CN109632554B - 一种旋转填料床用液体分布检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于在线测定旋转填料床内液体分布的技术领域，具体是一种旋转填料床用液体分布检测装置及方法。包括旋转填料床上设置有气体入口、检测口、气体出口和液体出口，压力传感器经检测口安装于旋转填料床内部，压力传感器与数据采集系统连接，数据采集系统与计算机连接，气体出口与废气吸收槽连接，气体入口与气体缓冲罐连接，气体入口与气体缓冲罐之间设置有气体流量计和阀门，气体缓冲罐分别与储罐和风机连接，气体缓冲罐和储罐之间设置气体流量计和阀门，旋转填料床还通过液泵和液体储罐连接，旋转填料床与液泵之间设置液体流量计和阀门。本发明实现了旋转填料床内液体分布的在线检测，并具有实时性、连续性、能全面反映液体分布细节特征等。

Description

一种旋转填料床用液体分布检测装置及方法

技术领域

本发明属于在线测定旋转填料床内液体分布的技术领域，具体是一种旋转填料床用液体分布检测装置及方法。

背景技术

超重力技术是强化多相流传递与反应的一项突破性过程强化技术，该技术主要是利用超重力旋转填料床中填料的高速旋转实现对液体的高强度剪切、雾化、分散，相界面更新速率加快，气液相界接触面积增大，气液传质系数达到数量级的增长。目前，主要应用于脱硫、脱碳、除尘和纳米材料的制备等方面。

填料作为超重力旋转床的心脏部件，是气液高效传质的场所（或媒介），材质和种类等会直接影响到旋转填料床的传质效果，目前工业上最常用的是不锈钢丝网填料。但高速旋转填料内流动的液体不可避免的会发生壁流和沟流，导致液体分布不均，气液接触效率下降。1996年，Burns和Ramshaw在研究中已证实了填料内液体分布不均现象的存在；2001年，Sandilya也提到液相的分布不均导致气液传质效率的下降。

为解决旋转床内液体分布不均的问题，不少研究学者对旋转床内的液体分布器进行了改进。中国专利CN103239885A公开了一种具有中间进料的且内置液体收集再分布器的超重力旋转填料床装置，有效的改善了转子内的液体分布，提高了旋转床传质效率；中国专利CN102247706B公开了一种具有调控轴向液体分布的超重力旋转床装置，在旋转床内添加了导流管式、点面式、对开圆筒式和三角锥环形液体分布器等内构件，实现了液体在轴向上的均匀分布，填料得到充分利用，传质效果增强了60%-70%；2009年，谢爱勇设计了盘管式和圆盘式结构的随转子高速旋转的液体分布器，实现了液体初始均匀分布；中国专利CN102512913A公开了一种由下盘片、波纹筒和阻液板构成的能够促进液体沿轴向和径向均匀分布的液体分布器；中国专利CN203291545U公开了一种为解决逆流式旋转填料床液体分布问题而涉及的由带静态液体分布的管式及锥形液体分布器和动态U形及盘片式液体分布器组成的多级旋转精馏床用液体分布与再分布器；中国专利CN101890250A公开了一种多层圆筒式转动液体分布器，利用离心力，获得了良好的轴向和周向液体初始分布。综上可知，液体分布器改进后，气液传质效果得到了有效强化，但是，气液传质强化是否为液体分布均匀性的改善所导致，以及改善程度如何未见相关文献报道。

传统填料塔内液体分布均匀性检测方法有：接液法(a)、电导示踪法(b)、光纤传感技术(c)、断层成像技术(d)和激光诱导荧光技术(e)。其中，a、b两种方法操作简单，容易实现，但只能从宏观上对液体分布进行定性描述；光纤传感技术可对填料表面液膜厚度进行测量，但仅能达到局部测量，不能实现全场测量。所以，若要实现旋转填料床内液体分布的定量测量，以上方法均不适用。相比之下，d、e则提供了最有效的液体分布性能检测方法，两者都可以实现液体分布的可视化，并且可对液体分布做出定量分析。但是，d涉及到具有放射性的X射线和γ射线，超重力设备为高速旋转的动设备，射线会在填料内不断发生反射，同时，设备体积小，操作过程存在危险性，技术要求极高；e中的激光不能穿透金属，填料材质只能为有机玻璃，存在一定的局限性。由于以上诸多问题，至今未见国内有关直接测量旋转填料床液体分布性能的报道，如何改装旋转填料床、准确测量工作中旋转填料床的液体分布性能就有了重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种旋转填料床用液体分布检测装置及方法。

本发明采取以下技术方案：一种旋转填料床用液体分布检测装置，包括风机、气体缓冲罐、计算机、数据采集系统、压力传感器、储罐、旋转填料床、电机、废气吸收槽、液泵和液体储罐；旋转填料床上设置有气体入口、检测口、气体出口和液体出口，压力传感器经检测口安装于旋转填料床内部，压力传感器与数据采集系统连接，数据采集系统与计算机连接，气体出口与废气吸收槽连接，气体入口与气体缓冲罐连接，气体入口与气体缓冲罐之间设置有气体流量计和阀门，气体缓冲罐分别与储罐和风机连接，气体缓冲罐和储罐之间设置气体流量计和阀门，旋转填料床还通过液泵和液体储罐连接，旋转填料床与液泵之间设置液体流量计和阀门。

进一步的，旋转填料床包括壳体、液体分布器、填料区和转轴，填料区由上支撑、下支撑、内支撑和外支撑固定在转轴上，壳体上设置N个检测口，液体分布器位于旋转填料床中心。

进一步的，检测口分布在上支撑与下支撑之间的区域，且沿周向自下而上分布。

进一步的，上支撑和下支撑为“米字型”支撑，上支撑和下支撑沿径向对应设置多个凹槽，凹槽深度为上支撑板厚度的2/3，宽度为1.5mm，最内侧凹槽固定内支撑，外支撑安装到其他凹槽内。

所述的旋转填料床用液体分布检测装置的检测方法，包括以下步骤，

S100～打开风机，空气经风机进入气体缓冲罐；储罐中的实验气体在阀门的流量控制下，经气体流量计计量后进入气体缓冲罐中，空气与实验气体均匀混合进入旋转填料床。

S200～打开液泵，液体储罐中实验溶液在液泵的作用下进入旋转填料床，由液体流量计控制流量，与气体在旋转填料床中接触。

S300～启动电机，填料高速旋转。

S400～调节气液流量，待气液流量稳定后，打开压力数据采集系统，将压力值的采集时间间隔设置为1ms，以此得到N个检测点的压力数值F₁，……，F_N随时间变化的压力数据表。

S500～填料内液体由填料内缘向外缘运动，最后由填料外缘甩出，接触压力传感器，传感器受力F，将压力信号输出。此时，假设传感器接收到的压力F为液体在做圆周过程中的离心力，所以F=ma=mw²r，m，液体质量；a，液体的加速度；w，液体圆周运动时的角速度，即填料运动角速度；r，填料半径。

S600～以液体质量m作为衡量填料内液体分布的指标，以N个检测点所测液体质量数据m₁，……，m_N数据来综合分析填料内的液体分布，在此，用到的是N个检测点的液体质量m的标准差值M _f ，计算公式如下式，

式中，N指的是检测点的数量，m _i 为单个检测点的液体质量，

为N个检测点所测液体质量的平均值。由式中可以看出，m _i 与

的差距越小，M _f 值越小，也就说明检测点液体质量的波动程度越小，所以液体分布越均匀，反之，液体分布不均匀。

进一步的，N=5。

与现有技术相比，本发明实现了旋转填料床内液体分布的在线检测，并具有实时性、连续性、能全面反映液体分布细节特征等优点；克服了在高速旋转设备内安装压力传感器的机械难度；还可直接用于局部液体分布均匀性的检测；利用传感器检测液体分布情况不仅克服了接液法、光纤传感等技术带来的误差，其在线检测过程也便于检测各种操作、结构因素对液体分布均匀性的影响。

附图说明

图1是旋转填料床的结构示意图；

图2是旋转填料床上下支撑的结构示意图；

图3为传感器的结构示意图；

图4是旋转填料床液体分布检测系统流程图；

图中：1-气体入口；2-检测口；3-壳体；4-上支撑；5-凹槽；6-液体分布器；7-内支撑；8-气体出口；9-外支撑；10-填料区；11-下支撑；12-转轴；13-液体出口；14-棍状支撑，3.1-传感器感应区；3.2-传感器引脚，4.1-风机；4.2-气体缓冲罐；4.3-气体流量计；4.4-计算机；4.5-数据采集系统；4.6-阀门；4.7-数据线；4.8-压力传感器；4.9-储罐；4.10-检测口；4.11-旋转填料床；4.12-电机；4.13-废气吸收槽；4.14-液体流量计；4.15-液泵；4.16-液体储罐。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的旋转填料床，主要包括壳体3、液体分布器6、填料10、转轴12和传感器4.8，填料10固定于转轴12上，壳体3套于填料10外部，液体分布器6静止固定于旋转填料床中心，壳体3的下部设有气体进口1和液体出口13，上部设有气体出口8，且周向均匀分布检测口2，用于安装压力传感器4.8。

所述的填料10主要由上支撑4、下支撑11、内支撑7和外支撑9进行固定。上下支撑为“米字型”支撑，沿径向对应设置多个凹槽5，凹槽深度为上支撑板厚度的2/3，宽度为1.5mm。最内侧凹槽5固定内支撑7，实验过程中内支撑5固定不动，也就是填料内径不变，外支撑9可安装到其他凹槽5内，也就是可以改变填料的外径，以此实现填料厚度的可变性。实现填料厚度可变性是因为传感器需连接数据线，若将传感器安装于填料内部，填料高速旋转，易造成数据线缠绕，无法进行试验。因此，将不同厚度填料外缘液体分布简化为填料内液体分布。

所述的检测口2分布在上支撑4与下支撑11之间的区域，且沿周向自下而上分布。液体分布的研究主要有液体沿周向、轴向和径向的分布，沿径向的分布可通过填料径向厚度的改变来实现。液体沿周向和轴向的分布可通过沿周向和轴向设置检测口来实现。轴向检测口的位置不能沿重力方向成直线分布，因为液体由液体分布器甩出后，接触传感器，产生动量损失，将沿重力方向流动，向下流动的液体影响下方传感器检测，为实现传感器准确检测，沿周向设置检测口。实验中，传感器可安装1个或多个，以实现填料内液体局部和全局分布检测。

如图2所示，填料的上下支撑沿径向设置多个凹槽5。棍状支撑14以螺栓紧固方式固定，目的是防止填料在旋转过程中松动。

如图4所示，空气经风机4.1打入气体缓冲罐4.2，储罐4.9中的实验气体由阀门4.6控制流量，气体流量计4.3计量后进入气体缓冲罐4.2与空气混合进入旋转填料床4.11；溶液储槽4.16中溶液通过液泵4.15打入旋转填料床4.11，液体流量由液体流量计4.14计量，与气体在填料中相互接触；填料由电机4.12带动高速旋转；检测口4.10处安装压力传感器4.8，传感器感应区3.1位于旋转填料床4.11内部，传感器引脚3.2在外部，连接数据线4.7；数据线4.7与数据采集系统4.5连接，由计算机4.4在线采集得到压力数据表。传感器引脚3.2在外部，避免与液体接触，有利于带有液相体系的实验研究。

本发明在旋转填料床内气液流量稳定后，打开数据采集系统开始采集压力数据；采集时间间隔最小可达1ms，当气液流量稳定后，可由数据采集系统软件的在线采集得到压力数据采集表。压力F=mw²r，填料半径不同时，F受液体质量m和半径r影响。为消除半径的影响，经计算转化，以液体质量作为液体分布性能的参考值。计算出所测各个点液体质量的标准差值M _f ，作为液体分布的表征值。

所述的旋转填料床用液体分布检测装置的检测方法，包括以下步骤，

S100～打开风机，空气经风机4.1进入气体缓冲罐4.2；储罐4.9中的实验气体在阀门4.6的流量控制下，经气体流量计4.3计量后进入气体缓冲罐4.2中，空气与实验气体均匀混合进入旋转填料床4.11；

S200～打开液泵，液体储罐4.16中实验溶液在液泵4.15的作用下进入旋转填料床4.11，由液体流量计4.14控制流量，与气体在旋转填料床中接触；

S300～启动电机，填料高速旋转；

S400～调节气液流量，待气液流量稳定后，打开压力数据采集系统，将压力值的采集时间间隔设置为1ms，以此得到5个检测点的压力数值F₁、F₂、F₃、F₄、F₅随时间变化的压力数据表；

S500～填料内液体由填料内缘向外缘运动，最后由填料外缘甩出，接触压力传感器，传感器受力F，将压力信号输出。此时，假设传感器接收到的压力F为液体在做圆周过程中的离心力，所以F=ma=mw²r，m，液体质量；a，液体的加速度；w，液体圆周运动时的角速度，即填料运动角速度；r，填料半径；

S600～以液体质量m作为衡量填料内液体分布的指标，以5个检测点所测液体质量数据m₁、m₂、m₃、m₄、m₅数据来综合分析填料内的液体分布，在此，用到的是5个检测点的液体质量m的标准差值M _f ，计算公式如下式，

式中，5指的是检测点的数量，m _i 为单个检测点的液体质量，

为5个检测点所测液体质量的平均值。由式中可以看出，m _i 与

的差距越小，M _f 值越小，也就说明检测点液体质量的波动程度越小，所以液体分布越均匀，反之，液体分布不均匀。

旋转填料床内液体分布与传质性能密切相关。本发明以NaOH-CO₂为实验体系，将液体分布与传质性能进行对比分析，传质效果的好坏用传质比表面积a _e 和液相体积传质系数k _l a _e 表征。

实施例1：在旋转填料床壳体上设置5个检测口，旋转填料床内径为46mm，外径为196mm，轴向高度为100mm。打开风机，调节空气流量为16m³/L；打开CO₂钢瓶阀门，CO₂气体与空气混合均匀，通过调节CO₂气体流量，控制入口处CO₂含量为1%；混合均匀后气体在压差作用下进入旋转填料床，旋转填料床转速调至400r/min。液体储罐中所配置的1mol/L的NaOH溶液，在液泵的作用下由进液管线进入液体分布器，喷向填料内侧，随填料一起高速旋转，与气体相互接触。期间，控制液体流量为80L/h。反应生成溶液通过旋转填料床的液体出口排出，溶液中含有NaOH、NaHCO₃和Na₂CO₃，未反应的CO₂气体由气体出口排出，被废气吸收槽中液体所吸收。反应温度为20℃，压力为1atm，结果为，a _e 为1562m²/m³，k _l a _e 为1.18s^-1，残差值σ为0.00624。

实施例2：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转填料床转速设置为600r/min，实验结果为a _e 为2997 m²/m³，k _l a _e 为1.92 s^-1，残差值σ为0.00388。

实施例3：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转填料床转速设置为800r/min，实验结果为a _e 为4115 m²/m³，k _l a _e 为2.78 s^-1，残差值σ为0.00200。

实施例4：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转填料床转速设置为1000r/min，实验结果为a _e 为5367 m²/m³，k _l a _e 为2.92 s^-1，残差值σ为0.00061。

实施例5：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转填料床转速设置为1200r/min，实验结果为a _e 为5876 m²/m³，k _l a _e 为3.03 s^-1，残差值σ为0.00008。

Claims (2)

1.一种旋转填料床用液体分布检测装置的检测方法，其特征在于：采用如下装置，包括风机（4.1）、气体缓冲罐（4.2）、计算机（4.4）、数据采集系统（4.5）、压力传感器（4.8）、储罐（4.9）、旋转填料床（4.11）、电机（4.12）、废气吸收槽（4.13）、液泵（4.15）和液体储罐（4.16）；旋转填料床（4.11）上设置有气体入口（1）、检测口（2）、气体出口（8）和液体出口（13），压力传感器（4.8）经检测口（2）安装于旋转填料床内部，压力传感器（4.8）与数据采集系统（4.5）连接，数据采集系统（4.5）与计算机（4.4）连接，气体出口（8）与废气吸收槽（4.13）连接，气体入口（1）与气体缓冲罐（4.2）连接，气体入口（1）与气体缓冲罐（4.2）之间设置有气体流量计（4.3）和阀门（4.6），气体缓冲罐（4.2）分别与储罐（4.9）和风机（4.1）连接，气体缓冲罐（4.2）和储罐（4.9）之间设置气体流量计（4.3）和阀门（4.6），旋转填料床（4.11）还通过液泵（4.15）和液体储罐（4.16）连接，旋转填料床（4.11）与液泵（4.15）之间设置液体流量计（4.14）和阀门（4.6）；

旋转填料床（4.11）包括壳体（3）、液体分布器（6）、填料区（10）和转轴（12），填料区（10）由上支撑（4）、下支撑（11）、内支撑（7）和外支撑（9）固定在转轴（12）上，壳体（3）上设置N个检测口（2），液体分布器（6）位于旋转填料床（4.11）中心；

检测口（2）分布在上支撑（4）与下支撑（11）之间的区域，且沿周向自下而上分布；

上支撑（4）和下支撑（11）为“米字型”支撑，上支撑（4）和下支撑（11）沿径向对应设置多个凹槽（5），凹槽（5）深度为上支撑板厚度的2/3，宽度为1.5mm，最内侧凹槽（5）固定内支撑（7），外支撑（9）安装到其他凹槽（5）内；

包括以下步骤，

S100～打开风机，空气经风机（4.1）进入气体缓冲罐（4.2）；储罐（4.9）中的实验气体在阀门（4.6）的流量控制下，经气体流量计（4.3）计量后进入气体缓冲罐（4.2）中，空气与实验气体均匀混合进入旋转填料床（4.11）；

S200～打开液泵，液体储罐（4.16）中实验溶液在液泵（4.15）的作用下进入旋转填料床（4.11），由液体流量计（4.14）控制流量，与气体在旋转填料床中接触；

S300～启动电机，填料高速旋转；

S400～调节气液流量，待气液流量稳定后，打开压力数据采集系统，将压力值的采集时间间隔设置为1ms，以此得到5个检测点的压力数值F₁，……，F_N随时间变化的压力数据表；

S500～填料内液体由填料内缘向外缘运动，最后由填料外缘甩出，接触压力传感器，传感器受力F，将压力信号输出，此时，假设传感器接收到的压力F为液体在做圆周过程中的离心力，所以F=ma=mw²r，m，液体质量；a，液体的加速度；w，液体圆周运动时的角速度，即填料运动角速度；r，填料半径；

S600～以液体质量m作为衡量填料内液体分布的指标，以N个检测点所测液体质量数据m₁，……，m_N数据来综合分析填料内的液体分布，在此，用到的是N个检测点的液体质量m的标准差值M _f ，计算公式如下式，

式中，N指的是检测点的数量，m _i 为单个检测点的液体质量，

为N个检测点所测液体质量的平均值，由式中可以看出，m _i 与

的差距越小，M _f 值越小，也就说明检测点液体质量的波动程度越小，所以液体分布越均匀，反之，液体分布不均匀。

2.根据权利要求1所述的旋转填料床用液体分布检测装置的检测方法，其特征在于：所述的N=5。

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