CN107576817A - 一种声波检测临界湍动速度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声波检测临界湍动速度的方法，通过声信号接收设备接收床层内部的声信号，结合标准偏差、算法复杂性、信息熵等分析方法处理接收到的声信号，进而判断临界湍动速度uc。本发明所涉及的检测手段是非侵入式的，对流场无干扰而自身抗干扰性较高；所涉及的分析方法能实时在线地识别流型间的转变，从而为流化床工业生产提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种声波检测临界湍动速度的方法。
背景技术
在流化床中，随着气速和床层结构的变化，床层中会出现不同的流型，如鼓泡流态化、湍动流态化等。由于在气固两相流中涉及颗粒体系的运动过程十分复杂，使得反应器中不同操作条件下流动状态存在着较大的差异，这对反应装置的气固混合、传质传热、反应过程都有着重要影响，并直接关系着反应器的生产能力、收率和选择性。深刻理解流型间的转变过程和规律对于反应器设计和操作是非常重要的，而流型转变又是流化过程检测中的难点问题，因此选用能准确反映流化床中流型间转变及规律的检测技术是非常重要的。
随着检测技术的发展和进步，相关研究者对气固流化床内部参数的测量均做了大量的研究工作，其中应用比较多的主要有激光多普勒技术、光纤技术、射线技术、核磁共振技术、超声波技术、层析成像技术、压力脉动等。例如激光多普勒技术不仅能测量颗粒尺寸和流量信息，还能同时得到颗粒速度，但是仪器成本高昂。光纤技术能测得床内各个部位点的颗粒浓度等参数，但是属于侵入型测量，对流场有一定的干扰。射线技术包括x-射线、γ-射线等，虽然射线具有不干扰流场、可重复测量等优点，但是对操作人员存在放射性危害且对环境有辐射污染，其使用受到限制。核磁共振技术则广泛应用于瞬时流速和流速分布等参数测量，但是设备成本高昂以及其只能测量较小的流化系统。主动式的超声波技术虽然能测量流体的速度且具有不接触被测介质等优点，但是其灵敏度低，不能精确测量。层析成像技术虽然具有非侵入式、采样速率快、能测量床层内固体浓度分布等优点，但是其在低浓度情况下检测困难且只适宜在流化床尺寸相对较小的系统中。压力脉动不仅包含了反应器内的综合动态信息，而且检测相对简单、可靠，但是压力脉动测量手段是侵入式的，较容易破坏床内流体流动行为。
而被动式的声发射技术根据接收和分析过程中发出的振动信号，关联过程中的操作参数，能够实现对生产过程中某些重要参数的检测和监控，具有灵敏度高、安全环保、不侵入流场和实时在线的优点。Wang等（AIChE Journal 2010, 56 (5), 1173-1183.）采用声信号结合时域分析法，进行起始流化速度的判断。Nik等（International Journal ofMultiphase Flow 2009, 35 (11), 1011-1016.）采用声信号结合标准偏差、偏斜度、翘度来确定起始流化速度。关于临界湍动速度的检测技术研究较少，因此开发有效的检测手段，并且采用适合的分析方法对上述流型转变过程及规律进行反映，是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足提供一种声波检测临界湍动速度的方法。
声信号是由气体带动颗粒运动并使得颗粒与颗粒间、颗粒与壁面间相互作用而产生的，声信号能量可以反映流化床内颗粒运动和气泡行为的剧烈程度。在床层流型转变的过程中，声信号可以很好地捕捉颗粒运动和气泡行为剧烈的变化，进而能及时准确的在线测定临界湍动速度uc，所以能对生产参数进行调控。
一种声波检测临界湍动速度的方法，包括以下步骤：
（1）在流化床反应器的分布板以上壁面处设置一个或多个声信号接收设备；
（2）声信号接收设备接收床层内的声信号；
（3）结合标准偏差、算法复杂性、信息熵等分析方法处理声信号，进而判断临界湍动速度uc。
声信号接收设备在流化床反应器分布板以上沿床层轴向壁面处设置一个或多个进行组合测量，或在流化床反应器分布板以上床层径向壁面处设置一个或多个进行组合测量，或可以同时在流化床反应器分布板以上床层轴向和径向壁面处设置一个或多个进行组合测量；其最优选在声信号接收设备高度与静床高比值为2-10范围之间的位置上设置一个或多个进行组合测量。
声信号的接收频率范围为0Hz~20MHz，其优选接收频率范围为10 kHz ~1MHz，其最优接收频率范围为200kHz~800kHz。
声信号的分析方法为标准偏差、算法复杂性、信息熵、涨落复杂性等，其优选标准偏差、算法复杂性、信息熵。
本发明方法应用的流化床反应器的类型为气固流化床反应器、气固循环流化床反应器。
流化床反应器内部的声信号通过设置在流化床反应器分布板以上的壁面处的声发射传感器进入信号放大器进行信号放大，然后进入采集卡进行信号的A/D转换，最后进入计算机进行处理和分析。
本发明与现有技术相比具有的如下优点：
a. 基于声信号的检测手段只需要将探头贴于流化床表面即可接收声信号，无需探头伸入，不会干扰内部流场，能实时在线获得准确的数据；
b. 基于声信号的检测手段抗环境干扰能力强，在多变以及恶劣条件下都可以检测；
c. 相对于其他专利，此分析方法更能准确的在线测定临界湍动速度uc。
附图说明
图1是采用声波检测临界湍动速度的装置示意图。
图2是H=66cm和H=90cm高度下声信号标准偏差随流化床气速变化图；其中Ug为流化床气速，Umf为起始流化速度，σ为标准偏差，H为距流化床分布板高度。
图3是H=176cm和H=214cm高度下声信号标准偏差随流化床气速变化图。
图4是不同高度下声信号算法复杂性随流化床气速变化图。
图5是不同高度下声信号信息熵随流化床气速变化图
具体实施方法
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1：在如图1实验装置图中，采用线性低密度聚乙烯（LLDPE）作为流化物料，采用空气作为流化气体，通过调节流化床气速Ug实现流型转变；待流化稳定后，通过接收声信号的设备接收距离流化床分布板以上壁面处H=66cm、H=90cm、H=176cm、H=214cm的声信号，声信号的接收频率为500kHz。
声信号经标准偏差分析方法处理，得到图2和图3所示的结果。由于床层内颗粒活跃程度以及气泡行为规律，在流化床气速为Ug=4.4Umf处，标准偏差σ有显著变化，所以对应的气速Ug=4.4Umf为临界湍动速度uc。
实施例2：采用实施例1测量所接收声信号经算法复杂性分析方法处理，得到图4所示的结果。由于床层内颗粒活跃程度以及气泡行为规律，在流化床气速为Ug=4.4Umf处，算法复杂性C(n)有显著变化，所以对应的气速Ug=4.4Umf为临界湍动速度uc。
实施例3：采用实施例1测量所接收声信号经信息熵分析方法处理，得到图5所示的结果。由于床层内颗粒活跃程度以及气泡行为规律，在流化床气速为Ug=4.4Umf处，信息熵S有显著变化，所以对应的气速Ug=4.4Umf为临界湍动速度uc。
对照：压力脉动和经验公式
将压力变送器连接到流化床分布板上各点，从而测量压力脉动信号。
由蔡平(化工学报,1986，37(4)：391-401.)提出的经验公式得到临界湍动速度uc，如下所示：
式中：n＝0.27，kDf是床层几何结构特性，dp是颗粒平均直径，ρp是颗粒密度，ρg是空气密度。
表1 临界湍动速度uc的经验值与实验值对比
| 经验值 | 压力脉动测量 | 声波测量 | |
| uc | 4.7Umf | 4.4Umf | 4.4Umf |
由表1可知，声波和压力脉动测量的实验值与经验公式计算所得的经验值相比，得出临界湍动速度uc误差均是6.8%。由于临界湍动速度uc在合理的误差范围之内，所以声波和压力脉动测量的实验值与经验值均吻合得较好。因此，声波检测具有较高的精确度、能不侵入流场和实时在线识别流型转变等优点。
Claims (11)
1.一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在流化床反应器的分布板以上壁面处设置一个或多个声信号接收设备；
（2）声信号接收设备接收床层内的声信号；
（3）结合标准偏差、算法复杂性、信息熵等分析方法处理声信号，进而判断临界湍动速度uc。
2.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的流化床反应器的类型为气固流化床反应器、气固循环流化床反应器。
3.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备由同轴电缆顺次连接声发射传感器、信号放大器、采集卡、计算机等组成。
4.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备位于流化床反应器分布板以上高度处，其优选位置为声信号接收设备高度与静床高比值2-10范围之间。
5.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备在流化床反应器分布板以上沿床层轴向壁面处设置一个或多个进行组合测量。
6.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备在流化床反应器分布板以上床层径向壁面处设置一个或多个进行组合测量。
7.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备可以同时在流化床反应器分布板以上床层轴向和径向壁面处设置一个或多个进行组合测量。
8.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号的接收频率范围为0Hz ~20MHz，其优选接收频率范围为10 kHz ~1MHz，其最优接收频率范围为200kHz~800kHz。
9.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号接收设备接收床层内声信号的时间为连续接收或时间段接收，其中选取的时间段为0~+∞s，其最优选取的时间段为5~10s。
10.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号的分析方法为标准偏差、算法复杂性、信息熵、涨落复杂性等，其优选标准偏差、算法复杂性、信息熵。
11.根据权利要求1所述的一种声波检测临界湍动速度的方法，其特征在于：所述的声信号的分析方法结果与压力脉动测量和经验公式结果吻合得较好，更能准确的在线测定临界湍动速度uc。
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| CN1831494A (zh) * | 2006-02-24 | 2006-09-13 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种流化床反应器的检测方法 |
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