CN103335925A - 一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置和方法，属于射线工业装置的检测和应用领域，其特征在于：通过使用伽马射线源1与探测器2的测量组对旋风分离器升气管下测量截面B和锥段末端截面D测量，可以使用该发明的方法式可计算截面的固相通量，从而进行旋风分离器操作负荷的监测；通过该方法式

计算了分离器的分离效率，从而进行旋风分离器的分离效率监测；当分离器突发堵塞时，可以根据本发明的装置的下测量截面获知；所有的监测结果可以用于及时做出合理的操作调整，从而减少因为分离器故障造成的紧急停工，并可在一定程度上预测分离器的检修时间。

Description

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置和方法

技术领域

本发明属于射线工业装置的检测和应用领域，涉及一种旋风分离器等离心分离装置的长周期操作状态实时在线监测技术。

背景技术

旋风分离器是石油、化工、冶金等领域必不可少的气、固两相分离器装置。旋风分离器是利用旋转气流形成的离心场进行气固分离的，即固体颗粒在离心力的作用下向器壁运动而被捕集。在分离过程中旋风分离器内部形成了内稀外浓的颗粒浓度分布，这种非均匀的颗粒浓度分布可以反应出旋风分离器的分离性能。

石油加工的催化裂化装置一般连续操作2-3年。装置的开停工过程中需要大量的燃料油的注入和引出，费用非常的高昂。旋风分离器的操作状态直接影响着整套装置的长周期运行。

张忠海，2013年发表于《炼油技术与工程》第43卷第1期第23-27页题名为：《3Mt/a催化裂化装置长周期运行对策》中，认为催化裂化非正常停工的主要影响因素有：(1)沉降器结焦；(2)主风机组故障；(3)油浆系统故障；这些影响因素均与旋风分离器分离的效率有关。非正常停工中，沉降器的结焦和烟机的故障造成装置非正常停工比较普遍。催化裂化装置中，油气与催化剂在提升管内接触发生裂化反应，然后进入旋风分离器中将气固两相快速分离从而结束反应，并将产品油气导出和催化剂再生。旋风分离器分离效率低将造成催化剂与油气接触时间过长发生结焦，另一方面，未分离的催化剂跟着油气运动，然后部分粘附在管线或者沉降器中，进一步增加结焦。可以说，旋风分离器的分离性能与沉降器内的结焦关系密切。此外，在催化裂化的催化剂再生器中，旋风分离器扮演着分离催化剂与烟气分离的角色。未被再生器中顶部旋风分离器分离的催化剂进入烟机的故障。此外，还涉及到旋风分离器的堵塞和催化剂的大量跑损。

周志航，2012年发表于《中外能源》中，第17卷第8期73-77页题为《催化裂化装置长周期运行的问题及对策》中认为分离器操作波动旋风分离器分离效率变差，分馏塔油浆固含量、三旋烟气粉尘浓度可能超标，会影响到烟机的平稳运行从而影响装置的长周期运行。

综上所述，旋风分离器的长周期操作是尤为重要的，效率低下是不能长周期运行的一个重要因素。

现在还未有工业装置中相关的测量技术。为了减小旋风分离器效率低下对烟机的影响，基本的做法都是在催化裂化三旋的出口和烟机的入口使用激光粒度仪进行监控和人工定时取样分析检测。这种处理方式用于检测大尺寸颗粒的跑损，且在操作弹性变化时未能完全反应出分离器操作性能的影响。因此，有必要发明一种能够从根本上监测旋风分离器分离性能的检测技术，使旋风分离器可以在操作负荷波动的情况下稳定长周期工作。

近年来，国外伽马射线多相流领域的研究逐渐增多。主要涉及催化裂化提升管的研究，而少有旋风分离器的相关测量。从已有的有关伽马射线两相流测量的专利看，这些专利主要是使用已有的层析成像算法测量管流。例如，中国专利201110026739.6，题为《伽马射线截面成像装置、多相流流量测量装置及测量方法》，该方法采用两组射束对浓度场进行测量，和传统的CT图像重建算法重构浓度场。但由于离心浓度场梯度很大，且装置存在精密的移动部件，这些专利尚不能适用于工业环境中的测量，也不能达到快速实时监测的要求。

中国专利200810240476.7，题为《旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置》，采用了6极板的电容层析成像的方法测量旋流装置的颗粒浓集情况。但电容层析成像方法不能用于金属外壳的旋风分离器测量。

中国专利201210144237.8，题为《伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置和图像重构方法》，采用两束伽马射线测量旋风分离器的浓度场。旋风分离某一截面的浓度场可以反映出气固两相的流动状况，但单一测量截面未能充分反映出旋风分离器的分离性能，即何时分离效率低，怎样做才能监测分离器的稳定操作。该专利仅为浓度场的测量装置和测量方法，未能进一步开发反映出旋风分离器的整体稳定操作的方法。

发明内容

本发明在专利201210144237.8结构的基础上，进一步开发了伽马射线技术长周期监测旋风分离器分离操作状态的装置，并研发了基于这种装置的一种的状态长周期监测方法。

以下结合附图，详细叙述本发明的技术方案。

本发明一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置包括伽马射线源(1)、探测器(2)。其特征在于装置由至少2个双束射线源或者4个单束射线源以及4个探测器构成；伽马射线源1和探测器2采用直接固定在离心分离装置或者采用支架固定于离心分离装置3外的两侧，均无移动。

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，其特征在于：靠上的射线源1、探测器2构成的测量截面与分离器升气管的距离D小于1厘米；

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，其特征在于：靠下的射线源1、探测器2组构成的测量截面与分离器锥段的下部距离B小于1cm。

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，其特征在于：在上、下两个探测器组之间可以增加若干探测器组以提高测量的准确性。

一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，其特征在于：上探测器组与下探测器组的射线布置方式和遵从专利201210144237.8的结构形式。

同时提供基于上述一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置的监测方法，和原理为：

专利201210144237.8的装置和图像重建方法可以测量获得旋风分离器的截面的时均径向浓度分布，浓度分布符合下式所述：

$\mathrm{\ρ}(x,y)=C_R\exp [-k{(R-\sqrt{x^2+y^2})}^2]$

若旋风分离器分离段任意截面的固相颗粒轴向速度V_z为常数，则旋风分离器任意测量截面的固相通量Q_z为：

$Q_z=V_z\underset{S}{\∫\∫}\mathrm{\ρ}(x,y)\mathrm{dS}$

将直角坐标转为极坐标，此时上式可化解为：

$Q_z=V_z{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^R\mathrm{\ρ}(r\cos \mathrm{\θ},r\sin \mathrm{\θ})\mathrm{rdrd\θ}$

化简为：

$Q_z=V_z{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^R{C}_R\exp [-k{(R-r)}^2]\mathrm{rdrd\θ}=2\mathrm{\π}{V}_z{\∫}_0^R{C}_R\exp [-k{(R-r)}^2]\mathrm{rdr}$

令x＝R-r，则有r＝R-x，dr＝-dx可得：

$Q_z=-2\mathrm{\π}{V}_z{\∫}_R^0{C}_R\exp [-k{x}^2](R-x)\mathrm{dx};$

积分可得：

$Q_z=-2\mathrm{\π}{V}_z{C}_R[\frac{e^{-k{R}^2}-1}{2k}-\frac{R\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{erf}\left(R\sqrt{k}\right)}{2\sqrt{k}}];$

其中

为每个元素

的误差函数(Error function)，可用下式计算：

$\mathrm{erf}\left(R\sqrt{k}\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^{R\sqrt{k}}{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$

固相颗粒的轴向平均速度是可以通过实验标定方法获得。因此固相颗粒通量Q_z可得。

旋风分离器工作原理图见图2，沿旋风分离器升气管4向下的虚线表示分离区域界限，即虚线向外的区域表示固相颗粒被分离，而虚线以内的区域的固相颗粒将很可能随气相排出。进入旋风分离器的固相颗粒受离心分离作用，大部分颗粒运动到分离器壁面附近，并形成固相颗粒浓集带G向下运动，运动到旋风分离器底部的固相颗粒I将被分离器成功分离并向下排出。而随气相带出的逃逸的固相颗粒E可能造成装置的损坏，主要由两部分构成，一部分为分离器升气管4附近的短路流F，另一部分为分离器锥段末端的漩涡尾端卷扬返混固相颗粒H。

因此，在旋风分离器靠近升气管布置一测量截面，测量截面与升气管的距离B小于1cm，此时测量截面与升气管很近，因此可以认为此截面测量获得的固相通量Q_za为进入旋风分离器的全部固相；此外在旋风分离器锥段末端小于1cm的位置布置另一测量截面C，可以认为下测量截面的固相通量Q_zb为被补集的固相颗粒。此时旋风分离器的分离效率可以用下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{Q_{\mathrm{zb}}}{Q_{\mathrm{za}}}x100\%$

上述为本专利一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测分离器分离效率的计算方法。

本发明一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，见附图1包括伽马射线源(1)，和探测器(2)。射线源(1)与探测器(2)构成至少两个符合专利201210144237.8的探测器组。最上的探测器组距离分离器升气管B小于1cm，最下探测器组距离锥段底端距离D小于1cm。其他探测器组位于两个测量组之间。

与传统的多相流测量装置相比，本发明一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置和监测方法，具有专利201210144237.8的全部优点，同时不局限于浓度场进一步提高了以下的性能：

(1)通过本发明的监测方法可以实时监测分离器的分离效率，当分离器分离效率波动过大时，需及时调整进料的稳定性。

(2)旋风分离器的截面固相通量Q_z反应了操作负荷。固相通量越大，分离器的操作负荷越大。装置在合理的操作负荷下，有助于其长周期的运行。

(3)通过长周期分离效率曲线，固相通量曲线等操作性能的比较，本测量方法可以预测分离器的检修时间。

此外，工业现场旋风分离器顶部结焦脱落或者旋风分离器内龟甲网脱落堵塞测量截面C是分离器操作故障的主要原因。采用本专利进行监测发生此类拥堵时，将从突然从C截面测得一个较大的浓度，此时需及时关闭或切换监测旋风分离器的进料，从而避免分离器内固相颗粒直接从升气管跑损或完全堵死整套装置造成紧急停工的较大经济损失。

截面位置B、D需尽量小于1cm目的在于提高分离器效率测量的准确性。采用两个射线源、探测器监测是监测的最低要求。由于装置操作负荷在长周期运行时会有一定的波动，可以在两个射束组之间的位置再水平布置若干射线源与探测器组，同时监测三个测量组之间固相质量，使测量具有更高的精度。

附图说明

图1一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置的示意图。

图2旋风分离器固相颗粒流动的原理图。

图中，1-射线源，2-探测器，3-旋风分离器分离空间，4-升气管，A-上测量截面，B-上射线源、探测器组与升气管的距离，C-下测量截面，D-下探测器组与锥段底端的距离，E-逃逸的固相颗粒，F-短路流固相颗粒，G-固相颗粒浓集带，H-漩涡尾端卷扬返混固相颗粒，I-被成功分离器的固相颗粒。

Claims (4)

1.本发明一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置，包括伽马射线源(1)，和探测器(2)。射线源(1)与探测器(2)构成至少两个符合专利201210144237.8的探测器组。且最上的探测器组距离分离器升气管B小于1cm，最下探测器组距离锥段底端距离D小于1cm。其他探测器组位于两个测量组之间。

2.本发明的检测方法，其特征在于该方法与一种旋风分离器操作状态的长周期伽马射线在线检测装置共同使用，并通过式

计算获得测量截面固相通量，从而进行可以反映旋风分离器操作负荷大小的长周期监测，并根据监测结果对分离器的操作做出适当调整。

3.根据权利要求1和要求2，本发明可以通过截面固相通量计算式得到分离效率的

的计算，从而对旋风分离器进行分离效率的长周期监测，并根据监测结果对分离器的操作做出适当调整。

4.根据权利要求1，当测量装置的下测量截面测量获得非常大的浓度时表明分离器锥段被堵塞，此时需及时关闭和切换旋风分离器。

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