CN102109455A - 一种测量液固两相体系局部浓度的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量液固体系局部浓度的新方法，可以应用于搅拌槽、结晶反应器等常用化工反应器中固体颗粒在液相中的分散和结晶过程中晶体颗粒的局部浓度测量。通过接收反射在固体颗粒上的红外光线，并且将此红外光经过光电转换，变成电压信号，然后通过电压与浓度的关联关系得到待测体系中局部浓度。该方法能适用于不同操作条件下的液固体系的固体颗粒浓度测量。该方法包括四部分，它是将待测体系、浓度测量仪、红外线探针和计算机依次连接，在固定浓度测量仪的探针后，可以得到待测体系的局部固相浓度。该方法实用简便，在可以实现在线测量的基础上，同时具有不受外界因素干扰、测量浓度范围宽的优点，并且对待测体系的流场的物理性质影响较小。

Description

一种测量液固两相体系局部浓度的新方法

技术领域

本发明属于一种新型测量液固两相体系局部浓度的方法，可以应用于石油化工、生化制药、环保和湿法冶金等领域中的液固体系中固体浓度测量，特别适用于搅拌槽、结晶反应器等化工反应器中液固分散体系、结晶体系，以及液固多相分散混合、相间接触及多相化学反应过程。

背景技术

液固体系是过程工业中的一类重要体系，已广泛运用于结晶、聚合等化工操作中。目前，搅拌槽等化工反应器内分散相局部浓度的测量方法包括取样法、电导法、光学方法、CT和超声波技术等。取样法(S.Roy，et al.AIChE Journal，2005，51：802-835)由于不易做到“等动力”取样，而且取样管的型式和取样条件都会对测量结果产生影响，所以使测量精度和准确性受到很大的限制。电导法通过测量不导电的固体颗粒对体系电导性质的影响来确定固体颗粒的相含率(H.A.Nasr-El-Din，et al.International Journal of Multiphase Flow，1987，13：365-378)，其测量结果明显优于取样法，但实验中所用的水相的纯度和实验温度等条件的改变都会对体系的电导性质产生显著影响，此外该方法是接触式测量，电导探针的型式也会影响测量结果。目前有关工业CT和超声波技术测量固体颗粒浓度的报道仅限于流化床反应器中(R.Angst，et al.Chemical Engineering Science，2006，61：2864-2870)，而且这类设备比较昂贵，离大规模的应用还有很远的距离。对结晶过程体系固体颗粒变化在线原位表征测量方法目前主要是光学法，如浊度法(浊度计)、在线颗粒浓度仪(如Lasentec公司的PVM-FBRM系统)等。浊度法由于对干扰非常敏感，并且只能用于很稀的悬浮体系(G Crawley，et al.Powder Technology，1997，91：197-208)，而实际的工业结晶反应体系都是高浓度体系，因此，浊度一般应用于超细颗粒体系或者沉淀反应开始阶段测量，较长时间的在线测量需要采用其它的方法和仪器。另外，在线颗粒浓度仪价格昂贵，限制其应用范围。

在以往对液固体系颗粒浓度的测量设备和测量方法的研究中，大多数专利和研究集中在采用超声波技术的仪器和测量方法的发明，比如“液固两相体超声浓度仪”(中国专利，申请号ZL93216203.7)，“固液两相流浓度超声测试方法”(中国专利，申请号200310106214.9)，或是采用光脉动相关频谱法的设备和测量方法的发明，比如“透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置”(中国专利，申请号200710042874)，没有关于采用基于红外发射与接收的粉体浓度测量仪测量液固体系颗粒浓度的专利和文献报道。

发明内容

本发明提供一种液固体系中颗粒浓度的新型测量方法，在不影响体系的情况下，能同步、准确、简便、经济地测出体系中的固体颗粒浓度，同时具有不易受外界电场、温度场干扰、测量浓度范围宽的优点。

本发明的技术方案是：采用光学方法对搅拌槽内固体颗粒的局部相含率分布进行测量，选用中国科学院过程工程研究所研制的粉体浓度测量仪，该仪器采用光导纤维传感器作测量探头，测量系统包括发散和接收两部分。先由发散光源发射一定强度的红外光，当红外光遇到固体颗粒后进行反射，由接收系统得到反射光的信号，然后处理系统根据反射光的强弱与被测体系浓度的关系得到测量体系的浓度。测量过程采用配套软件由计算机完成，并经数据处理，即时得到测量结果。

本发明的有益效果是，可以测量出搅拌槽、结晶器等化工容器中待测液固两相体系浓度，并且测量浓度范围宽，可以同步得到测量结果。由于使用了直径仅为3mm的红外探针，测量设备对体系的影响基本可忽略不计。通过与计算机的连接，能够得到待测体系的瞬时浓度，结构简单。因为粉体浓度测量仪能够测量颗粒浓度高的体系，测量响应时间短，能够应用于较高颗粒浓度的反应结晶体系中。同时相对于其他测量方法中采用的CT、超声波等设备，红外探针更经济。

附图说明

附图1是本发明实施例1和2的测量装置示意图。

其中：1.搅拌槽，2.搅拌桨，3.电机，4.探针，5.粉体浓度测量仪，6.计算机。

附图2是实施例1和2中无挡板搅拌槽示意图。

附图3是实施例1和2的测量点位置分布图。

附图4是C＝8cm时不同搅拌转速下的颗粒浓度径向分布(h＝35cm)。

附图5是C＝8cm时不同搅拌转速下的颗粒浓度径向分布(h＝6cm)。

附图6是C＝16cm时不同搅拌转速下的颗粒浓度径向分布(h＝35cm)。

附图7是在实施例1和实施例2不同操作条件下的测量结果比较图。

附图8是实施例3和4的实验装置示意图。

其中：1.搅拌槽，2.搅拌桨，3.电机，4.探针，5.粉体浓度测量仪，6.计算机，7.恒温水浴。

附图9是21℃和50℃下粉体浓度测量仪输出电压与时间关系(NaOH快速加入)结果图。

附图10是50℃下粉体浓度测量仪输出电压与时间关系(NaOH在72s内恒速加入)结果图。

附图1和8为本发明实施例的测量装置结构示意图。由图可知，本发明提供的方法可以应用的体系，包括搅拌槽(实际可以是任何一种液固体系)；一个红外探针，用于发射并接收经固体颗粒反射后的红外光；一台粉体浓度测量仪，用来将光学信号与电压信号进行转换；一台计算机，用来在线连续记录测量结果。测量装置的安装顺序依是：首先固定好搅拌槽，按照离底高度要求固定好搅拌桨，然后按照设计好的实验测量点(见附图3)固定好红外探针，并将计算机与粉体浓度测量仪正确连接。在结晶体系局部浓度的测量中，搅拌槽、粉体浓度测量仪、探针和计算机的连接顺序与附图1一致。不一样的是，搅拌槽采用的是平底搅拌槽，搅拌槽置于恒温水浴中，搅拌桨为六叶斜叶桨，转速在实验中恒定，转速大小由结晶反应条件和要求确定。光纤探头测量点的选择不要太靠近搅拌槽壁和搅拌轴这些颗粒浓度变化较大的区域，而选择比较能代表平均颗粒浓度的测量点。

使用前要对粉体浓度测量仪进行校正，得到已知分散相浓度与电压间的关系。校正实验在容积为1L的搅拌槽中进行，通过保持高搅拌转速使得颗粒在搅拌槽中分布均匀。为防止可见光对光线探头的影响，在搅拌槽外面包裹上黑幕，然后按照0.004-0.2的体积浓度进行校正实验。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中的搅拌槽示意图分别由附图2给出。搅拌槽直径T＝300mm，高H1＝450mm，液位高H＝420mm，底部的椭球形长短轴分别为300mm和240mm。搅拌桨为70°下推折叶透平桨，桨叶片数为3，直径D＝T/2，搅拌轴直径d1＝30mm。实验体系为球形二氧化硅颗粒和水，二氧化硅颗粒粒度d分布为63-80μm，密度为1970kg/m3。固体颗粒的总体相含率选用0.005(体积浓度)。在实验开始前，在搅拌槽外部包一层防透光的黑色幕布，防止槽外光线干扰。实验步骤如下：先确定搅拌桨离底高度为C＝8cm，安装固定搅拌桨；然后按照设定好的各相质量依次向搅拌槽中加入二氧化硅颗粒和水至液位42cm处，开动电机对液固两相进行搅拌。本实施例采用的搅拌转速分别为N＝113rpm、142rpm和173rpm，采用转速均大于或等于该临界转速。在指定转速条件下搅拌10分钟后，固相悬浮与液固两相流动达到稳定，此时将测量探头放入槽内，置于预先选定的测量点，稍后开始运行采样软件，进行测量，每次测量的采样时间为32s，采样频率为2000Hz，计算机可同步显示瞬时所测的颗粒浓度曲线，将所得测量值进行平均，即为该点的时均相含率值，每一位置点重复测量3次，每次测量所得到的实验结果保存于计算机中，然后改变探头位置进行下一位置点的测量。在测量完一个搅拌转速下的所有位置的浓度后，可以改变搅拌转速，进行下一组的测量。

测量结果显示，当搅拌槽中液固体系达到搅拌稳定后，测量所得到的电压值非常稳定，显示出测量点的浓度值，重复测量被测点的浓度，发现误差可以控制在5％以内。附图4和附图5分别是在轴向离底h＝35cm和h＝6cm的测量结果。对不同测量点以及不同搅拌转速条件下的测量，发现测量结果与文献报道中采用其他方法的结果一致。

实施例2：

本实施例中搅拌桨离底高度为C＝16cm，搅拌桨和搅拌槽其余参数同实施例1。实验条件和测量步骤同实施例1。

测量结果显示，与实施例1相同，当液固体系达到搅拌稳定，固定好测量探针的位置后，在计算机中显示得到的电压值比较平稳，也说明测量探针对液固体系的流场影响较小。随着离底高度的变化，测量系统能够准确反映出这一变化。附图6是在实施例2的操作条件下的测量结果图，附图7是在实施例1和实施例2不同操作条件下的测量结果比较图。

实施例3：

结晶反应实施例实验所用搅拌槽为1L玻璃烧杯，直径T＝113mm，搅拌桨直径D＝50mm，桨中心平面离烧杯底部2.8cm，为减小外部光源对红外探头测量结果的影响，烧杯外部进行了防透光处理。转速N＝550rpm。250ml浓度为1.5mol/L的NiSO4溶液置于烧杯中，烧杯置于恒温水浴中，将138ml(质量浓度25％)氨水加入烧杯中，搅拌充分混合。启动预热粉体浓度测量仪，将红外探头固定好，测量点选取在桨上方1cm，距离烧杯壁面1.5cm，快速加入300ml浓度为2.5mol/L NaOH溶液，反应开始，同时电脑开始采样，连续采样多组，采样频率50Hz，每组数据量32768个，反应时间45min。

附图9为21℃和50℃恒温下粉体浓度测量仪输出电压值随反应时间变化关系，图中给出的是频率为5Hz的数据结果。结果显示了氢氧化镍快速结晶反应过程体系颗粒浓度的实时变化过程，同时也反映了该反应的微观过程-快速成核、生长、团聚、消融与重结晶。

实施例4：

本实施例中结晶反应恒温50℃，NaOH溶液利用输液泵在72s内恒速加入，其余实验条件和实验步骤同实施例3。连续采样多组，采样频率100Hz，每组数据量32768个，反应时间22min。

附图10为50℃恒温下粉体浓度测量仪输出电压值随反应时间变化关系，图中给出的是频率为5Hz的数据结果。由反应初始阶段局部放大图可知，输出电压值随NaOH溶液的恒速加入上升，加料完成的同时输出电压达到局部极大值，说明了该结晶反应成核过程为瞬间反应过程，并且本发明的测量方法能响应快反应中颗粒浓度变化。

Claims (4)

1.一种测量液固两相体系局部浓度的新方法，具体实施步骤为：将测量探针固定在待测体系中的某一局部位置上，通过调节粉体浓度测量仪的采样频率和设定采样时间，对液固体系的局部浓度进行在线测量，用计算机处理和得到测量结果，实现固体颗粒局部浓度的在线实时测量与表征。

2.按权利要求1所述的测量方法其特征在于：粉体浓度测量仪能够适用于0-60％体积相对浓度测量范围。

3.按权利要求1所述的测量方法，其特征在于：对浓度变化响应时间短，采用配套软件即时处理数据，可以同步得到测量结果。

4.按权利要求1所述的测量方法，其特征在于：采用直径为3mm的红外探针发射和接收红外光线，设备对测量结果的影响在1％以下，基本可以忽略。

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