CN109115306A - 一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法 - Google Patents

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杨遥
叶天洲
黄正梁
廖祖维
帅云
郭晓云
马玉龙
叶健
蒋斌波
王靖岱
阳永荣
王稳策
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2961—Acoustic waves for discrete levels

Abstract

本发明公开了一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，通过水听器接受射流反应器内部的声信号，分析声信号的频率分布，能够确定气液射流鼓泡反应器的充分混合区域下边界，即射流深度，有利于进行操作参数的变化以取得最大生产率。

Description

一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法
技术领域
本发明涉及气液射流反应器的检测，尤其涉及一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法。
技术背景
气液反应器的型式概括起来，主要有塔式(板式塔、填料塔、鼓泡塔)和搅拌釜式两大类。气液反应器的选型主要取决于化学工艺条件。目前工业生产中，以化学吸收为目的的气液反应器，型式多为板式塔或者填料塔；以制取产品为目的的气液反应器，大多选取鼓泡反应器和搅拌反应器。
射流鼓泡反应器是一类新型气液反应器，可代替鼓泡搅拌釜或鼓泡反应器，主要用于制取产品。该反应器通过喷嘴引起的高速射流实现反应器内液液混合及气液传质。此外，反应器下部设有鼓泡装置，通过气体分布环鼓入气泡引起液体的局部湍动。相较于鼓泡搅拌釜，该反应器结构简单，无动部件，制造及维护费用较低。从结构特点上看，是一种结合了均相射流反应器和鼓泡塔的特点及优势的新型气液反应器。
射流混合反应器在安装难易程度、节约能源、降低损耗和密封性能等方面均表现出优势，因此越来越多地被人们在工业生产中所使用。在射流反应器内，液体利用泵提供的动能经过喷嘴高速喷射进入反应器内，通过湍流喷射来混合可互溶的液体，同时液体射流将鼓泡上升的气体带入液面完成气液相反应。目前可采用多种不同形式的射流入射方式，包括侧面进入射流入射、垂直射流入射、从顶部空间以及底部空间射流入射等。射流进入后，会形成气液充分混合区和非充分混合区，充分混合区的上下边界即为射流深度。
射流鼓泡反应器内部，当高速射流以一定的速度离开喷嘴出口后，与周围静止的流体形成速度不连续的间断面，而速度间断面是不稳定的，射流在引起紊动的同时把周围处于静止状态的流体卷吸到射流中，使液体间发生动量、热量以及质量交换，完成射流与主体液体的混合。随着射流的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，射流边界逐渐向两侧扩展，流量沿射程增大。由于周围静止流体与射流的掺混，对射流产生了阻力，使射流流速降低，能量减弱。撞击到阻碍物或者能量耗散时会形成向上流动的液体循环。通入气体后，环状分布管鼓出的气泡在上升过程中，受到反应器中心竖直向下的液体射流的剪切分散作用，较好地分布在反应器内，引起周围液体的局部湍动，使得液体在气泡的带动下向上流动，到达液面附近后在反应器壁面处形成向下流动的液体，构成液相流动循环。由于气液湍动，产生频率分布极广的声波信号。而没有充分混合区域，速度较低，液体和气泡均为稳定的流型，产生的声波信号单一且较低。
当射流角度分别为0°、45°、90°时(与水平方向)，混合时间达到最大值，射流深度最小；而当射流角度与水平呈25-30°和75°时则达到最小值，深流深度最大。
利用水听器检测声波频率，可以明显地观察到当到达一定深度后高频率突然消失，信号频率稳定在某一定值附近。
利用水听器进行频率检测，能够简便、迅速、快捷地确定充分混合区，即射流深度，不需要其他检测装置，对于工业生产的迅速调节具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，能够及时准确地测定鼓泡反应器的充分混合区域与不充分混合区域的界限，以此对生产参数进行控制。
一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，包括以下步骤：
a、沿气液射流鼓泡反应器轴向等间距排布水听器；
b、接收射流鼓泡反应器的声波信号；
c、分析收到的声波信号，选取声波信号的频率f，接收到的频率沿着反应器轴向分布，在轴向上某一点特定频率的信号发生突变，从400Hz以上降至400Hz以下或者从400Hz以下升到400Hz以上，则该点位置为充分混合区域与不充分混合区域的分界点，喷嘴到该分界点的竖直方向的距离(深度)即为射流深度。向下喷时，即为喷嘴到充分混合区下边界的距离，向上喷时，即为喷嘴到充分混合区上边界的距离。
对气液射流鼓泡反应器进行射流深度检测，射流可以以任意角度射入，在反应器内形成充分混合区和非充分混合区。因两个区域流型不同，液体碰撞的声波频率不同，充分混合区的较高，而非充分混合区较低。
利用水听器检测0Hz～20MHz的声波频率们可以很好地将两个区域的频率信号辨别，用于识别射流深度。
在气液射流鼓泡反应器内，气体分布板和液面之间的范围内安装水听器，为4～8列周向分布、轴向等间距分布的水听器阵列。轴向间距在50mm～500mm之间，单列数量不得低于20个。
水听器贴在反应器内壁面，探头伸进液体内，接受声波信号。射流过程中，探头接收到的信号频率将会沿轴向变化，而在某一点发生突变，该突变处即为流型转变处，充分混合区域与非充分混合区域的分界处，即为射流深度。
附图说明
图1为本发明使用的水听器示意图，
图2为实施例1中水听器分布图，
图3为实施例1中检测到的频率分布图。
具体实施方式
本发明的声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法包括以下步骤：
a、沿气液射流鼓泡反应器轴向等间距排布水听器；
b、接收射流鼓泡反应器的声波信号；
c、分析收到的声波信号，选取声波信号的频率f，接收到的频率沿着反应器轴向分布，在轴向上某一点特定频率的信号发生突变，从400Hz以上降至400Hz以下或者从400Hz以下升到400Hz以上，则该点位置为充分混合区域与不充分混合区域的分界点。
如图1所示，本发明实施例中的水听器由水声换能器、支撑杆和信号放大器三部分组成，支撑杆两端分别连接水声换能器和信号放大器，水声换能器为非指向性的声压水听器，其信号主要来源于不同相之间的耦合作用以及多相体系与探头之间的相互作用，信号放大器将采集到的信号进行放大，然后由上位机进行分析、储存或显示。
实施例1
在高1200mm，内径为380mm，气体分布环内外径分别为140mm和228mm，鼓泡孔孔径为2mm、数量为19的有机玻璃建造的气液射流鼓泡反应器中，以空气作为鼓入气体，表观气速为0.015m·s-1，射流从上方垂直入射，射流出口流速为10m·s-1。水听器分布于分布环上方20mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、970mm处，如图2所示。
当整个气液射流鼓泡床达到稳定后，如图3所示，水听器测得在200mm上方的声波频率从400Hz至1MHz均有分布，而在100mm下方后仅有400Hz的声波频率，在150mm处出现随时间变化既有400Hz以上的频率，也有400Hz以下的频率，因此可认定充分混合区域的下边界在分布环上方150mm处。
实施例2
在高5000mm，内径为3000mm，气体分布环内外径分别为2000mm和2500mm，鼓泡孔孔径为2mm、数量为210的有不锈钢建造的气液射流鼓泡反应器中，以空气作为鼓入气体，表观气速为0.3m·s-1，射流从底部向上射入，射流出口流速为18m·s-1。水听器分布于分布环上方200mm、600mm、1000mm、1400mm、1800mm、2200mm、2600mm、3000mm、3400mm、3800mm、4200mm、4600mm处。
当整个气液射流鼓泡床达到稳定后，水听器测得在4200mm下方的声波频率从0Hz至1MHz均有分布，而在4200上方仅有400Hz的声波频率，因此可认定充分混合区域的下边界在分布环上方3800mm～4200mm之间。

Claims (6)

1.一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a、沿气液射流鼓泡反应器轴向排布多个水听器；
b、接收射流鼓泡反应器的声波信号；
c、分析收到的声波信号，选取声波信号的频率f，接收到的频率沿着反应器轴向分布，在轴向上某一点特定频率的信号发生突变，从400Hz以上降至100Hz以下或者从100Hz以下升到400Hz以上，则该点位置为充分混合区域与不充分混合区域的分界点，喷嘴到该分界点竖直方向的距离即为射流深度。
2.根据权利要求1所述的一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于：所述的射流反应器的射流方向为指向中轴线并与之成0°～180°之间任意角。
3.根据权利要求1所述的一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于：水听器采用嵌入式安装，在壁面沿平行于反应器中轴线排列为一组，每个反应器中排列4～8组，每组的上下边界范围在气体分布板和液面之间。
4.根据权利要求1所述的一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于：用于声波频率检测的水听器轴向分布，间距范围为50mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于：声波信号采样频率的范围是0～20MHz。
6.根据权利要求1所述的一种声波检测射流鼓泡反应器的射流深度的方法，其特征在于：水听器监测到的频率谱中从小到大，在100Hz到400Hz之间有一频率突变项即为特定频率。
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