CN101226169A - 流化床反应器分布板的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流化床反应器分布板的检测方法。包括以下步骤：1)在流化床分布板下方非开孔处设置一个或多个的声发射信号接收装置；2)声发射信号接收装置接收流化床反应器内部颗粒撞击分布板的声发射信号；3)选取分布板上声发射信号；4)通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在；通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度；通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离。本发明的振动装置是非插入式的，安装简易方便、安全环保、反应灵敏、测量误差小、适用面广。
Description
技术领域
本发明涉及流化床反应器分布板的检测，尤其涉及一种流化床反应器分布板的检测方法。
背景技术
分布板作为保证流化床良好、稳定流态化的重要构件，虽然它对流化床的直接作用范围仅20～30cm，然而它对整个流化床的流化态质量以及反应器的操作性能都具有决定性的影响。分布板的主要作用包括：
(1)均匀分布流体，同时使流体通过分布板的能耗最小；
(2)保证在分布板附近形成良好的气-固、液-固接触条件，以使所有粒子都处于运动状态，从而消除死区；
(3)分布板不被堵塞和腐蚀，可操作的周期长，特别是在操作过程中或在突然停止操作之后，固体颗粒不会漏流入分布板以下的空间中。
寻找能快速、准确、灵敏、环保地判断流化床分布板的板孔或风帽堵塞的方法，检测分布板上的死区和结块，识别流化状态(临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度的正确检测)，测量分布板风帽的最大射流距离等基本参数的方法，不仅有助于加深对流化床反应器的认识、加快分布板的改造和设计，而且对于安全生产和优化操作、工业反应器的开发设计具有重要的指导意义。
目前，工厂中对分布板的性能考察主要通过生产过程的平稳运行和产品质量的稳定可靠而间接反映，其板孔或风帽的堵塞与否由压差计通过测定压差来判断，但由于压差计在测定过程中经常被堵塞而误报、错报；流化状态的识别主要通过压力脉动信号进行判断，但尚停留在实验室阶段。而射线法，光检测法等方法，主要考察分布板上方的气泡的生长、聚并和破裂行为，不能具体检测分布板上死区、结块及其造成的板孔和/或风帽的堵塞，更不能识别颗粒流化过程中的流动状态。同时，采用光检测法还需要将光源伸入流化床中，可能影响内部的流场，对系统内部的流动和反应造成影响。而射线法对人体则存在着致命的伤害。为此，本发明提出了一种具有检测灵敏、安全环保、简易快捷等特点的流化床分布板声发射检测技术，将声发射信号接收装置放置于分布板下方的非开孔处，能够实现对板孔或风帽堵塞的及时判断、分布板上死区和结块实时预警，流化状态正确检测，风帽最大射流距离的精确测量等功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种流化床反应器分布板的检测方法。
包括以下步骤：
1)在流化床分布板下方非开孔处设置一个或多个的声发射信号接收装置；
2)声发射信号接收装置接收流化床反应器内部颗粒撞击分布板的声发射信号；
3)选取分布板上声发射信号中的频率F、振幅A、能量E作为特征变量；
4)通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在；通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度；通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离。
所述的通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在：当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值50～55％时，表明该区域分布板板孔或风帽的堵塞；当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值40～45％时，表明该区域为分布板死区和结块；
所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当能量比或其方差值为7～8时，气速为临界流化速度，当能量比或其方差值为4～6时，气速为临界湍动速度，当能量比或其方差值为0.3～1.5时，气速为快速流化速度，当能量比或其方差值为0.1～0.8时，气速为颗粒的带出速度；
所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当测定平均粒径为0.32mm颗粒随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号时，当能量比或其方差值为为7～11时，气速为起始鼓泡速度。
所述的通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离：当声发射能量最大值时，即为风帽最大射流距离处。
本发明与现有的方法相比具有如下一些优点：
1)振动接收装置是非插入式的，安装简易方便，不会影响多相流体的运动或内部的反应；
2)不需要发射源。振动信号是流体在运动过程中产生的，安全环保；
3)对测量条件要求低，能在比较恶劣的环境下全天候工作，即使在高温高压等苛刻环境下仍能正常工作；
4)反应灵敏，测量误差小，适用面广。
附图说明
图1是流化床反应器分布板的检测装置示意图；
图2(a)是本发明使用的分布板结构示意图；
图2(b)是本发明使用的分布板检测点示意图；
图3(a)是摄像法所得分布板上方死区/结块分布图；
图3(b)是分布板上方死区/结块分布示意图；
图4是分布板下方声发射能量分布图。
具体实施方式
本发明将声发射信号接收装置放置于分布板下方的非开孔处，通过采集颗粒、气泡与分布板碰撞、磨擦产生的声信号，可以对分布板运行状况和颗粒的流化状况实现非常有效的检测和判断，包括分布板板孔和/或风帽是否堵塞，分布板上的死区和结块、颗粒流态识别和风帽的最大射流距离。根据信号分析结果，可以获得分布板性能，继而对分布板进行优化设计，达到指导生产、提高产率的目的。
流化床反应器分布板的检测方法包括以下步骤：
1)在流化床分布板下方非开孔处设置一个或多个的声发射信号接收装置；
2)声发射信号接收装置接收流化床反应器内部颗粒撞击分布板的声发射信号；
3)选取分布板上声发射信号中的频率F、振幅A、能量E作为特征变量；
4)通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在；通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度；通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离。
所述的通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在：当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值50～55％时，表明该区域分布板板孔或风帽的堵塞；当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值40～45％时，表明该区域为分布板死区和结块；
所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当能量比或其方差值为7～8时，气速为临界流化速度，当能量比或其方差值为4～6时，气速为临界湍动速度，当能量比或其方差值为0.3～1.5时，气速为快速流化速度，当能量比或其方差值为0.1～0.8时，气速为颗粒的带出速度；
所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当测定平均粒径为0.32mm颗粒随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号时，当能量比或其方差值为为7～11时，气速为起始鼓泡速度。
所述的通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离：当声发射能量最大值时，即为风帽最大射流距离处。
本发明方法可用于流化床反应器的类型包括：气固流化床反应器、液固流化床反应器和气液固三相流化床反应器。
流化床反应器内部的动态声发射信号通过设置在流化床反应器分布下方非开孔处的声发射接收装置进入放大装置进行信号的放大，以保证信号的长距离输送，然后进入声信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声发射信号处理装置(计算机)进行处理和分析。
通过置于分布板下方的声探头，采集声发射信号振幅A或能量E，当分布板板孔或风帽正常工作时，采集到的声发射信号振幅大而密集，且声发射信号振幅或能量稳定。而当分布板板孔或风帽被堵塞时，采集到的声发射信号振幅小而稀疏，且声发射信号振幅或能量很弱。
通过置于分布板下方的声探头，采集声发射信号频率F，或振幅A，或能量E，当颗粒正常流态化时，采集到的声发射信号振幅大而密集，且声发射信号的频率或振幅或能量稳定。而当结块发生时，尤其是分布板上发生死区或结块时，采集到的声发射信号频率降低，振幅变小，声能量减小。
颗粒的运动和气泡的产生都是自分布板开始发展，作用在分布板上的颗粒和气泡的信号第一时间反映了流态化的演化规律，因此，将声发射接收装置放置于分布板下方采集声信号，真正具有灵敏、实时和在线的特征。测定平均粒径为0.64mm颗粒(Geldart-B类颗粒)随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号。声信号的能量比及其方差比随气速的变化基本稳定在1～2左右。定义能量比及方差比：
BEj＝Ej/Ej-1
BSj＝Sj/Sj-1
当气速到达临界流化速度时，能量比及其方差值达到第一个极大值，为7～8；当气速增大到临界湍动速度时，床层中的气泡反而消失，声能量比及其方差值达到第二个极大值，为4～6；当气速增大到快速流化速度时，声能量比及其方差值达到第一个极小值，为0.3～1.5；当气速增大到颗粒的带出速度时，声能量比及其方差值达到第二个极小值，为0～0.8，并随着气速的进一步增加，声能量比及其方差值趋于0。当测定平均粒径为0.15mm颗粒(Geldart-A类颗粒)随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号时，在小于临界流化速度时，还存在一个能量比及其方差值的极值，值为7～11之间，此时的表观气速为起始鼓泡速度。
在分布板下方，测定平均粒径为0.64mm颗粒、表观气速为0.65m/s时，沿风帽气体喷射方向的声信号能量变化。当声信号接收装置位于风帽最大喷射距离时，声信号能量达到最大值。这是由于风帽出口至最大喷射距离之间，分布板上颗粒稀少，颗粒与颗粒之间、颗粒与分布板之间的碰撞或摩擦很少。而超过最大喷射距离时，风帽气流几乎无法吹动沉积在分布板上的颗粒，颗粒与颗粒之间、颗粒与分布板之间的碰撞同样很少。相反，在最大喷射距离时，处于气流吹动和颗粒沉积的分界面，此时颗粒与颗粒之间、颗粒与分布板之间的碰撞达到最大化，在对应位置下测得的声信号能量也比其它位置测得的要大。沿着风帽喷射方向测定分布板下方不同位置的声发射信号，发现不同的风帽均存在如下的共同规律：声发射信号的能量值从风帽出口开始先增大，到最大喷射距离时声能量达到最大，此时，颗粒与颗粒、颗粒与分布板的碰撞强度为极值，之后声信号能量逐渐减小。试验结果表明，声发射检测技术能够准确地测量出风帽的最大喷射距离。
为实施本发明方法所设计的一套专用检测装置，包括声发射信号的接收装置，信号采集装置以及信号处理装置。其中声发射信号的接收装置为一个或多个振动换能器；信号采集装置为一个或多个信号采集卡(A/D转化器)；信号处理装置为带处理软件的处理器。
所述的振动信号的接收装置的信号输出端与信号放大装置的输入端连接，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端连接，所述的信号放大装置为一个或多个信号放大器。该放大装置可以根据实际需要选择是否使用。
振动信号接收装置的接收频率范围为0Hz～100MHz，放大装置和信号采集装置放大范围为1～10000。其中接收频率范围以20Hz～1MHz为佳，信号放大范围以1～100倍为佳。
实施例1
采用如图1装置图，在高为1000mm、内径为150mm的有机玻璃建造的气固流化床中，以图3所示分布板为实验对象，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％。在分布板上粘附上如图4右图所示分布的聚乙烯颗粒，以造成死区和结块。以空气作为流化气体，表观气速为0.65m/s，静床高为500mm。无源声发射传感器贴于分布板下方不同位置(如图3)，距离相邻分布板进气孔的距离分别为0.15L，0.25L，0.5L，其中L是分布板最小孔间距。采样频率为200kHz，采样时间为5s。
声发射信号进行能量分析，得到如图5所示的能量分布结果。结果表明，在分布板下方中部位置(1、2、3号位置)能量较低，并且与正常流化采集到的声发射信号频率降低，振幅变小。对应于该区域，分布板上方存在着死区和结块。同时，通过对数据的分析，提出流化床分布板上死区存在的判断准则，即当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值不大于40％时，表明该区域为分布板死区和结块。通过与摄像法拍摄所得结果(如图4左图)对比，发现本发明的检测方法所得死区和结块与分布板真实情况完全一致。
实施例2
采用如图1装置图，在高为1000mm、内径为150mm的有机玻璃建造的气固流化床中，以图3所示分布板为实验对象，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％。以空气作为流化气体，表观气速为0.65m/s，静床高为500mm，采样频率为95MHz，采样时间为5s。同样首先测量风帽全部正常工作时的分布板下方13个点的声发射信号，接着，堵住分布板中心上方的一个板孔或风帽(如图3)，再测量分布板下方相同13个点的声发射信号。无源声发射换能器贴于离分布板下方不同位置(如图3)，距离相邻分布板进气孔的距离分别为0.15L，0.25L，0.5L，其中L是分布板最小孔间距。经计算，得到如表1所述的能量分布。结果表明，当分布板下方风帽出气口两侧位置声发射信号能量明显降低时，并且采集到的声发射信号振幅小而稀疏，声发射信号振幅很小，说明该板孔或风帽被颗粒堵塞。
表1堵孔前后分布板下方声发射能量对比表(V2)
| 位置 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 堵孔前堵孔后堵孔后/堵孔前 | 5039755694911.13 | 6042346948691.15 | 5268715690201.08 | 9793563259010.33 | 114616013868541.21 | 9737563148880.32 | 125879312336170.98 |
| 位置 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | |
| 堵孔前堵孔后堵孔后/堵孔前 | 8631919236151.07 | 99478911042151.11 | 7850619342231.19 | 117850611431500.97 | 110830411415531.03 | 7334538581401.17 |
实施例3
采用如图1装置图，气固流化床为高3000mm、内径250mm的透明有机玻璃，静床高为800mm，以图3所示分布板为实验对象，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％。以空气作为流化气体，气速从0变化到0.8m·s-1。操作温度为室温。采样频率为800kHz，采样时间为10s。无源声发射换能器贴于分布板下方的1号位置。
测定平均粒径为0.64mm颗粒随着气速的逐渐增大而流化产生的声信号。声信号的能量比及其方差比随气速的变化基本稳定在1～2左右。而当气速到达临界流化速度时，能量比及其方差值达到第一个极大值，为7～8；当气速增大到临界湍动速度时，床层中的气泡反而消失，声能量比及其方差值达到第二个极大值，为4～6；当气速增大到快速流化速度时，声能量比及其方差值达到第一个极小值，为0.3～1.5；当气速增大到颗粒的带出速度时，声能量比及其方差值达到第二个极小值，为0～0.8，并随着气速的进一步增加，声能量比及其方差值趋于0。当测定平均粒径为0.32mm颗粒随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号时，在小于临界流化速度时，还存在一个能量比及其方差值的极值，值为7～11之间，此时的表观气速为起始鼓泡速度。由此，通过测定分布板上声发射信号的频率F，或振幅A，或能量E的变化，可以获得颗粒流态化过程中的临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度。
实施例4
采用如图1装置图，以空气作为流化气体，表观气速为2m3/hr，静床高为300mm，采样频率为50MHz，采样时间为5s，测定沿风帽气体喷射方向的声能量变化。分布板同样为图3所示。实验结果表明，在沿风帽出气方向上，分布板下方声发射能量呈现出先增大后减小的趋势，而当声发射能量达到最大值处，即为风帽最大射流距离处。进而以三种不同尺寸的分布板风帽为例，进一步验证这一结论，如表2。
表2风帽射流范围与分布板下方能量分析表
| 风帽1 | 风帽2 | 风帽3 | |
| 声发射能量最大值/V2 | 2198 | 1987 | 1799 |
| 声发射能量最大位置(距风帽口)/cm | 2.7 | 1.0 | 1.0 |
| 实际最大喷射距离/cm | 2.3 | 1.0 | 1.0 |
Claims (5)
1.一种流化床反应器分布板的检测方法，包括以下步骤：
1)在流化床分布板下方非开孔处设置一个或多个的声发射信号接收装置；
2)声发射信号接收装置接收流化床反应器内部颗粒撞击分布板的声发射信号；
3)选取分布板上声发射信号中的频率F、振幅A、能量E作为特征变量；
4)通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在；通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度；通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离。
2.根据权利要求1所述的一种流化床反应器分布板的检测方法，其特征在于：所述的通过分布板上声发射信号频率F，或振幅A，或能量E的分布状况判断分布板板孔或风帽的堵塞，以及分布板上的死区和结块是否存在：当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值50～55％时，表明该区域分布板板孔或风帽的堵塞；当某区域的声发射能量值与分布板上最大声发射能量值的比值40～45％时，表明该区域为分布板死区和结块；
3.根据权利要求1所述的一种流化床反应器分布板的检测方法，其特征在于：所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当能量比或其方差值为7～8时，气速为临界流化速度，当能量比或其方差值为4～6时，气速为临界湍动速度，当能量比或其方差值为0.3～1.5时，气速为快速流化速度，当能量比或其方差值为0.1～0.8时，气速为颗粒的带出速度；
4.根据权利要求1所述的一种流化床反应器分布板的检测方法，其特征在于：所述的通过声发射信号能量E的变化确定临界流化速度、起始鼓泡速度、临界湍动速度、快速流化速度和颗粒的带出速度：当测定平均粒径为0.32mm颗粒随着气速的逐渐增大而流化运动产生的声信号时，当能量比或其方差值为为7～11时，气速为起始鼓泡速度。
5.根据权利要求1所述的一种流化床反应器分布板的检测方法，其特征在于：所述的通过沿风帽出气方向的声发射信号能量E的变化获得分布板风帽的最大射流距离：当声发射能量最大值时，即为风帽最大射流距离处。
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