CN1040093A - 测量流动气体-固体混合物料的固体物料流量的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量在工艺反应区域内流动的气体—固体混合物料的固体物料流量的测量装置和方法。根据本发明，在利用调查离析结果的情况下，象基于离析必需的那样，在输送管旁设置传感器和探测器，并由此测定具有重要意义的密度值、速度值以及计算物料流量的流体横截面。按照本发明，确定密度测量值和浓度测量值的时间间隔实质上比封闭的塞形流体的塞形固体经过传感器的流经时间更短。

Description

本发明涉及一种测量在工艺反应区域、容器和其它机组中，在输送和确定准确配量情况下细粒的粒状材料的固体物料流量。

借助于幅射和电容测量装置测量细粒的粒状材料的气体-固体流的固体物料流量

由多种信息来源公知，并属于现有技术。在〔1〕和〔7〕中e说明用于均匀介质的幅射密度和厚度测量以及电容测量的基本原理。在〔2〕中介绍了基于电容传感器用于两相流体，特别是气体-固体流的与浓度测量相连的相关速度测量系统。测量电极对的电极设于管子圆周，在直径上相对而置。在测定测量值时，所述的测量系统认为流动的固体通过输送横截面不存在不均匀分布。在电容传感器的情况下，这些沿测量部分不均匀分布和易变的测量灵敏度导致的密度测量值和速度测量值对于与总体输送管横截面有关的物料流量计算来说是意义不大的。此外，电容传感器缺点在于：浓度测量值明显地取决于电介质的湿度，即粒状材料的湿度。因此，使用电容测量装置对密度进行测量受到了很大的限制，在〔3，〕指出这些问题，但没有提出克服上述问题的解决方案。

相比之下，为了提高速度测量值测定的可靠性，在〔3〕标示气体-固体流的方法中;和为了把密度的变化作为可能的物料流量计算，在〔4〕以及〔5〕连续地向气体-固体流输入注入气体的方法中，虽然使用了幅射密度测量装置，但是对于离析流的具有重要意义的流体横截面的测量技术求值而言，却没有揭示任何解决措施。

根据〔6〕，借助于直接照射方法和散射方法的结合，开发了一种所述的在大流程横截面中用于就地测定空气-水混合物密度的四点测量技术。网状的流程横截面的多点照射，或者说，测量装置准连续旋转的必要性和测量数据耗时的求值不允许这些测量方法用于快速的过程控制和过程监视。

本发明的目的是，为了确保适应于在反应区域流通的工艺过程的对物料流量

的精确控制和可靠监视，提供一种在工艺反应区域或其它机组中，在输送以及配量方面，用于测量流动的气体-固体混合物料的固体物料流量的测量装置和方法。

本发明的任务在于，借助于在测量和调节技术中公知的电容和幅射测量装置解决在细粒粒状材料的气体-固体流的固体物料流测量中由离析过程而产生的测量问题。

所提出任务的解决方案预想不到效果在于，揭示了气体-固体流的离析过程以及在输送管道中的离析的流动颗粒层的性能，和解决了传感器灵敏度对离析的气体-固体流几何学特征的适应性问题。

细粒的流动气体-固体混合物料中，当混合物料的密度 _f＞0.6 _fD时存在一准均匀的流体输送。其中，输送管道的横截面由流动的颗粒层注满。在那里，颗粒层由于区间气体的膨胀效应被弄松并具有良好的流动性。松散以类似一个旋涡层为界。当平均密度下降（ρf＜0.6ρfD）时，区间气体的流过速度就下降。气体-固体流产生离析。它形成一离析的、流动的带有高密度ρ_fo和动态粘度的颗粒层。由于高动态粘度使颗粒层在管壁边滑动，并产生一扁平的速度剖面图。离析出的颗粒层的湍流度随着物料流量的提高而上升，因为随着必需的输送压力上升，由于气体膨胀效应，区间气体速度提高。离析颗粒层的密度ρ_fo下降，而密度不能达到象其处于准均匀流体输送那样。有可能在离析颗粒层时松散作用小于在准均匀流体输送时的松散作用几个数量级，因为膨胀的区间气体以最短路径径向流入邻接的气流中。离析的颗粒层的密度范围最大从ρ_fD延伸至ρ^＊ _f并且通常在ρ_fD至ρ_fL的密封流传输范围。其中ρ_fD为被弄松的颗粒层最大可能密度。它是固体材料旋涡层的起始点。ρ_fL是传统松散点密度以及ρ^＊ _f是被弄松颗粒层自由流动点的密度。密度值低于ρ^＊ _f不会出现旋涡层，而由此也不会处于离析的流动颗粒层。密度ρ_fo＜ρ_f再次引出准均匀流体，即最终成为流动输送。它出现在当分开的气流速度超过如下值时：

$U_g\mathrm{=U}{}_s+\sqrt{\frac{{\mathrm{g\; ·d\; ·\rho }}_{\mathrm{f\; o}}}{{\rho }_g}}$

从中可以认识到气体-固体流必要的气体速度的压力相关性。随着压力水平提高，输送稳定性提高。

研究已经获悉，气体-固体流能依赖于粒状材料的穿流性径向和轴向离析。当径向离析时，处于水平输送的，出现弓形流动颗粒层;处于垂直输送的，出现形流动颗粒层，当轴向离析时，出现塞形流。对确定具有主要意义的离析的流动颗粒层的流体横截面A_s所必需的流体形式的出现作出预计，要以粒状材料进行广泛的旋涡层研究。由于对离析的认识和由于流动的条件取决于密度ρ_fo，速度μ_s以及流体横截面A_s，必须直接在离析颗粒层中对确定固体物料流量主要的量进行测量。在这点上，为解决在输送管道中速度不均匀分布以及密度不均匀分布问题，并消除沿着测量路径送感器的可变灵敏度的任务，找到了预想不到的、发明的途径。

借助于已测得的浓度K_f，K_fo或密度ρ_f，ρ_fo对离析的气体-固体流的形式作出如下的区分：

-K_f＜K_fo或ρ_f＜ρ_fo，则在水平输送时为一弓形流;在垂直输送时为一环形流。

-K_f≈K_fo，当ρ_f＜0.6ρ_fD时为塞形流;或当ρ_f＞0.6ρ_fD时为无离析的流体输送。

为了测定固体的料流量，应通过重要测定量ρ_fo、μ_s、A_s运用下列方程描述，其中A_s为一般所描述的离析颗粒层的流体横截面：

M_s＝U_s·ρ_fo·A_s

按照本发明将用于速度测量和浓度测量的电容电极对的电极或幅射源和对高析颗粒层进行幅射密度测量的探测器装于输送管道壁上，在那里管道的内壁与离析出的颗粒层相接触的。为了仅使离析颗粒层处于这些电极之间或者处于幅射源和探测器之间，将电极或幅射源和探测器设置成小于180°。辐射源轴线/探测器轴线处于输送管道横截面的一条割线上。除了辐射密度测量装置和电容速度测量装置外，还为了能测定具有重要意义的流体横截面，设置了一个用于确定中间密度的辐射密度测量装置。在那里，辐射源和探测器设置在管道外壁上是径向对置的。在径向离析（弓形流和环形流）时，辐射路径平行于离析方向;在轴向离析（塞形流）时，辐射路径垂直于离析方向。具有重要意义的弓形流流体横截面A_s（A_s＝A_s）由颗粒层的弓形高h_s得出，该弓形高借助于照射路径d，已测得的平均密度ρ_f和已测得的离析平均层密度ρ_f如下确定：

h_s＝d·ρ_f/ρ_fo

A_s= (π·(d/2)²·α)/360 -(d/2-h_s)·d/2·sinα/2

α/2＝arccos（1-2h_s/d）

立刻得到速度U_s和重要的密度ρ_fo作为基于测量装置的准确值。

具有重要意义的环形流的流体横截面A_s（A_s＝A_R）用类似方向获得，其中在这里要确定内直径d_i：

d-d_i＝dρ_f/ρ_fo;A_R＝π/4（d²-d² _i）

在塞形流情况下，具有重要意义的流体横截面为相应的输送管道横截面（A_s＝A）。塞形长度在输送流量中所占部分L_p/L对于计算物料流量是必需的。同样地，它可以从两个密度值之比得到L_p/L＝ρ_f/ρ_fo，但是在这里，其中必须要比一个堵塞流过时间要短的时间间隙里得到密度测量确定值。然后密度ρ_f为来自多个单独测定值的平均值。而ρ_fo为单个值或少量对离析颗粒层的单个测量值的平均值。但是如果使用短时时间间隔测量的平均密度ρ_f，那么也能放弃堵塞的长度比率。塞形流的物料流量如下得到：

M_s＝U_s·ρ_fo·A·L_p/L＝U_s·ρ_f·A

按照本发明，具有重要意义的流体横截面A_s和具有重要意义的离析的颗粒层的密度ρ_fo可借助于平均浓度K_f和离析的颗粒层的浓度K_fo的测量装置，基于测量值的比率 (A_s)/(A) = (K_f)/(K_fo) ; (A_R)/(A) = (K_f)/(K_fo) 和 (L_p)/(L) = (K_f)/(K_fo) 算出。可计算的量h_s、h_g、d_i、L_p/L从A_s、A_R、L_p/L得出，以致于再通过下面的计算确定具有重要意义的离析的颗粒层的密度值：

弓形流：ρ_fo= (ρ_f-(h_g/d)ρ_g)/(h_s/d)

环形流：ρ_fo= (ρ_f-(d_i/d)ρ₈)/(1-d_i/d)

塞形流ρ_fo＝ρ_f·L/L_p

借助于电容浓度测量装置完全能进行面校整和密度校整，但是由于介电系数强烈取决于化学组成和粒状材料的湿度从而不能得到可靠的密度。因此，必须用辐射密度测量装置测量平均密度ρ_f。离析的颗粒层密度ρ_fo的确定可以从气体-固体流的中间密度ρ_f在进行，只要辐射密度测量装置（辐射流，探测器）不是在输送管周上径向对置，而是在输送管周上小于180°角设置并且辐射源轴线/探测器轴线形成一条输送管道横截面的割线。

所有测量装置必须安排在小的输送管道间隔内，使得所有测量都在类似的测量体积中进行。

1.按照图1的实施例

根据图1描述的测量方法和测量装置的实施形式，是关于标称直径为DN40^mm的水平输送管（1），在该管中细粒的PVC应该为具有窄的颗粒大小级配。PVC具有易流通性，这意味着，在输送时，当ρ_f≤0.6ρ_fD的条件下，产生一轴向离析，并且由此存在塞形输送。在PVC松散情况下，最大可能密度ρ_fD为588K_gm^-3。

为了测量和计算固体物料流量M_s，在输送管道（1）中，依次装上一个用于测量气体-固体流平均密度ρ_f的具有辐射源（8）和探测器（9）的辐射测量装置、一个用于测量气体-固体流平均浓度K_f的电容电极对（4）、一个用于测量离析颗粒层（2）的浓度K_fo的电容电极对（5）和两个用于测量颗粒层速度U_s的电容电极对（6;7）。辐射源（8）和探测器（9）以及电极对（4）的电极位于管周上径向对置，其中它们的连线处于垂直状态。电极对（5;6;7）的电极设置成处于45°角。在50ms的时间间隙内取得浓度K_f，K_fo和密度ρ_f的测量值。

在该测量实施中，得到在短时间间隔中确定的浓度K_f≈K_fo。由短时间测量值确定的密度ρ_f为200K_gm^-3，其小于0.6ρ_fD＝353k_gm^-3。从而证明塞形流的存在。由已确定的浓度k_f和的短时测量值K_fo得到塞形长度比率L_p/L＝K_f/K_fo＝0.34。用电极对（6;7）测得塞形的速度U_s达到2.1mS^-1。或者直接用ρ_f＝200K₈m^-3或者用ρ_fo＝ρ_fL/L_p＝588K₈m^-3得到固体物料流量 _s：

_s＝U_s·ρ_fo·A·L_p/L·3600

＝U_s·ρ_f·A·360＝1905K_gh^-1

固体塞形流的平均长度为0.53m，速度测量的电极对（6;7）的测量长度设置为20^mm，并且整个测量装置在管道上设置距离为400^mm。

2.按照图2的实施例

根据图2描述的测量方法和测量装置的实施形式，是关于标称直径为65^mm的垂直输送管道（1）。用它在反应器中对非常细粒状的，具有大范周颗粒大小级配的干燥的石煤配定剂量。在松散情况下，粒状材料的最大可能密度约为680K₈m^-3。基于其特有的高的粒状材料抗流通性，在ρ_f＜0.6ρ_fD的情况下出现了径向离析并且使垂直输送管道中出现了环形流。

在垂直输送管道（1）中自流体下方依次装入一用于测量气体-固体流平均密度ρ_f的包括有辐射源（8）和探测器（9）的辐射测量装置，两个用于测量离析的颗粒层（2）的速度U_s的电容电极对（6;7）以及一个用于测量离析的颗粒层（2）的密度ρ_fo的、具有辐射源（10）和探测器（11）的辐射测量装置。辐射源（8）和探测器（9）位于管周上并径向对置。电极对（6、7）以及辐射源（10）与探测器（11）相应地相互设置成60°角，其中辐射源（10）和探测器（11）的轴线处于输送管道横截面的割线上。两个密度测量装置能在35ms短时间间隔内确定测量值。用于测量速度的电极对（6;7）的测量长度为20mm。

在现有的配量的情况下，确定的测量值为由短时测量值平均的密度ρ_f＝330K_gm^-3和一个短时测量值的密度为ρ_fo＝630K_gm^-3。从而证明，存在具有ρ_f＜ρ_fo和ρ_f/ρ_fD＝0.48＜0.6的环形流。始终需要对测量装置的这些控制以便确定流体的形式。由于用探测器（11）直接测量，故不再需要对离析的颗粒层的密度ρ_fo进行计算。具有重要意义的流体横截面A_s＝A_R，通过式1-（di/d）＝ρ_f/ρ_fo＝0.52算得为25.5cm²，这时输送管道的直径为65mm。从而通过U_s＝4.4ms^-1，ρ_fo＝630K_gm^-3，A_R＝25.5cm²算出物料流量

_s，如下所示：

_s＝U_s·ρ_fo·A_R·3600＝25500K_gh^-1

整个测量装置设置在450^mm的输送管道距离之内。

3.按照图3的实施例

根据图3描述的测量方法和测量装置的实施形式，是关于额定直径为50mm的水平输送管道（1），在该管道中将具有高细颗粒度和窄颗粒大小级配的矿物粒状材料输送到混合器中去。该被输送的粒状材料具有高的特有的抗流通性，因此，当输送时，当密度范围ρ_f≤0.6ρ_fD就会产生径向离析形成弓形流。在松散时，其最大可能的密度为ρ_fD＝855K_gm^-3。

为了测量和计算固体物料流量

_s，在输送管道（1）顺着流通方向依次装入，一个用于测量离析的颗粒层的平均密度ρ_fo的，具有辐射源（10）和探测器（11）的辐射测量装置，两个用于测量颗粒层速度的电容电极对（6;7），一个用于离析颗粒层浓度K_fo的电容电极对（5）和一个用于测量气体-固体混合物平均浓度K_f的电容电极对（4）。辐射源（10）与探测器（11）以及电极对的（5;6;7）的电极在管周上设置成60°角，以致于它们处于管周上对称于最深的管道纵向线。电极对（4）的电极装于管周上径向对置。平均场线展示在垂直方向。在35ms时间间隔内确定电极对（4;5）和辐射测量装置（10;11）的测量值。

借助于电容测量装置（4;5）得到用于确定流体形式的控制测量：K_f/K_fo＝0.51，并由于ρ_f≤0.6ρ_fo，故存在一离析的流体形式。测得ρ_fo为820K_gm³。A_s将借助于K_f/K_fo和A用以下关系式得到：

A_s＝AK_f/K_fo＝19.6·0.51＝10.0cm²。根据动用等式：

A_s= (π·(α/2)²·α)/360 -(d/2-h_s)c/2·sinα/2

α/2＝arccos（1-2h_s/d）

得到h_s＝25.3mm，α＝181.4，然后用下列关系式以及以气流（3）的密度ρ_g＝2.5K_gm^-3

ρ_fo= (ρ_f-(h_g/d)ρ_g)/(h_s/d)

得到气体-固体流的平均密度ρ_f＝417K_gm^-3。α为输送管道（1）中离析颗粒层（2）的弦形角。通过电极对（6;7）测得速度U_s＝6.3ms^-1，这样，固体物料流量为

_s＝U_s·ρ_fo·A_s3600＝18600K_gh^-1

速度U_s的测量长度为20mm。整个测量装置设置在500mm的输送管道距离上。

使用标记说明

1.输送管道

2.离析的流动颗粒层

3.间歇气流

4.用于测量平均密度或平均浓度的电容电极对

5.用于测量离析颗粒层密度或浓度的电容电极对

6.用于测量速度的第一电容电极对

7.用于测量速度的第二电容电极对

8.辐射源

9.辐射测量气体-固体流平均密度的探测器

10.辐射源

11.辐射测量离析的流动颗粒层密度的探测器

ρ_g间歇气体的密度

ρ_f，K_f气体-固体流的平均密度，平均浓度

ρ_fo，K_fo离析的流动颗粒层的密度、浓度

U_s离析的流动颗粒层的速度

A    空输送管道的横截面

A_s离析的流动颗粒层的一般横截面

A_s弓形固体流的横截面

A_R环形固体流的横截面

A_p塞形流的横截面（＝A）

h_g间歇气流的弓形高度

h_s离析颗粒层的弓形高度

d    输送管道内径或环形固体流的外直径

d_i环形固体流的内直径

l    在塞形流中每一塞形气体和塞形固体的总长度

l_p在塞形流中一个塞形固体的长度

Claims (6)

1、用于测量细粒粒状材料输送管道中离析气体-固体混合物料的固体物料流量

的测量装置，通过电容测量装置和辐射测量装置的结合，其设置于具有恒定特性的窄小轴向流体部分内，其特征在于：在与颗粒层(2)接触的管道(1)壁部分设置了两用于测量颗粒层速度U_s的电容电极对(6；7)和用于测量浓度K_fo或离析的流动颗粒层(2)的密度ρ_fo的电容电极对(5)；装于管道(1)外壁上径向对置的、用于测量气体-固体混合物料的平均浓度K_f或密度ρ_f的电容电极对电极(4)，并且两电极的连接线，在具有径向离析的垂直输送和水平输送情况下平行于离析方向，在轴向离析的情况下垂直于离析方向；辐射密度测量装置的辐射源(8)和探测器(9)在管道(1)的外壁上这样设置，以致于在径向离析的情况下准的射线束平行于离析方向，在轴向离析的情况下对准的射线束垂直于离析方向。

2、根据权利要求1的测量装置，其特征在于：以辐射测量装置替换电极对（4;5）。

3、根据权利要求1或权利要求2的测量装置，其特征在于：用于测量浓度的电极对（5）和用于测量速度的电极对（6;7）以小于180°角度设置于输送管道圆周上。

4、根据权利要求1的测量装置，其特征在于：辐射源（8）和探测器（9）以小于180°角度设置于输送管道圆周上，并且辐射源轴线/探测器轴线形成一条输送管道横截面的割线。

5、在考虑流动介质离析效应的条件下，用公知的对速度测量、密度测量和浓度测量的方法，测量细粒粒状材料输送管道中离析气体-固体混合物料的固体物料流量M_S的方法，其特征在于：

借助测量到的气体-固体混合物料浓度K_f和离析颗粒层的浓度K_fo、气体-固体混合物料的密度ρ_f和离析颗粒层的密度ρ_fo，根据下列关系，确定离析的气体-固体混合物料的形式，作为用于计算流体横截面A_S、A_R或塞形长度l_p的基础，

-ρ_f＜ρ_fo或K_f＜K_fo意味着：在水平输送时，为具有弓形高度h_s的颗粒层弓形流;在垂直输送时，为具有环形内直径为d_i以及环形外直径为d的颗粒层环形流，

-K_f≈K_fo意味着：当ρ_f≤0.6ρ_fD时，为塞形流;当ρ_f＞0.6ρ_fD时，为无离析流体输送，其中ρ_fD为有代表性的、在粒状材料旋起时出现的、气体-固体混合物料最大密度;

借助于比率： (h_s)/(d) = (ρ_f)/(ρ_fo) ;1- (d_i)/(d) = (ρ_f)/(ρ_fo) ; (l_p)/(l) = (ρ_f)/(ρ_fo) ; (A_s)/(A) = (K_f)/(K_fo) ; (A_R)/(A) = (K_f)/(K_fo) ; (l_p)/(l) = (K_f)/(K_fo)

以下列方式计算得到具有重要意义的值U_s，ρ_fo以及A_s，A_R或l_p，其中得到

-流体横截面

A_s= (π·(d/2)²·d)/360 -( (d)/2 -h_s) (d)/2 sin (α)/2

(α)/2 =arccos(1- (2h_s)/(d) )

A_R＝ (π)/4 （d²-d² _i）

A_p＝A

-在使用辐射测量的、平均密度ρ_f条件下的密度ρ_fo，对于：

弓形流：ρ_fo= (ρ_f-(h_g/d)ρ_g)/(h_s/d)

环形流：ρ_fo= (ρ_f-(d_i/d)ρ₈)/(1-d_i/d)

塞

塞形流：ρ_fo=ρ_f· (l)/(l_p) ≈ρ_fD

-流体速度U_s在所有流体形式下，无需校正作为直接测量值，

然后，从而根据已知的连续性等式计算出固体物料流量

：对于弓形流或环形流，

＝U_s·ρ_fo·A_s;对于塞形流，

＝U_s·ρ_fo·A·l_p/l＝U_s·ρ_f·A

6、根据权利要求5的方法，其特征在于：所有的或部分的密度测量值和浓度测量值是在短的时间间隔内测定的，其中，该时间间隔实质上小于一个塞形通过一传感器的流经时间。