CN101842694A - 关于流化床的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在流化床装置中利用电容X线断层摄影术(ECT)生产流化颗粒的颗粒密度图图像的方法和装置，实现在流化过程期间在线测量流化颗粒的液体含量，并实现在流化期间流化颗粒介电常数的重新校准，当颗粒的液体含量变化时，诸如对于流化床干燥或造粒过程，允许ECT系统在线重新校准。使用定位以测量流化床的侧壁附近的密集流化颗粒的电容的基准电极，进行重新校准测量。ECT传感器阵列的电极可用于对流化颗粒进行重新校准测量，其能够用于在线液体含量测量，诸如液体含量，不用停止流化。该液体含量信息可用于过程控制。该方法也可用于分别提供经过成像平面的固体分布和总体液体分布的图像。

Description

关于流化床的方法和装置

技术领域

本发明涉及包含颗粒的流化床中的电容测量，和装置，其用于处理诸如由颗粒的流体含量变化引起的颗粒介电常数变化，同时执行流化颗粒的介电常数分布的电容测量和电容X线断层摄影术(ECT)成像。本发明还涉及用于测量液体含量的方法，特别地流化颗粒的液体含量。

背景技术

在这个描述中，术语“流化床”和“流化床装置”指一种装置，包括：基部，其包括典型地采用网眼或穿孔板形式设置的气体分配器板；和侧壁，该侧壁包围气体分配器板上方的流化罩。典型地，在流化床操作期间，该气体分配器板被保持在基本水平面中。流化气体被吹动经过气体分配器板，以流化出现在流化空间或罩中的颗粒的床。典型地，颗粒直径小于4mm，但直径通常小于1mm。这种流化床已知在制药、清洁剂和其它工业中用于颗粒的干燥或造粒。为了流化颗粒，需要最小表面气体速度Um，测量作为经过气体分布板的区域的平均气体速度。在更高速度时，将转换为期望的起泡流化状态。

例如，含残余溶剂(诸如水)的粒状颗粒可使用加热气体(诸如加热空气)流化，以从颗粒去除溶剂。流化床也可用于将微粒结块或造粒成更大颗粒，例如通过从喷洒喷嘴将粘合液滴喷洒在流体床中的流化颗粒上。这种过程用于药物、农药、洗涤剂、咖啡制造和其它工业中，例如用于准备颗粒材料的工业中。

通过提供经过这种流化床的平面的流化颗粒的介电常数分布的图像，ECT已被用于监控流化床中的颗粒密度分布。典型地，这通过将经过测量平面的体积元素的测量的介电常数映射成两维图像的对应像素实现，其中：介电常数例如显示为不同颜色或由轮廓图表示。ECT传感器包括在装置的侧壁周围放置的一系列导电电极或导电电极阵列，其中流化颗粒将被成像。为了取得图像，通常，各个电极被顺序地供以电势，同时其它电极保持接地或通地。因此，电场被施加横过测量平面中将被测量的区域。为了取得改进的灵敏度和信噪比(SNR)，可以将一个以上的电极组合在一起并供以电势，同时其它保持接地或通地。由于电极之间具有材料的这种电场的相互作用，材料相(phase)的分布(对应于流化颗粒的高介电常数相，和对应于流化气体的低介电常数)能够在由电极阵列包含(即包围)的测量平面中确定。注意：高介电常数随着流化颗粒的液体含量改变。例如，当流化颗粒包含30％的水时，典型地，与流化颗粒相关的高介电常数值将比它们包括2％的水时高得多。通常，利用诸如信号发生器的、提供电压并具有极低的输出电阻的高频电压源施加用于测量电容的电场。

虽然ECT技术具有相对低的分辨率，它在评估水压行为中的快速变化很有用，诸如当流化床在起泡状态中时，各个气泡经过流化颗粒。ECT图像能够用于帮助流化床的正确设计和操作。对于干燥和成粒的工业使用，对于流化床，起泡状态是优选的。

ECT方法已在Chemical Engineering Science 57，2411-2437由Makkawi等人、Drying Technology 20，1273-1289由Tanfara等人和Powder Technology 141，137-154由Sidorenko等人发表的论文中进行了详细描述，并且因此在这里不再进行详细说明。

先前将ECT应用于流化床的研究通常使用相对干燥的粉末，而由于诸如水的液体的高相对介电常数，由于在流化床操作期间(例如由于蒸发)流体含量变化，导致流化颗粒的介电常数的变化，所以避免使用湿的或包含液体的颗粒。ECT成像装置的校准取决于对高和低介电常数相两者的介电常数值的了解，并且这些通常在流化床操作前被测量，其中高密集和非流化状态的颗粒具有高密度(颗粒)状态介电常数。如果在流化床操作期间，这种介电常数改变，则产生的图像将不被校准，并且透明密度差将是假象。

可以从流化床获得颗粒样本，以利用诸如炉干燥的离线技术测量其液体内容，并且然后通过考虑液体含量变化和其对流化颗粒的介电常数的影响，校正ECT信号。其缺点是：校正并不是即时可应用的，由于它取决于液体含量的离线测量，这会花费几分钟。

通过停止流化，还可以重新校准ECT信号，使得：包含液体的颗粒形成填充床，并且然后测量填充床的电容，以取得高水平介电常数的新值，用在X光断层摄影图像的计算。这种方式由Chaplin等人在Measurement Science and Technology，16，1281-1290中提出。这在实践中具有缺点：该方法导致流化床的操作不连续，这在工业中通常是不允许的。此外，一旦流化停止，床中的湿颗粒可能在一起结块。

此外，没有可靠在线测量流化颗粒中液体含量，不可能实现流化床的最佳控制。

因此，对于关于流化床干燥机和制粒机的两种监控和对于过程控制目的，期望的是：在流化床操作期间，随着流化颗粒中的液体含量变化，可以应对流化颗粒(即高介电常数相)的介电常数的变化。对于这个，还期望通过测量颗粒保持流化状态时的介电常数。此外，由于工业过程通常操作以产生特定液体含量的颗粒，期望地提供对流化床装置(诸如干燥机或造粒机)中的流化颗粒的液体含量的直接、瞬时可得的测量，无需停止流化过程。这能够方便地用于监控过程的结束点，诸如干燥或造粒，或能够方便地用作流化床过程控制的反馈参数。类似地，在测量平面中的ECT图像显示不期望的行为的事件中，ECT数据能够被用作过程控制参数，例如导致流化气体速度或分布的调节。直到现在，在其中与流化颗粒相关的液化含量并且因此高标准介电常数改变的情况中，这种液化床干燥机的反馈控制并不可行。

现在已发现：利用瞬时、在线测量技术，对于流化床装置中流化颗粒的ECT测量，可以直接监控高介电常数相的介电常数，无需停止颗粒的流化。还已发现：可以取得流化颗粒中液体含量的精确测量，无需停止颗粒的流化。

电容测量在由包含感应电极阵列的ECT传感器产生的图像的基础上形成。例如，对于8电极ECT传感器阵列，存在28种电极的唯一组合，导致对每个图像的28个电容测量的唯一读数。为了实现产生断层X光摄影图像的重新构造技术，需要使原始电容测量(C_M)标准化。这种标准化通常基于颗粒/固体的填充床中产生的电容读数，或填充传感器并具有流化气体的密集相(C_H)，或填充传感器(C_L)的稀释相，通常空气。这些高和低电容测量值典型地在流化过程前执行，并应用于所有28次测量。标准化电容在等式I中如下面定义：

C_N＝(C_M-C_L)/(C_H-C_L)

只要两个相的介电常数保持恒定，则28次测量的标准化有效。本发明涉及系统，其中：液体含量并且因此密集相的介电常数(即流化颗粒)改变，同时发生成像。由于电容几乎与介电常数成比例，并且由于液体能够经常具有比流化颗粒本身的材料更高的介电常数(例如，与干燥制药颗粒的近似2到4的相对介电常数相比，水具有约80的相对介电常数)，使用流化床装置，上述校准在整个干燥过程不会保持有效，其中：流经流化床的气体用于使液体从流化颗粒蒸发。虽然C_L的值将保持固定，因为它由流化气体(典型地空气)的介电常数确定，但是流化颗粒(即密集相)的介电常数将受到液体含量变化影响。

惊奇地，现在已发现：没有必要停止流化床的流化过程，以取得需要重新校准标准化电容的数据。即使在强烈起泡流化床中，接近气体分配板的上表面的邻近床的侧壁的区域被发现聚集几乎不起泡的密集流化颗粒相。通过定位电极以测量接近流化床底部的这些密集流化区域的电容，可以取得C_H的新值，以代入标准化电容C_N的等式。这些值可以在流化床仍在操作时取得，允许X光断层照相成像即时考虑流化颗粒的介电常数的任何变化，并且因此，流化床允许继续不受妨碍的操作。适合地，ECT传感器阵列本身的电极可用于进行校准目的的所需测量，典型地通过测量ECT传感器阵列的邻近电极之间的电容，使得：仅使用邻近侧壁的非起泡、密集流化颗粒材料。相对电极之间的电容测量值会导致不期望的假像，因为导致测量电容波动的气体气泡。例如，8-电极ECT传感器能够从邻近电极对提供8个电容测量值。在多数情况中，8个电容值可以取平均值，并且平均电容用于导出颗粒的介电常数。如果8个电容测量值的某些发现与平均电容明显不同，即大10％，可以猜想到：两个邻近电极之间的区域并未由颗粒完全占用。在这种情况中，这种电容从数据中被排除，并且其它的电容再次取平均值以取得新的平均电容。

发明内容

因此，在第一方面中，本发明提供一种通过流化床装置的ECT产生流化颗粒的颗粒密度图图像的方法，所述流化床装置包括确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁，和围绕一个或多个侧壁定位的电容X线断层摄影术传感器阵列，其中：对应于具有第一介电常数的流化颗粒的第一相和对应于具有第二介电常数的流化气体的第二相被成像，其特征在于：在计算图像中使用的第一介电常数在颗粒的流化期间通过使用一个或多个再校准电容被重新校准以允许其介电常数值的变化，所述一个或多个重新校准电容由一对或多对基准电极测量，所述一对或多对基准电极被定位以测量接近一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容。

本发明可应用的流化床可采用任何形状，例如可以使用圆形或矩形床形状。当指圆形或圆锥流化床时，在下面也使用术语“侧壁”，即使可能仅存在一个环绕流化床的连续壁。本发明可适用于批量和连续流化床干燥过程。它特别地适用于过程，其中：流化颗粒的液体含量随着过程进展而改变，特别是诸如制药或洗涤剂颗粒的干燥颗粒的流化床。本发明可适用的另一适合过程是流化床制粒，其中：液体粘合剂被喷洒在流化颗粒上。由于液体含量改变，流化颗粒的介电常数改变。

该气体分配板是流化床与流化床装置的气体入口之间的板，其允许流化气体进入，同时防止正流化的颗粒落下，它适合采用网眼或穿孔板的形式制作，其中：网眼或板中的孔具有比正流化的颗粒更小的横断面。

ECT传感器阵列包括电极阵列，其典型地装配在围绕流化床的流化空间周围的相同平面中，典型地朝向流化床的底部。本发明的方法还需要一对或多对基准电极，其被定位以测量接近流化床底部的一个或多个侧壁上的颗粒的电容。这些电极对实际上可以是ECT传感器阵列的电极，或者它们可以是分离的基准电极。所有电极需要彼此电绝缘和与任何外来传导材料电绝缘。如果流化床的侧壁采用诸如玻璃或丙烯酸树脂的基本非电传导材料，则电极可以被定位在侧壁的外部。然而，电极可以被放置在壁的内表面内或上面。如果侧壁为诸如金属的电导体材料，则电极应被放置在壁的内部并与壁电绝缘。

定位电极以测量接近一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容将取决于应用本发明的流化床的详细设计。已发现：在起泡的流化床中，甚至在剧烈起泡的流化床中，其中流化速度为最小流化速度的8倍或甚至10倍，或更多，接近流化床的侧壁，尤其是接近气体分配板，即接近流化床的底部处，存在无起泡行为的密集流化颗粒的区域。对于利用ECT成像的应用本发明的任何特定流化床过程和装置，″接近″的意思将取决于床的尺寸，但可被监控和评估。典型地，密集流化区域将是气体分配析上方高达20cm，或高达10cm，或高达5cm并在侧壁的5cm内，或2.5cm内，甚至在1cm内的区域。所有电极对之间的电容将被在线监控。根据收集的数据，如果它们之间的材料包括流化气体(例如空气)气泡，则可以选择哪对电极不应该使用。

为了进一步增加自基准电极的电容测量值的可靠性，优选地测量多对邻近基准电极之间的电容。如果电容测量值组的任何测量电容与其它测量值明显不同，例如超过10％的不同，或甚至超过5％的不同，则该测量值可从用于导出流化颗粒的液体含量的平均电容的计算中被排除。可以假设：这种异常测量值由于测量位置处存在流化空气的气泡引起。

因此，多个重新校准电容适合在基准电极对之间测量，并且由多个重新校准电容进行平均重新校准电容，用于重新校准第一介电常数。适合地，当重新校准电容在至少3对基准电极之间测量时，如果特定重新校准电容与其它重新校准电容的平均值实质不同，则该特定重新校准电容从平均重新校准电容的计算中被排除。

典型地，平均重新校准电容将为多个重新校准电容的算术平均值。

通过测量这些区域中密集流化颗粒的介电常数，使用专门定位以捕获这些区域的电容的电极对，用于采用ECT方法计算图像颗粒的第一高介电常数能够随着过程进展并随着捕获成像数据重新校准。例如，根据可用的计算能力和流化颗粒的高介电常数变化的速度，该介电常数可在每100或1000图像后重新校准，或者如果需要在每个成像序列之间。对应于流化气体相的第二介电常数无需被重新校准，并且应保持相对恒定。

在本发明方法中使用的表面气体速度适合是最小流化速度的1到10倍，优选地1到8倍，更优选地2到5倍。在许多情况中，适合的流化气体是空气。优选地，该方法适用于起泡流化床。

对于每对基准电极，为了使接近侧壁的颗粒的密集流化区域能在电容测量中使用，两个基准电极基本在流化空间的相同侧上。利用这个，它意味着：横过电极的通路(即接合其中心)不应基本横过流化空间。此外，这将取决于与本发明一起使用的流化床的详细设计。对于圆形、圆柱或圆锥床，在确定壁的圆圈的中心处对向的角应适合地小于60度，优选地小于45度，更优选地小于30度。对于矩形床，应用相同的基准，其中：角在矩形的中心点处对向。适合地，对于矩形床，基准电极在相同的侧壁上。适合地，基准电极的中心分开30cm或更少的距离，优选地20cm或更小。基准电极的中心被解释为其表面区域的中心，即实际具有与电极表面相同形状的两维形状的重心。

适合地，一对或多对基准电极被定位接近，优选地距离气体分配板的上表面小于20cm，更优选地小于10cm。然而，最适合的位置将取决于流化床的详细设计。

适合地，每对基准电极的每个电极距离气体分配板的上表面的一定距离，这对于每个基准电极基本相同。

基准电极可围绕流化空间基本均匀地间隔。它可以适合地测量几对电极之间的电容，并使用各个电容测量值以测量局部区域中的颗粒的液体含量，或使用电容测量值的平均值，以确定流化颗粒的平均液体含量。

特别地，基准电极可以是ECT传感器阵列的电极。当ECT阵列定位在其中接近流化床的侧壁存在密集流化颗粒的流化床的适合水平处时，这是适合的。这允许ECT电极同时用于X线断层摄影术图像和传感器阵列的重新校准的双重用途。

每对基准电极的基准电极适合邻近ECT传感器阵列中的基准电极，意味着：没有其它测量电极就位在基准电极对之间。可以使用任何适合的电极布置，例如电极可前排定位在侧壁上。另一适合配置可以是由环形、同心第二电极包围的中央圆形电极。

在本发明的一个版本中，该流化床装置包括定位在不同位置处的两个或多个ECT传感器阵列，即在距离气体分配板的上表面的不同距离处，从而可以形成在不同距离的流化颗粒的图像。该基准电极可以是与ECT传感器阵列的那些分开的电极，或者可以是最低ECT传感器阵列的电极。

由于液体的介电常数(特别地水的介电常数)是温度的一个函数，液体含量测量可能受到颗粒的温度影响。优选地，流化颗粒的温度被测量，并且流化颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系被考虑为流化颗粒的温度与基准温度之间差的效果。因此，液体的介电常数与温度之间的关系能够加入测量电容与液体含量之间的函数关系。多阶度多项式模型可用于补偿温度对每对电极的液体测量值的影响。

本发明的第二方面提供一种用于测量流化床装置中的流化颗粒的液体含量的方法，流化床装置包括确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁，其特征在于：利用定位以测量接近一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容的一对或多对基准电极，在流化期间测量校准电容，其中：流化颗粒的液体含量通过流化颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系由校准电容导出。

颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系由下述方式适合地导出：

a)当使用大于或等于颗粒的最小流化速度的气体流，以基准温度流化具有已知液体含量的颗粒时，测量一对或多对基准电极之间的电容，

b)重复多个已知液体含量的步骤(a)；和

c)建立颗粒的平均液体含量与一对或多对基准电容之间测量电容之间的函数关系，用于测量接近流化床的侧壁的颗粒的密集流化区域的电容。

对于本发明的第二方面，涉及基准电极的本发明第一方面详细描述的优选特性和实施例也适用于本发明第二方面。本发明的第二方面的基准电极优选地定位，用于测量接近流化床的侧壁的密集流化颗粒的区域的电容。这意味着：经过流化床的气泡不会导致从基准电极的电容测量值的不准确。为了进一步增加利用基准电容的电容测量值的可靠性，优选地测量多对邻近基准电极之间的电容。如果电容测量值组的任何测量电容与其它测量值明显不同，则该测量值可从用于导出流化颗粒的液体含量的平均电容的计算中被排除。可以假设：这种异常测量值由测量位置处存在流化气体的气泡引起。本发明的第二方面不需要存在ECT传感器阵列，但适合地，本发明的第二方面的基准电极可以是ECT传感器阵列的电极，其将被适合地定位以使其电极用作基准电极。

该液体适合为水，但其它液体或液体的混合物可与本方法一起使用。

本发明的第二方面的液体含量测量值能够受颗粒的温度影响，由于液体的介电常数，特别地水的介电常数，是温度的一个函数。优选地，流化颗粒的温度被测量，并且流化颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系考虑流化颗粒的温度与基准温度之间差的效果。因此，液体的介电常数与温度之间的关系能够包括测量电容与液体含量之间的函数关系。诸如Maxwell模型的适合电容模型可用于考虑温度对液体电容分布的影响。多阶度多项式模型用于补偿温度对每对电极的液体测量值的影响。

本发明第三方面提供一种根据本发明第二方面的方法，其中：流化颗粒的液体含量用作过程控制器的反馈值，该过程控制器用于控制液体在颗粒流化期间从流化颗粒去除，其中：该过程控制器控制流化颗粒的流化气体的温度与/或流速。本发明的这个方面允许诸如制药造粒干燥的流化床干燥过程的控制，实现加热流化气体的更有效利用，并减小可能由于干燥过程期间过热引起的损坏药品成份的危险。为了按照预定干燥曲线，与本发明的方法导出的液体含量信息结合，可以使用诸如Pl(比例积分)或PID(比例积分微分)的传统过程控制设备。

本发明的第三方面也可应用于流化床过程，其中：液体被增加到流化颗粒，诸如在流化床造粒中。因此，本发明提供一种根据本发明第二方面的方法，其中：流化颗粒的液体含量用作过程控制器的反馈值，该过程控制器用于控制液体在颗粒流化期间添加到流化颗粒，其中：该过程控制器控制液体的添加速度与/或流化气体的温度与/或流速。特别地，由本发明的方法测量的液体含量可用于指示造粒结束点，使在流化床中过度造粒和形成结块或凝聚的危险最小。此外，流化气体的表面速度和温度可被调节以适合具有测量液体含量的颗粒所需的流化行为。例如，具有高液体含量的颗粒可需要更大表面速度的流化气体。

本发明的第四方面提供一种用于形成流化颗粒的床的流化床装置，流化床装置包括确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁，一对或多对基准电极定位接近流化空间并适合测量接近一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容；和一种从一对或多对基准电极之间的一个或多个测量电容计算流化状态的流化颗粒的液体含量的装置。

该从一对或多对基准电极之间的一个或多个测量电容计算流化状态的流化颗粒的液体含量的装置将典型地是计算机运行的计算机程序。

典型地，本发明的第一方面的方法将产生作为正成像的平面中的流化颗粒密度的图的图像，即颗粒密度图像包括对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个的多个介电常数图像像素；每个图像像素显示或展示每个对应体积元素的相同介电常数。例如，其中介电常数在一个特定具体范围内的像素可显示具有与其中介电常数在第二不同具体范围内的像素不同的颜色。

因为颗粒可以在任何特定时间被处理为每个具有相同液体含量(基于重量/重量测量)，并且因为流化气体可认为在任何特定时间具有统一液体(蒸汽)含量(也基于重量/重量测量)，介电常数分布在任何时间有效地镜像颗粒分布，并且这是显示ECT图像的传统方式。换言之，图像传统地显示为横过成像平面的介电常数图，其中介电常数与任何特定时间的流化颗粒密度相关，而且包括流化气体和蒸汽形式的液体的介电常数分布。

在其中流化颗粒的液体含量随着时间改变(并且因此流化气体的液体含量也将随着时间改变)的过程中，高度期望产生显示实际流化固体颗粒分布的图像或图。理想地，可产生显示总液体分布的另一图像(即，显示每个成像体积元素的液体含量，其是由流化颗粒中的液体提供的液体含量和流化气体中蒸汽形式的液体提供的液体含量的总和，流化空气的每个体积元素映射到ECT图像的相应像素。)

因此，本发明的第一方面的方法也可用于产生固体分布图像，包括：多个固体分布图像像素，其对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个；每个固体分布图像像素显示每个对应体积元素的固体含量。

适合地，该方法还可包括液体分布图像，包括对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个的多个液体分布图像像素；每个湿度分布图像像素显示每个对应的体积元素的总液体含量。.

导出这种图像的优选方法是在任何特定时间对于经过流化空间的气体：ma处理为具有平均液体含量的流化气体(表示为每单位重量的流化气体的蒸汽形式的液体重量)。适合地，在任何具体时间，对流化气体测量入口液体含量和出口液体含量，从而可以导出流化气体的平均液体含量。

当液体是水，并且在任何具体时间为流化气体测量入口温度、入口相对湿度、出口湿度和出口相对湿度，流化气体的平均液体含量可以使用在气体的相对湿度与其温度之间建立的关系导出。类似的方法也可在液体不是水时使用。

当流化过程为干燥过程时，流化气体将具有比入口流化气体的液体含量更高的出口液体含量。为了简化计算，流化气体的平均液体含量可取流化气体的入口与出口的液体含量的平均值。

类似地，为了简化，在任何特定时间，流化颗粒可处理为在整个流化空间内具有流化颗粒的平均含量(虽然在颗粒中，可存在围绕这个平均值的较小波动)。

关于流化气体温度，这还可从入口流化气体温度和出口流化气体温度的测量值导出，或可通过流化床内的温度探针直接测量。这些测量值也可用于导出流化颗粒的平均温度，其可被假设具有与流化床内的流化气体相同的平均温度。

为导出流化颗粒的平均液体含量的适合方法如同在上面详细描述的本发明的第二方面。在这里，适合时，第二方面的优选特性也适用。利用流化颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系，在任何具体时间的平均流流化颗粒的液体含量由该时间的重新校准电容导出。这可以如上对于本发明第二方面的详细描述导出。如上说明，还可能需要测量流化颗粒的温度以导出其液体含量，尤其当液体的介电常数是温度的函数。换言之，使用在任何特定温度时流化颗粒的测量电容与液体含量之间已知、先前确定的关系，流化颗粒的平均液体含量可从基准电极之间测量的电容导出。

在任何特定体积元素中的测量介电常数ε是ε_s、体积元素中固体浓度(φ)和流化气体ε_a的介电常数的函数，其中ε_s是流化固体的介电常数(由本发明的第二方面的基准电极之间测量的电容导出)。

诸如Maxwell等式的简单模型能够用于指示ε_s，ε_a和φ之间的关系：

$\mathrm{\ϵ}=f(\mathrm{\φ},{\mathrm{\ϵ}}_s,{\mathrm{\ϵ}}_a)={\mathrm{\ϵ}}_s\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_s+{\mathrm{\ϵ}}_a-2\mathrm{\φ}({\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_a)}{2{\mathrm{\ϵ}}_s+{\mathrm{\ϵ}}_a+\mathrm{\φ}({\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_a)}$

因此，如果空气的介电常数ε_a已知，固体浓度φ可导出。

然而，ε_a的值将取决于流化气体中作为蒸汽存在的液体量。

现在，再次使用Maxwell等式：

${\mathrm{\ϵ}}_a=f(m_a,{\mathrm{\ϵ}}_o,{\mathrm{\ϵ}}_a)={\mathrm{\ϵ}}_w\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_w+{\mathrm{\ϵ}}_o-2m_a({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_o)}{2{\mathrm{\ϵ}}_w+{\mathrm{\ϵ}}_o+m_a({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_o)}$

其中：m_a是气体的液体含量，ε₀是干燥气体的介电常数，并且ε_w是液体的介电常数。如上提及，m_a的值可以从测量的入口流化气体和出口气体的液体(蒸汽)含量估计。例如，可以假设为入口和出口液体含量的算术平均。

m_a的已知允许导出每个体积元素的ε_a，并且因此φ。这可以被映射到ECT图像的相应像素以给出固体分布图像。

类似地，可以导出每个体积元素的液体含量。基准电极之间的测量电容产生流化固体的介电常数ε_s，并从流化固体的液体含量与固体介电常数之间的已知关系，可以导出流化固体的液体含量m_s。

${\mathrm{\ϵ}}_s=f(f_w,{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{so}},{\mathrm{\ϵ}}_w)={\mathrm{\ϵ}}_w\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_w+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{so}}-2f_w({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{so}})}{2{\mathrm{\ϵ}}_w+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{so}}+f_w({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{so}})}$

其中：ε_s0是干燥固体的介电常数，并且f_w是固体中存在的液体的比例。m_s的值将是φxf_w。

高频电阻分析器可用于测量电极对之间的电容。例如，适合的分析仪是Hewlett Packard HP4128。关于结合本发明使用的频率，在任何适合的频率处进行测量。典型地，可以使用50kHz与13MHz之间的频率。

本发明的其它方面包括如下，其中本发明的先前方面的优选特性应用于这些方面：

使用来自流化床装置的ECT传感器阵列的电容测量值以提供流化床装置中的流化气体经历流化的颗粒的液体含量的测量。

使用来自流化床装置的ECT传感器阵列的电容测量值以提供流化床装置中经历流化的颗粒的成像平面中的固体颗粒分布的图像。

使用来自流化床装置的ECT传感器阵列的电容测量值以提供流化床装置中的流化气体经历流化的颗粒的成像平面中的液体分布的图像。

附图说明

本发明将参照附图通过实例更详细地进行描述，其中：

图1显示了装配有ECT传感器阵列的流化床干燥装置的示意图。

图2显示了经过ECT传感器阵列的平面的横断面。

图3显示了通过离线取样测量和通过本发明的第二方面的方法测量时，对于湿粗粒的流化床，固体湿度含量(重量百分比)与干燥时间(分钟)之间关系的曲线图。

具体实施方式

流化床干燥机1包括：气体分配器板2；和包围流化空间4的侧壁3。气体出口5在干燥机1的顶部。ECT传感器阵列9被安装在侧壁3上。这种圆锥侧壁由玻璃制成，以便允许利用安装在壁的外部上的ECT电极7进行电容测量。

控制单元6控制发送到ECT传感器阵列的电极7的信号，并测量电极之间的电容，将对应于这些的信号发送到计算机12。接地接点8安装在12个电极7的每个之间。电极7和接地接点8被保持在形成ECT传感器阵列的支撑件9中，并安装以与玻璃侧壁3的外部相接触。注意：在图2中未显示出到接点和电极的电连接。该支撑件9还设有接地屏蔽以消除外部干扰。

采样器10被装配到侧壁3，以允许从流化空间4取得流化颗粒的样本。在侧壁3中安装的热电偶11允许流化空间中的温度测量，并且该值被发送给计算机12。

流化气体(在这种情况中，空气)通过鼓风机13的方式被吹送经过气体分配板2。空气经过加热器14和流量控制阀15。该气体分配板是具有20μm间隙的金属丝网。

使用的ECT系统基于如Yang and York(1999)IEE Proc-Sci.Meas.Technology 146 pages 47-53中描述的具有每秒120帧的数据捕获率的AC电容测量电路。然而，本发明并不局限于使用特殊的ECT系统。例如，Songming Huang(1988)IEEE Trans，on Instrumentationand Measurement 37(3)pages 368-373设计的充电/放电ECT系统或任何其它ECT系统也适用。

壁3的圆柱部分直径为16cm，高度为40cm。该圆锥区的底部直径为10cm并且顶部为16cm，具有10cm的圆锥高度。流化用的空气是周围空气，其中通过使用加热器14获得15-85℃范围内的温度。该表面空气速度在0.2-2.4m/s的范围内。表面空气速度被确定为横过入口到气体分配板2处的圆锥区的平均速度。对于作为模型流化颗粒的试验，在下面详细描述的实例使用粗粒，其中平均颗粒直径为380μm并且容积密度是760kg/m³。

通过将水喷洒在粗粒上，同时在低剪切食品搅拌机混合10分钟，准备湿粗粒颗粒。这些粗粒颗粒被过滤以去除尺寸大于1.5mm的大块，并且约2kg的湿颗粒材料用在流化实验中。颗粒典型为Geldart B颗粒。

诸如图2中的7A-7B，在具有恒定的湿度含量时，相邻电极对之间的电容测量值显示：在从最小流化速度(U_mf)提高到约最小流化速度8倍的范围中，该测量的电容实质独立于流化气体速度。这并不是诸如图2中的7B-7D的相对的电极对之间测量的电容的情况，其中大概由于经过相对的电极之间的低介电常数相的气泡的原因，电容随着增加流化速度而下降。

因此，已发现：通过测量相邻的电极之间，或在其中电极之间的测量通路不横穿流化床的中央的电极之间的电容，可以测量邻近流化床装置的侧壁的密集流化相的电容，并且发现：这种测量独立于宽范围操作条件的流化速度。

然后，这允许ECT成像测量的重新校准，典型地在相邻电极之间进行。当由于湿度改变，颗粒的介电常数改变时，通过测量相邻或接近相邻的电极之间的变化电容，随着实验进展，可以使用这种测量以重新校正ECT系统，无需停止流化，以便重新校准高介电常数相的介电常数(即，湿颗粒)。当流化继续时，ECT传感器阵列的相邻或接近相邻的电极之间的电容测量值导出的介电常数可以用于调节用在标准化介电常数计算的C_H值(参见上面的等式I)。

还可以发现：通过测量干燥实验期间的颗粒的湿度含量，可以取得颗粒湿度含量与在ECT传感器阵列的相邻或接近相邻电极之间测量的电容之间的函数关系。这是因为湿颗粒的介电常数高度取决于其湿度含量。为了测量实验期间的颗粒的湿度含量，使用采样器10取2.5g的样本，并且使用Mettler Toledo HB43湿度表用于测量湿度含量。从由这些测量值导出的函数关系，则可以运行类似干燥实验，并且从相邻或邻近相邻的电极之间测量的电容预测在实验任何阶段的湿度含量，无需取样或停止流化，以测量湿度含量。

表3显示了这种实验的结果。在图3中，作为以分钟为单位的干燥时间的函数，y轴显示了粗粒颗粒(Xp％)的重量百分比湿度含量。使用的装置和颗粒如上详细描述。图3中的误差条显示的数据点对应于利用湿度表测量的关于提取样本进行的离线湿度测量值。使用本发明的第二方面的方法，填充圆显示的数据点对应于从ECT阵列中的相邻电极对之间的在线电容测量和测量的电容之间的关系的知识取得的湿度值和粗粒颗粒的湿度含量。离线与在线值之间的校正是优异的。

Claims (30)

1.一种在流化床装置中通过电容X线断层摄影术产生流化颗粒的颗粒密度图图像的方法，所述流化床装置包括确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁，和围绕所述一个或多个侧壁定位的电容X线断层摄影术传感器阵列，其中：对应于具有第一介电常数的流化颗粒的第一相和对应于具有第二介电常数的流化气体的第二相被成像，其特征在于：在计算图像中使用的第一介电常数在颗粒的流化期间通过使用一个或多个再校准电容被重新校准，以允许其介电常数值的变化，所述一个或多个重新校准电容由一对或多对基准电极测量，所述一对或多对基准电极被定位以测量接近所述一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：对于每对基准电极，两个基准电极大致在所述流化空间的相同侧上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中：所述一对或多对基准电极被定位为接近气体分配板的上表面，优选地离开气体分配板的上表面小于20cm。

4.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：每对基准电极的每个基准电极在距离气体分配板的上表面的一定距离处，该距离对于每个基准电极基本相同。

5.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：所述基准电极围绕流化空间基本均匀地间隔开。

6.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：每对基准电极的基准电极为相邻电极。

7.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：多个重新校准电容在基准电极对之间被测量，并且由所述多个重新校准电容进行平均重新校准电容的计算，所述平均重新校准电容用于重新校准第一介电常数。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：重新校准电容在至少3对基准电极之间被测量，并且如果特定重新校准电容与其它重新校准电容的平均值实质不同，则所述特定重新校准电容从所述平均重新校准电容的计算中被排除。

9.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：所述基准电极是电容X线断层摄影术传感器阵列的电极。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述流化床装置包括定位在距离气体分配板的上表面不同距离的位置处的两个或更多个电容X线断层摄影术传感器阵列，由此形成距离气体分配板的上表面的不同距离处的流化颗粒的图像。

11.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：所述颗粒密度图图像是包括多个介电常数图像像素的图像，所述多个介电常数图像像素对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个，每个介电常数图像像素显示了每个对应体积元素的总介电常数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个，产生包括多个固体分布图像像素的固体分布图像，每个固体分布图像像素显示每个对应体积元素的固体含量。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中：对应于流化床装置中的多个成像体积元素的每个，产生包括多个液体分布图像像素的液体分布图像，每个湿度分布图像像素显示每个对应体积元素的总液体含量。

14.根据权利要求11到13的任意一项所述的方法，其中：在任何具体时刻，流化气体被处理为在整个流化空间中具有平均液体含量。

15.根据权利要求11到14的任意一项所述的方法，其中：在任何具体时刻，测量流化气体的入口液体含量和出口液体含量，从而可以导出流化气体的平均液体含量。

16.根据权利要求11到15的任意一项所述的方法，其中：在任何具体时刻，流化颗粒被处理为在整体流化空间中的流化颗粒具有平均液体含量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：利用流化颗粒的液体含量与测量的电容之间的函数关系，在任何具体时刻，流化颗粒的平均液体含量由重新校准电容导出。

18.一种用于测量流化床装置中的流化颗粒的液体含量的方法，流化床装置包括确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁，其特征在于：通过一对或多对基准电极在流化期间测量校准电容，所述一对或多对基准电极被定位以测量接近所述一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容，其中：流化颗粒的液体含量通过流化颗粒的液体含量与所测量的电容之间的函数关系由所述校准电容导出。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：所述颗粒的液体含量与所测量的电容之间的函数关系由下述方式导出：

a)当使用大于或等于所述颗粒的最小流化速度的气体流在基准温度下流化具有已知液体含量的颗粒时，测量一对或多对基准电极之间的电容，

b)对于多个已知液体含量重复步骤(a)；和

c)建立所述颗粒的平均液体含量与所述一对或多对基准电极之间的测量的电容之间的函数关系。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中：对于每对基准电极，两个基准电极大致在流化空间的相同侧上，从而测量的电容用于在所述一个或多个侧壁附近的密集流化颗粒。

21.根据权利要求18到20的任意一项所述的方法，其中：每对基准电极的每个基准电极在距离气体分配板的上表面的一定距离处，该距离对于每个基准电极基本相同。

22.根据权利要求18到21的任意一项所述的方法，其中：基准电极围绕流化空间基本均匀地间隔开。

23.根据权利要求18到22的任意一项所述的方法，其中：基准电极是电容X线断层摄影术传感器阵列的电极。

24.根据权利要求18到23的任意一项所述的方法，其中：流化颗粒的温度被测量，并且流化颗粒的液体含量与测量电容之间的函数关系考虑流化颗粒的温度与基准温度之间的温度差的影响。

25.根据权利要求18到24的任意一项所述的方法，其中：流化颗粒的液体含量用作过程控制器的反馈值，用于控制液体在颗粒流化期间从流化颗粒的去除，其中：所述过程控制器控制流化颗粒的流化气体的温度与/或流速。

26.根据权利要求18到25的任意一项所述的方法，其中：流化颗粒的液体含量用作过程控制器的反馈值，用于控制在颗粒流化期间将液体添加到流化颗粒，其中：所述过程控制器控制液体的添加速度与/或流化颗粒的流化气体的温度与/或流速。

27.一种用于形成流化颗粒的床的流化床装置，所述流化床装置包括：确定流化空间的气体分配板和一个或多个侧壁；一对或多对基准电极，所述一对或多对基准电极接近流化空间定位并适合测量接近所述一个或多个侧壁的密集流化颗粒的电容；和从在所述一对或多对基准电极之间测量的密集流化颗粒的电容计算流化状态的流化颗粒的液体含量的装置。

28.使用来自流化床装置的电容X线断层摄影术传感器阵列的电容测量值，以提供在流化床装置中通过流化气体经历流化的颗粒的液体含量的测量。

29.使用来自流化床装置的电容X线断层摄影术传感器阵列的电容测量值，以提供在流化床装置中经历流化的颗粒的成像平面中的固体颗粒分布的图像。

30.使用来自流化床装置的电容X线断层摄影术传感器阵列的电容测量值，以提供在流化床装置中通过流化气体经历流化的颗粒的成像平面中的液体分布的图像。

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