CN108982678A - 一种多层流化床溢流管流体流动状态的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层流化床反应器溢流管下料状态声波检测方法，通过接收多层流化床反应器溢流管处的声发射信号；分析接收到的声发射信号，观察声信号中摩擦和碰撞信号的能量分率，以分辨多层流化床溢流管的下料状态。当多层流化床溢流管正常下料时，颗粒属于密相输送，流动状态为柱塞流，颗粒与壁面的相互作用以摩擦为主。在此状态下，接收到的声信号中，Dcollision/Dfriction≤3。当溢流管非正常下料时，气体通过溢流管向上运动，气速过大，阻止固体颗粒向下，甚至携带着颗粒上升。在这种状态下，颗粒属于稀相输送，颗粒与壁面的相互作用以碰撞为主，接收到的声信号中，Dcollision/Dfriction＞3。本发明方法具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，对多层流化床溢流管下料状态能及时准确的在线分析，并通过分析结果对生产参数进行控制。

Description

一种多层流化床溢流管流体流动状态的检测方法
技术领域
本发明涉及多层流化床反应器溢流管下料状态的检测，尤其涉及一种多层流化床溢流管流体流动状态的检测方法。
背景技术
多层流化床能沿床高垂直地建立起浓度梯度和温度梯度，减小流化床中颗粒和气体沿轴向的返混。气体通过各层分布板的再分布可抑制气泡聚并和长大，有效降低扩散阻力，提高传热和传质速率。因此，多层流化床作为强化流化操作的一条重要途径，目前已不同规模地应用于催化裂化、铁矿石气体还原、颗粒的煅烧与干燥、活性炭及碳纳米管的制造、离子交换及工厂排放废气的净化等领域。
与单层流化床相比，多层流化床的稳定操作区间变窄。在操作溢流管式多层流化床时，气速超过某一较小临界气速时，颗粒才开始通过溢流管向下层流动，而气速超过另一较大临界气速时即会使颗粒通过溢流管向上一层反窜，产生流化气短路、溢流管倒流、“固泛”等现象。
多层流化床中溢流管非正常的操作状态，会影响流化床的稳定工作状态。及时准确的判断溢流管的下料状态对稳定生产具有重要意义，首先能够反映流化床内部固体运动状态，其次通过测定的结果能够更好的调整流化床的操作参数，并且有利于控制产品的性能，节约加工成本。
目前工厂广泛应用压力、静电等对固体输送管内流动状态进行测量。目前实验室内采用多普勒和核磁共振仪器进行测量，或由计算机模拟得到，但还停留在实验阶段。
通过以上设备或仪器在工厂中的应用，发现现有在线监测的装置和方法存在以下不足：
1)压力监测在监测过程中容易被堵塞，并且维修难。
2)压力脉动监测及电容监测都是插入式的，安装时候都要在流化床壁面上打孔，不仅不方便，而且可能影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应造成一定的影响。
3)对环境要求比较高，对于比较恶劣的工厂环境，例如：高温、高压、粉尘等环境下可能造成信号的失真，无法真实反映流化床溢流管内流体的动态信息。
因此，发展基于无接触测试技术、瞬态实时分析技术的简易快捷、安全环保的声波检测方法，对提高多层流化床内部参数检测灵敏度、精确度，特别是对于溢流管下料状态的测定具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种声波监测多层流化床反应器溢流管下料状态的方法，对流化床溢流管下料状态进行准确的测定，并通过分析结果对生产操作参数进行控制。
一种多层流化床中溢流管流体流动状态的监测方法，所述方法包括以下几个步骤：
a、声信号接收器接收多层流化床溢流管的声信号；
b、对接收到的声信号进行预处理以去除噪声；
c、对声信号进行小波分析或小波包分析，以特征频段的能量分率Di为特征值表征信号的频谱结构，其中i为尺度数；
d、通过声信号的功率谱确定颗粒与壁面间碰撞和摩擦分别对应的频率fcollision和ffriction；
e、通过颗粒与壁面间碰撞和摩擦发出的声信号所占的能量分率之比Dcollision/Dfriction，来判断多层流化床溢流管下料状态，当Dcollision/Dfriction≤3时，溢流管正常下料；反之，当Dcollision/Dfriction＞3时，溢流管非正常下料。
可选地声波检测装置由声信号接收器、声信号放大装置、声信号转换装置和声信号处理装置(计算机)组成，声波检测系统包含至少一个声波接收装置；可选地声信号接收器直接安装在溢流管上；可选地所述的声波信号接收频率范围为0Hz-900kHz；可选地对所接收到的声信号进行小波分析，对信号进行了10尺度的小波分解，通过各尺度小波能量分率的分布来表征信号的频谱结构；可选地通过颗粒与壁面间碰撞和摩擦发出的声信号所占的能量分率之比Dcollision/Dfriction，来判断多层流化床溢流管下料状态。当Dcollision/Dfriction＞3时，溢流管非正常下料；反之，当Dcollision/Dfriction≤3时，溢流管正常下料。
本发明方法可用于多层流化床反应器的类型包括：气固流化床反应器、液固流化床反应器和气液固三相流化床反应器。
流化床反应器溢流管处的动态声波信号通过设置在流化床反应器溢流管外壁的声波接收装置进入放大装置进行信号的放大，以保证在长距离内信号不衰减，然后进入声信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声波信号处理装置(计算机)进行处理和分析。
颗粒与壁面的相互作用主要分为碰撞和摩擦两种类型，不同的颗粒器对应的频率范围也不同。分别对粉煤(Geldart-A类颗粒)、聚丙烯(Geldart-B类颗粒)、ZSM分子筛(Geldart-D类颗粒)进行实验，可知无论是何种类型颗粒，它们与壁面的碰撞和摩擦作用产生的声信号在功率谱上均能明显进行区分，且碰撞信号的主频大于摩擦信号主频，说明利用声发射信号实现颗粒与壁面不同形式作用的测量是可行的。对于聚丙烯颗粒，其碰撞和摩擦声信号频率范围分别为fcollision＝56.25-112.5kHz，以及ffriction＝14.06-28.12kHz。在多层流化床中，气相通过气体分布板向上使固体颗粒流化，固体通过溢流管向下运动到下一级气体分布板上。当流化床溢流管正常下料时，颗粒属于密相输送，流动状态为柱塞流，颗粒与壁面的相互作用以摩擦为主。在此状态下，接收到的声信号中，ffriction所占的能量分率较大。当溢流管非正常下料时，气体通过溢流管向上运动，气速过大，阻止固体颗粒向下，甚至携带着颗粒上升。在这种状态下，颗粒属于稀相输送，颗粒与壁面的相互作用以碰撞为主，接收到的声信号中，fcollision所占的能量分率较大。具体的，当Dcollision/Dfriction＞3时，溢流管非正常下料；反之，当Dcollision/Dfriction≤3时，溢流管正常下料。
本发明与现有的方法相比有如下优点：
1)对于流化系统的故障监测非常灵敏，能够随着流化系统的变化在特定频率出现较大变化甚至突变，并且响应及时，精度较高。
2)声波监测装置安装时只要直接贴于流化床反应器溢流管壁面上即可，简易方便，不会影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应不会造成影响。
3)对环境要求比较低，能在比较恶劣的工厂环境全天候工作，即使在高温、高压、粉尘等苛刻环境下仍能保持信号的真实程度，真实反映流化床料位高度、流化状态和流型的动态信息。
4)声波信号能直接反映流化床溢流管下料状态的动态信息，声信号是通过流化床溢流管内的物质与溢流管壁之间的碰撞和摩擦直接产生的，相比于压力脉动能够更加直接地反映颗粒运动情况。
5)是一种安全、绿色、环保的方法，对人体无害，并且采用无源或/和有源声发射原理，对于具有易燃易爆物质的流化床反应器也是安全的。
附图说明
图1为实施案例一非正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱。
图2为实施案例一正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱。
图3为实施案例二非正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱。
图4为实施案例二正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱。
图5为本发明装置图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例第本发明做进一步的说明。
本发明的一种多层流化床反应器溢流管下料状态声波检测方法，通过接收多层流化床反应器溢流管处的声发射信号；分析接收到的声发射信号，观察声信号中摩擦和碰撞信号的能量分率，以分辨多层流化床溢流管的下料状态。当多层流化床溢流管正常下料时，颗粒属于密相输送，流动状态为柱塞流，颗粒与壁面的相互作用以摩擦为主。在此状态下，接收到的声信号中，Dcollision/Dfriction≤3。当溢流管非正常下料时，气体通过溢流管向上运动，气速过大，阻止固体颗粒向下，甚至携带着颗粒上升。在这种状态下，颗粒属于稀相输送，颗粒与壁面的相互作用以碰撞为主，接收到的声信号中，Dcollision/Dfriction＞3。
如图5所示，在本发明的一个具体实施例中，地声波检测装置由声信号接收器、声信号放大装置、声信号转换装置和声信号处理装置(计算机)组成，声波检测系统包含至少一个声波接收装置；声信号接收器直接安装在溢流管上；声波信号接收频率范围为0Hz-900kHz；对所接收到的声信号进行小波分析，对信号进行了10尺度的小波分解，通过各尺度小波能量分率的分布来表征信号的频谱结构。
实施案例一
在高1000mm、内径150mm，分布板为多孔平板，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％的有机玻璃建造的气固流化床中，以空气作为流化气体，平均粒径为613.7μm的聚丙烯颗粒作为流化颗粒。采用的声发射探头型号为AE144S，无源声发射换能器贴于分布板的溢流管处，采样频率为900kHz。采用db2小波函数，对采集到的信号进行了10尺度的小波分解，通过各尺度小波能量分率的分布来表征信号的频谱结构。颗粒-壁面摩擦信号的功率谱中主要是主频为25kHz的峰，颗粒-壁面撞击信号的PSD中主要是主频为90kHz的峰。改变不同的气速，观察声信号中频率为fcollision＝56.25-112.5kHz以及ffriction＝14.06-28.12kHz的能量分率，以分辨流化床溢流管的下料状态并确定最佳操作气速。如果Dcollision/Dfriction＞3，说明颗粒与壁面的相互作用碰撞占主导，溢流管非正常下料，非正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱见图1。反之，如果Dcollision/Dfriction≤3，说明颗粒与壁面的相互作用碰撞占主导，溢流管正常下料，正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱见图2。通过分析声能量随气速的变化情况，分析得到能量最小时发生密相输送与稀相输送的转变，进而确定最大的操作气速为5m/s。
实施案例二
在高1000mm、内径150mm，分布板为多孔平板，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％的有机玻璃建造的气固流化床中，以空气作为流化气体，平均粒径为35.76μm的粉煤颗粒作为流化颗粒。采用的声发射探头型号为PXR15，无源声发射换能器贴于分布板的溢流管处，采样频率为600kHz。改变不同的气速，观察声信号中频率为fcollision＝150-300kHz以及ffriction＝18.75-37.5kHz的能量分率，以分辨流化床溢流管的下料状态。如果Dcollision/Dfriction＞3，说明颗粒与壁面的相互作用碰撞占主导，溢流管非正常下料，非正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱见图3。反之，如果Dcollision/Dfriction≤3，说明颗粒与壁面的相互作用碰撞占主导，溢流管正常下料，正常下料状态颗粒与壁面相互作用的功率频谱见图4。

Claims (5)

1.一种多层流化床溢流管流体流动状态的检测方法，其特征在于，
所述方法包括以下几个步骤：
步骤一、声信号接收器接收多层流化床溢流管的声信号；
步骤二、对接收到的声信号进行预处理以去除噪声；
步骤三、对声信号进行小波分析或小波包分析，以特征频段的能量分率Di为特征值表征信号的频谱结构，其中i为尺度数；
步骤四、通过声信号的功率谱确定颗粒与壁面间碰撞和摩擦分别对应的频率fcollision和ffriction；
步骤五、通过颗粒与壁面间碰撞和摩擦发出的声信号所占的能量分率之比Dcollision/Dfriction，来判断多层流化床溢流管下料状态，当Dcollision/Dfriction≤3时，溢流管正常下料；反之，当Dcollision/Dfriction＞3时，溢流管非正常下料。
2.根据权利要求1所述的多层流化床溢流管流动状态声波检测方法，其特征在于：声信号接收器直接安装在溢流管外壁上。
3.根据权利要求1所述的多层流化床溢流管流动状态声波检测方法，其特征在于：在多层流化床每层溢流管处均安装声信号接收器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多层流化床溢流管流动状态声波检测方法，其特征在于：所述的声信号接收器接收的声波信号频率范围为0Hz-900kHz。
5.根据权利要求1所述的多层流化床溢流管流动状态声波检测方法，其特征在于：所述的步骤四中，对于不同类型的颗粒，颗粒与壁面间碰撞信号的主频均大于摩擦信号主频，以此确定ffriction和fcollision。
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