出上述条件下的管内盐析层热阻R_f，及其所在圆柱面内径d_f：

$R_f=\frac{1}{2\mathrm{\πL}{k}_f}\ln \frac{d_1}{d_f}=\frac{T_b-T_{w2}}{q}-\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1\mathrm{Lh}}---\left(1\right)$

$d_f=d_1/e^{2\mathrm{\πL}{k}_f{R}_f}---\left(2\right)$

(6)管内盐析层实时厚度则为：

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{d_1-d_f}{2}---\left(3\right)$

式中的L、k_f、d₁分别为监测管段长度、盐析层导热率及监测管段内径。

本发明还提出了一种实施上述方法的监测装置，其包括连接法兰、监测管段、温度传感器、滤波器、A/D转换器、数据采集器、数字通讯卡和对数据进行处理和显示结果的计算机，其特征在于温度传感器为在监测管段上布置的多只高精度热电阻，其并列连接到滤波器上，所述的滤波器通过A/D转换器与数据采集器连接，数据采集器又通过数字通讯卡与计算机的输入端相连接。

所述的监测管段(2)的材质及管径与盐类溶液输送系统的主管路相一致，并通过连接法兰(1)与主管路相连接。

在监测管段(2)中心线上布置了两只热电阻测量主流温度，在与主流测温热电阻同一圆周面上布置两只贴片热电阻测量管段外边壁温度，四只热电阻同处于水平面上。对两组不同圆周截面上所测得的数据进行算术平均后的数据为有效数据。且还设有环境温度测试热电阳(9)。

所述的高精度铠装热电阻安装座6其材质与监测管路材质一致，下部加工成与监测管路外径相匹配的弧度。

本发明的优点在于：

1.方法简单，可靠性强。通过测试盐析前后的管内主流温度和管壁温度计算出管内盐析层厚度，方法简单易行从而保证了监测的可靠性。

2.监测参数少，操作简便。只需测试五个实时温度值，且通过计算机计算结果，改变了以往人工拆卸管路以观测盐析层厚度的状况。

3.实时监测，精度高。温度传感器采用高精度热电阻，误差范围在正负0.2℃，并利用计算机在线连续采集温度信号，实时监控管内盐析层厚度的变化状况，从而有效地提高了整个运行系统的安全性和相关设备的使用寿命。

4.结构简单，制作方便。监测管道采用与运行系统主管路材质和口径一致的钢管简单加工而成，通过法兰与其相连接，使得装置本身制作、安装方便。

附图说明

图1监测装置结构图

图2高精度铠装热电阻安装图

图3安装座示意图

图4不同主流温度下绿液盐析层厚度随时间的变化

图5不同主流速度下绿液盐析层厚度随时间的变化

图1及图2中：

1法兰    2监测管段    3高精度铠装热电阻  4固定螺母    5密封圈  6安装座

7高精度贴片热电阻    8固定磁铁    9环境温度测试热电阻    10滤波器

11A/D转换器    12数据采集器    13数字通讯卡    14计算机

具体实施方式

本发明是一种用于因盐析层厚度连续增长而影响流程运行的在线监测方法及装置。下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例，以进一步理解本发明。

图1为监测装置结构图，该装置包括连接法兰、监测管段、高精度铠装热电阻、固定螺母、密封圈、安装座、高精度贴片热电阻、固定磁铁、环境温度测试热电阻、滤波器、A/D转换器、数据采集器、数字通讯卡、计算机。所述的监测管段2通过连接法兰1与盐类溶液输送系统相连接，所述的安装座6焊接于监测管段2上用于高精度热电阻3的定位与安装，同时由固定螺母4固定及密封圈5对固定螺母4与高精度热电阻3的间隙进行密封，所述的高精度贴片热电阻7由固定磁铁8通过磁力吸附于监测管段2的外壁，所述的高精度热电阻3、高精度贴片热电阻7及环境温度测试热电阻9并列连接到滤波器10上，所述的滤波器10通过A/D转换器11与数据采集器12连接，该数据采集器12又通过数字通讯卡13与计算机14的输入端相连接。

在监测管段2中心线上布置了两只高精度铠装热电阻3测量主流温度，在与主流测温高精度热电阻3同一圆周面上布置两只高精度贴片热电阻7测量监测管段2外边壁温度，四只高精度热电阻同处于水平面上。对两组不同圆周截面上所测得的数据进行算术平均后的数据为有效数据。

具体实施方法如下：

在制浆造纸行业碱回收工艺流程中绿液输送系统的盐析现象非常严重，为此，运用本发明所提供的监测方法和装置对管内绿液盐析层厚度的增长进行了在线监测。

1)将按附图1所制作的管内盐析层厚度增长的监测装置通过连接法兰1与绿液输送系统的主管路相连接。

2)在未发生盐析状态下，由高精度贴片热电阻7测得监测管段2外壁面温度T_w2，由环境温度测试热电阻9测得室内环境温度为T_e。

3)由计算机采集温度信号，按式1、式2分别求得外壁面因辐射及空气自然对流而产生的热损失q₁、q₂。

式中：q₁--辐射产生的热损失，W

ε--黑度，取ε＝0.8

C₀--黑体辐射系数，取C₀＝5.67W/(m²·K⁴)

--角系数，取＝1

d₂--监测管段外径，m

L--监测管段长度，m

q₂＝h_nπd₂L(T_w2-T_e)

                                           (2)

式中：q₂--空气自然对流产生的热损失，W

h_n--自然对流传热系数，W/(m²·℃)

h_n由定性温度T_f＝(T_w2+T_e)/2下的瑞利数R_a、空气物性参数及水平圆管的几何外形确定。

4)由高精度铠装热电阻3测量未结盐状态下绿液主流温度T_b并结合第一步获得的外壁面温度T_w2，由式3列出主流至外壁面的总散热速率q(由于钢管壁的导热率非常大，60℃时约为50W/(m·℃)，故不计入管壁的热传导热阻)。

$q=\frac{T_b-T_{w2}}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1\mathrm{Lh}}}---\left(3\right)$

式中：q--总散热率，W

d₁--监测管段内径，m

h--盐析过程的对流传热系数，W/(m²·℃)

由于总散热速率等于全部的热损失，故

q＝q₁+q₂    (4)

由式(1)、(2)、(3)可求得盐析过程的对流传热热阻及系数h。

5)在盐析状态，同样测得主流温度T_b、监测管段外管壁温度T_w2及环境温度T_e，此时总的散热速率为

$q=q_1+q_2=\frac{T_b-T_{w2}}{\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1\mathrm{Lh}}+\frac{1}{2\mathrm{\πL}{k}_f}\ln \frac{d_1}{d_f}}---\left(5\right)$

式中：k_f--盐析层导热率，W/(m·℃)，由相关手册或实验确定

d_f--盐析层所在圆柱面内径，m

式(5)中的q、q₁、q₂、T_w2、T_e分别为盐析状态下的总散热率、辐射产生的热损失、空气自然对流产生的热损失、外管壁温度、环境温度。同时，鉴于绿液盐析过程的缓慢性和实验工况保持恒定，认为盐析状态下绿液的对流传热系数未变化。

6)由式(6)即可求得绿液盐析层热阻R_f

$R_f=\frac{1}{2\mathrm{\πL}{k}_f}\ln \frac{d_1}{d_f}=\frac{T_b-T_{w2}}{q}-\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_1\mathrm{Lh}}---\left(6\right)$

7)由式(7)求得管内盐析层所在圆柱面内径d_f

$d_f=d_1/e^{2\mathrm{\π}{\mathrm{Lk}}_f{R}_f}---\left(7\right)$

则管内盐析层厚度δ_f由式(8)求得

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{d_1-d_f}{2}---\left(8\right)$

式中各参数定义同上。

图4及图5分别给出了一段时间内，管内不同主流温度下和不同主流速度下绿液盐析层厚度随时间的变化状况。

Claims (6)

1.一种管内盐析层厚度增长的在线监测方法及装置，其特征在于监测方法为：

(1)在未发生盐析状态下，由高精度贴片热电阻(7)测得监测管段(2)外壁面温度T_w2，由高精度铠装热电阻(3)测得主流温度T_b及由环境温度测试热电阻(9)测得室内环境温度T_e；

(2)由计算机采集五个测点的温度信号，并分别计算外壁面因辐射及空气自然对流而产生的热损失q₁、q₂，列出主流至外壁面的总散热速率q；

(3)由第1、第2步计算盐析过程的对流传热热阻及系数h；

(4)在盐析状态，同样测得主流温度T_b、监测管段外管壁面温度T_w2及环境温度T_e，并由计算机连续采集温度信号；

(5)由第3、第4步的结果，根据以下两式计算出上述条件下的管内盐析层热阻R_f及其所在圆柱面内径d_f：

$R_f=\frac{1}{{2\mathrm{\πLk}}_f}\ln \frac{d_1}{d_f}=\frac{T_b-T_{w2}}{q}-\frac{1}{{\mathrm{\πd}}_1\mathrm{Lh}}---\left(1\right)$

$d_f=d_1/e^{2\mathrm{\π}{\mathrm{Lk}}_f{R}_f}---\left(2\right)$

(6)管内盐析层实时厚度则为：

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{d_1-d_f}{2}---\left(3\right)$

式中的L、k_f、d₁分别为监测管段长度、盐析层导热率及监测管段内径。

2.实施权利要求1所述方法的监测装置，其包括连接法兰、监测管段、温度传感器、滤波器、A/D转换器、数据采集器、数字通讯卡和对数据进行处理和显示结果的计算机，其特征在于温度传感器为在监测管段(2)上布置的多只高精度热电阻，其并列连接到滤波器(10)上，所述的滤波器(10)通过A/D转换器(11)与数据采集器(12)连接，数据采集器(12)又通过数字通讯卡(13)与计算机(14)的输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的管内盐析层厚度增长的在线监测装置，其特征在于监测管段(2)的材质及管径与盐类溶液输送系统的主管路相一致，并通过连接法兰(1)与主管路相连接。

4.根据权利要求2所述的管内盐析层厚度增长的在线监测装置，其特征在于在监测管段(2)中心线上布置了两只测量主流温度的高精度铠装热电阻(3)，在与高精度铠装热电阻(3)同一圆周面上布置两只测量监测管段(2)外边壁温度的高精度贴片热电阻(7)，四只高精度热电阻同处于水平面上，且还设有环境温度测试热电阻(9)。

5.根据权利要求2所述的管内盐析层厚度增长的在线监测装置，其特征在于所述的高精度铠装热电阻的安装座(6)材质与监测管路材质一致，其下部加工成与监测管路外径相匹配的弧度。

6.根据权利要求2所述的管内盐析层厚度增长的在线监测装置，其特征在于所述的高精度贴片热电阻(7)由固定磁铁(8)通过磁力吸附于监测管段(2)的外壁。

Images