CN105891153B - 基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法。将四光纤探针放置在脉冲萃取柱中，调节脉冲萃取柱进入稳定运行状态，利用光纤两相流系统采集分散相液滴信号、输出原始电压数据，对原始电压数据处理，整理输出的数据得到脉冲筛板萃取水力学性能。本发明可以同时测量脉冲萃取柱内液滴的三维速度，分散相液滴直径和脉冲萃取柱内局部存留分数信息。帮助研究工作者方便快捷的掌握脉冲萃取柱内的实际运行状况，为脉冲筛板萃取的放大设计提供参考。

Description

基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种水力学性能测量方法，具体地说是一种脉冲筛板萃取柱的水力学性能测量方法。

背景技术

溶剂萃取是一种有效的分离方法，萃取过程具有分离效率高、选择性强、适应性强等优点，在石油化工、湿法冶金、核燃料后处理、医药、食品和生物技术等工业领域有着广泛的应用。脉冲萃取柱是重要的溶剂萃取设备，其具有占地面积小、结构简单、容易远距离操作、无转动部件且具有较高的萃取效率、较强的处理能力和对表面污染物不敏感等优点，目前已广泛应用于乏燃料后处理领域。对脉冲筛板萃取柱水力学性能和传质性能的研究一直是脉冲筛板萃取柱研究的重点。萃取柱传质效率的高低、处理能力的大小主要取决于两相的流体力学特性。脉冲萃取柱重要的水力学性能主要包括：分散相液滴速度，分散相液滴大小及分布，存留分数，流场的分布特性和流场的分布特征。

目前用于测量分散相液滴速度的方法有高速摄影法、双光纤探针法和三光纤探针法等；用于测量分散相液滴尺寸的方法有照相法、激光散射法和光纤探针法等；用于测量存留分数的方法有体积置换法、压差法、取样法和光纤探针法等。高速摄影法成本高，数据处理时间长。双光纤只能测量分散相液滴的竖直方向上的速度。三光纤探针技术只能测量液滴的二维速度；照相法适于低存留分数条件下，且处理照片的工作量非常繁重，同时还需要考虑到液滴的光学形变。激光散射法的缺点是待测量体系必须具有一定的透光性。双光纤探针法和三光纤探针法测量得到的是近似的液滴直径；体积置换法是测量平均存留分数的传统方法，但是每次测量都需要关闭脉冲萃取柱，这会破坏萃取柱内的稳态平衡。压差法、超声法和取样法只能用于测量分散相存留分数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以同时测量脉冲萃取柱内液滴的三维速度、分散相液滴直径和脉冲萃取柱内局部存留分数信息，能方便快捷地掌握脉冲萃取柱内的实际运行状况的基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

将四光纤探针放置在脉冲萃取柱中，调节脉冲萃取柱进入稳定运行状态，利用光纤两相流系统采集分散相液滴信号、输出原始电压数据，对原始电压数据处理，整理输出的数据得到脉冲筛板萃取水力学性能，所述对原始电压数据处理具体包括：

①导入原始电压数据并设定阈值进行阈值处理，判断电压值是否超过阈值，超过阈值则为四光纤探针尖端处于分散相液滴中，低于阈值则为四光纤探针尖端处于连续相中，统计四光纤探针尖端处于分散相液滴中的时间；

②每组原始电压数据输入结束后，由四光纤尖端处于分散相中的时间与总测量时间的比值得到局部存留分数；

③将阈值处理后的数据再次输入，去除无关的电压信号组，在响应时间内，判断四组电压数据有没有出现响应的电压峰，若没有出现响应的电压峰，则为四光纤探针没有完全刺破液滴、电压信号组为无效信号组将其剔除；该响应时间范围为：T_min＝Δl_min/V_max,T_max＝Δl_max/V_min(T是响应时间，Δl是短探针尖端和长探针尖端在竖直方向上的距离差，V是估计的液滴速度值)；

④若在一定的响应时间内出现了四个相应的电压峰，则为四光纤探针均刺破液滴，再通过脉宽比较法去除部分刺偏的电压信号，若电压信号满足脉宽比较法的关系式，则为四个光纤探针较好的刺破了该液滴，该信号组为有效信号组；若不满足脉宽比较法关系式，则为存在部分光纤探针仅刺破了液滴的边缘；

⑤从有效信号组中提取并保存相关时间间隔，待整组数据输入结束之后，将得到的时间间隔输入到测量算法公式中；

⑥应用测量算法公式，计算液滴的三维速度和液滴直径；

⑦输出有效液滴的三维速度、液滴直径和局部存留分数信息。

所述测量算法公式为：

V为液滴的速度，r为液滴的半径，d₃₂为液滴平均索特直径，α、β和γ分别为液滴速度方向与x轴、y轴和z轴正方向的夹角，

A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆由克拉默法则相应生成：

各个行列式中的Δt_ka是4号探针第一次接触液滴和k号探针第一次接触液滴的时间差；Δt_kb是4号探针第一次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差；Δt_kc是4号探针第二次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差，k＝1、2、3。长光纤的端面到三根短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。

所述四光纤探针的空间结构是三角锥，在一个大导管内置7个小导管，其中一个小导管位于大导管的中心，6个小导管围绕在中心小导管的周围，中心小导管中插入长光纤，在6个小导管中间隔插入短光纤，三根短光纤的长度一致，长光纤和三根短光纤均剥除一定长度的光纤包壳，且四根光纤端面切割成平整端面，长光纤的端面到三根短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。

本发明应用两相流液体对光的折射率不同，光纤探针尖端可以接收到强度不同的反射光，利用光纤两相流系统将光纤接收到的光信号转化为电压信号；进一步分析得到的电压信号，提取出有效时间量，并通过本发明中的算法得到分散相液滴的速度、尺寸和局部存留分数信息。可以同时测量脉冲萃取柱内液滴的三维速度，分散相液滴直径和脉冲萃取柱内局部存留分数信息。帮助研究工作者方便快捷的掌握脉冲萃取柱内的实际运行状况，为脉冲筛板萃取的放大设计提供参考。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为对原始电压数据进行处理的流程图。

图3a为四光纤探针的空间结构图。

图3b为图3a的俯视图。

图3c为光纤探针的尖端放大图。

图4为原始波形图。

图5为阈值处理后的电压信号。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

结合图1，本发明的具体流程步骤为：

(1)制作合适的四光纤探针，一方面，由于液液两相中液滴尺寸较小，制作的四光纤探针必须在保证精度的情况下做到最小化。第二方面，每一个探针必须对环境的变化具有很高的灵敏度。光纤探针测量方法属于局部测量，将四光纤探针放置在脉冲萃取柱中合适的位置。

结合图3a至图3c，四光纤探针的空间结构是三角锥。在大导管内置七个小导管，在1、2、3、4号小导管中插入光纤。中间的4号光纤为长光纤，周围的三个为长度基本一致的短光纤。四根光纤均剥除了一定长度的光纤包壳，并采用光纤切割刀(Fujikura CT-30)切取平整的端面。长光纤的端面到三个短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。

(2)开启脉冲筛板萃取柱，并调节萃取柱进入稳定运行状态。在不同的操作条件下，脉冲筛板萃取柱分为5个操作区，分别是脉冲强度不足的液泛区、混合澄清区、乳化区、液泛过渡区和脉冲强度过大的液泛区。乳化区是脉冲萃取柱的最佳操作区，调节操作条件使脉冲筛板萃取柱进入乳化区，并让萃取柱稳定运行，即可采集分散相液滴信息。

(3)利用光纤两相流系统采集分散相液滴信号，输出原始电压数据。光纤耦合器将光源产生的光等分为4束光，这四束光分别作为四个光纤探针的光源，光在光纤端面发生菲涅尔反射，同时反射光被光纤耦合器分为两组，一组进入光电装换器中，将光信号转化为电压信号，电压信号再经过多级放大器后进入采集系统，输出原始电压数据。

(4)利用信号处理程序处理得到的原始电压数据。结合图2，信号处理程序具体包括：

①首先导入原始电压数据，并设定相应的阈值，判断电压值是否超过阈值，超过阈值则说明探针尖端处于分散相液滴中，低于阈值，则说明探针尖端处于连续小中，统计探针尖端处于分散相液滴中的时间。

②每组原始电压数据输入结束后，光纤尖端处于分散相中的时间与总测量时间之间的比值即局部存留分数。

③将阈值处理后的数据再次输入，去除无关的电压信号组。在一定的响应时间内，判断四组电压数据有没有出现响应的电压峰。若没有出现相应的响应峰，则说明四个光纤探针没有完全刺破该液滴，该信号组为无效信号组，需要剔除。

④若在一定的响应时间内出现了四个相应的电压峰。则说明四个光纤探针均刺破了该液滴。再通过脉宽比较法去除部分刺偏的电压信号。若电压信号满足脉宽比较法的关系式，则说明四个光纤较好的刺破了该液滴，该信号组为有效信号组，若不满足脉宽比较法关系式，则说明存在部分光纤探针仅刺破了液滴的边缘。

⑤从有效信号组中提取并保存相关时间间隔。待整组数据输入结束之后，将得到的时间间隔输入到测量算法公式中。

⑥应用测量算法公式，计算液滴的三维速度和液滴直径。

⑦输出有效液滴的三维速度、液滴直径和局部存留分数等信息。

光纤探针十分灵敏，一旦光纤探针的尖端所处环境改变，则相应的电压值会有明显的变化。由此来判断探针尖端是处于哪一相液体里面。当一系列液滴穿过光纤探针的时候，在电压图中将会出现一系列的波形图。理想的电压信号波形图为标准的矩形波形图，但由于液滴的表面张力，系统内部误差和外部环境等原因，得到的电压信号不是标准的矩形波形图，而是图4所示。

图4中的Af为脉冲强度，u_c为连续相表观流速，u_d为分散相表观流速。为了方便后续信号处理，通过设定阈值的方法，可以将原始波形图转化为标准的矩形波形图。即对每一个光纤探头得到电压信号设定一个阈值，电压信号超过阈值，则将该电压值设定为1；电压信号低于阈值，则设定为0。将图4的电压信号通过阈值处理，即可得到图5中的标准矩形波状图：统计相关时间量即可得到局部存留分数。

阈值处理后的电压信号需要进一步进行筛选，去除无关的电压信号组。得到的信号组可分为3类，第一类信号是不完全信号，指四光纤探针的四个探针没有刺入同一个液滴中，即在一段响应时间内，没有出现四个电压峰；第二类信号指完全信号中的刺偏信号，即四个探针中有一个或几个光纤探针值刺到了液滴的边缘，在电压波形图中的表现是在一段响应时间内，虽然有四个电压峰，但是某个或某几个的电压峰宽度很窄；第三类信号组是有效信号，即有四个电压峰，同时四个电压峰的宽度相差不大。其中，第一类信号可以通过在一定的响应时间内，判断有没有电压峰出现来进行筛选，若没有及时出现响应峰，则剔除掉该信号组，再通过脉宽比较法去除掉第二类无效信号。通过以上信号处理，即可筛选出有效的信号组，并提取出相应的时间差。

液滴速度和尺寸算法：将提取出来的时间差和四光纤探针的参数代入以下公式中，即可得到分散相液滴速度和尺寸信息。V为液滴的速度，r为液滴的半径，d₃₂为液滴平均索特直径。α、β和γ分别为液滴速度方向与x轴、y轴和z轴正方向的夹角。坐标系由四光纤的空间位置决定。

其中A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆由Cramer's Rule(克拉默法则)相应生成：

各个行列式中的Δt_ka是4号探针第一次接触液滴和k号探针第一次接触液滴的时间差；Δt_kb是4号探针第一次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差；Δt_kc是4号探针第二次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差(k＝1、2、3)。长光纤的端面到三根短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。

(5)整理输出的数据，即可得到脉冲筛板萃取水力学性能。

Claims (3)

1.一种基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法，其特征是：将四光纤探针放置在脉冲萃取柱中，调节脉冲萃取柱进入稳定运行状态，利用光纤两相流系统采集分散相液滴信号、输出原始电压数据，对原始电压数据处理，整理输出的数据得到脉冲筛板萃取水力学性能，所述对原始电压数据处理具体包括：

①导入原始电压数据并设定阈值进行阈值处理，判断电压值是否超过阈值，超过阈值则为四光纤探针尖端处于分散相液滴中，低于阈值则为四光纤探针尖端处于连续相中，统计四光纤探针尖端处于分散相液滴中的时间；

②每组原始电压数据输入结束后，由四光纤尖端处于分散相中的时间与总测量时间的比值得到局部存留分数；

③将阈值处理后的数据再次输入，去除无关的电压信号组，在响应时间内，判断四组电压数据有没有出现响应的电压峰，若没有出现响应的电压峰，则为四光纤探针没有完全刺破液滴、电压信号组为无效信号组将其剔除；

④若在一定的响应时间内出现了四个相应的电压峰，则为四光纤探针均刺破液滴，再通过脉宽比较法去除部分刺偏的电压信号，若电压信号满足脉宽比较法的关系式，则为四个光纤探针较好的刺破了该液滴，该信号组为有效信号组；若不满足脉宽比较法关系式，则为存在部分光纤探针仅刺破了液滴的边缘；

⑤从有效信号组中提取并保存相关时间间隔，待整组数据输入结束之后，将得到的时间间隔输入到测量算法公式中；

⑥应用测量算法公式，计算液滴的三维速度和液滴直径；

⑦输出有效液滴的三维速度、液滴直径和局部存留分数信息。

2.根据权利要求1所述的基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法，其特征是所述测量算法公式为：

V为液滴的速度，r为液滴的半径，d₃₂为液滴平均索特直径，α、β和γ分别为液滴速度方向与x轴、y轴和z轴正方向的夹角，

A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆由克拉默法则相应生成：

各个行列式中的Δt_ka是4号探针第一次接触液滴和k号探针第一次接触液滴的时间差；Δt_kb是4号探针第一次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差；Δt_kc是4号探针第二次接触液滴和k号探针第二次接触液滴的时间差，k＝1、2、3，长光纤的端面到三根短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤四探针的脉冲筛板萃取柱水力学性能测量方法，其特征是所述四光纤探针的空间结构是三角锥，在一个大导管内置7个小导管，其中一个小导管位于大导管的中心，6个小导管围绕在中心小导管的周围，中心小导管中插入长光纤，在6个小导管中间隔插入短光纤，三根短光纤的长度一致，长光纤和三根短光纤均剥除一段光纤包壳，且四根光纤端面切割成平整端面，长光纤的端面到三根短光纤端面的向量分别表示为:s_4-k＝(x_k,y_k,z_k),k＝1,2,3。