CN109806815A - 基于液速波动的射流鼓泡反应器气液分散状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流鼓泡反应器内气液分散状态的检测方法，通过测量反应器壁面处液速，根据液速信号的时均值V_ave或标准差STD_v随液体雷诺数的变化规律，确定反应器内的气液分散状态以及气泛与载气状态的临界雷诺数Re_jf、载气与完全分散状态的临界雷诺数Re_jcd。

Description

基于液速波动的射流鼓泡反应器气液分散状态检测方法

技术领域

本发明涉及石油化工技术领域，具体涉及一种射流鼓泡反应器气液分散状态的检测方法。

背景技术

射流鼓泡反应器由反应器筒体、设置在反应器筒体顶部的液体喷嘴、设置在所述液体喷嘴下方的气体分布器组成。在射流鼓泡反应器中，利用垂直向下的浸没式液体射流对气泡的剪切破碎作用，可以实现反应器内气液两相的高效混合。随着液体喷嘴出口流速的增加，反应器内气液分散状态依次经历气泛、载气、完全分散等三种流型。其中，气泛状态和载气状态分界点对应的液体喷嘴出口雷诺数称之为泛点液体雷诺数，记为Re_jf，所述载气状态和完全分散状态分界点对应的液体喷嘴出口雷诺数称之为完全分散液体雷诺数，记为Re_jcd。气液分散状态对反应器的性能具有重要影响，气液分散不好会使气液混合效果和气液传质效率变差，反应速率降低。因此准确检测反应器内的气液分散状态对于保证射流鼓泡反应器处于良好的工作状态有着重要意义。

气液反应器中气液分散状态的检测方法有目测法、颜色示踪法、声发射技术等。与此不同，本发明通过测量不同条件下壁面附近液速的变化来判断射流鼓泡反应器内气液分散状态。可用的测量液速的方法有Pavlov管测速法、热模风速计测量法(Hot FilmAnemometry,HFA)、激光多普勒测速法(Laser Doppler Anemometry,LDA)、粒子成像测速法(Partical Image Velocimetry,PIV)等。

发明内容

本发明提供了一种基于液速信号随时间变化特征的射流鼓泡反应器气液分散状态检测方法，可以快速识别不同气液分散状态，包括以下步骤：

步骤1：测量射流鼓泡反应器中的液速信号；

步骤2：对采集的信号进行预处理降噪，并提取液速特征参数：液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v；二者的计算公式如下：

式中，N为数据点个数，V_L为液速。

步骤3：通过调整液体流量改变喷嘴处的射流雷诺数，获得液速特征参数随液体喷嘴出口处射流雷诺数的变化曲线；根据所述的变化曲线，确定气泛与载气状态的临界雷诺数Re_jf、载气与完全分散状态的临界雷诺数Re_jcd；

步骤4：比较喷嘴出口液体射流雷诺数Re_j与临界雷诺数Re_jf和Re_jcd，判断反应器内气液分散状态：当Re_j＜Re_jf时，处于气泛状态；当Re_jf≤Re_j≤Re_jcd时，处于载气状态；当Re_j＞Re_jcd时，处于完全分散状态。

其中，根据液速标准差STD_v确定临界雷诺数的步骤包括：调节液体流量，从零开始逐步增大喷嘴出口液体射流雷诺数，记录STD_v随液体喷嘴出口射流雷诺数的变化曲线；STD_v随射流雷诺数的增大，依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段；分别对STD_V变化曲线中的4个阶段进行线性拟合，根据前两个阶段交点确定泛点射流雷诺数Re_jf1，根据后两个阶段的交点确定完全分散射流雷诺数Re_jcd1。

根据液速时均值V_ave随液体喷嘴出口处射流雷诺数变化曲线确定临界雷诺数的步骤包括：调节液体流量，从零开始逐步增大喷嘴出口液体射流雷诺数，记录V_ave随液体喷嘴出口雷诺数的变化曲线；V_ave随射流雷诺数的增大，依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段；分别对V_ave变化曲线中的4个阶段进行线性拟合，根据前两个阶段交点确定泛点射流雷诺数Re_jf2，根据后两个阶段的交点确定完全分散射流雷诺数Re_jcd2。

一种优选的方案是根据液速标准差STD_v和液速时均值V_ave随液体喷嘴出口处射流雷诺数变化曲线确定临界雷诺数，其中，

所述液速检测方法包括但不限于Pavlov管测速法、热模风速计测量法、激光多普勒测速法、粒子成像测速法等。所述液速测量装置的安装高度为0～1/4H，其中，H为反应器高度，0对应反应器底部。一种更优选的方案是所述液速测量装置与底部气体分布器处于同一高度。液速测量装置径向安装位置为(9/10)R～R，其中，R为反应器半径，对应反应器壁面；0对应反应器中心。

当采用Pavlov管测速法时，液速检测装置由压差信号接收器、压差信号放大装置、压差信号转换装置和压差信号处理装置(计算机)组成。射流鼓泡反应器壁面处的动态压差信号通过设置在射流鼓泡反应器壁面的Pavlov管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，然后进入压差采集装置进行信号的A/D转换，最后进入压差信号处理装置(计算机)进行处理和分析。Pavlov管的结构及测量原理参见郭天琪硕士论文，《射流鼓泡反应器的流动行为与传质特性研究》，浙江大学，2016。采用Pavlov管测速时所用的压差信号转为液速的公式如下：

所述预处理去除噪音的方法选用平滑、微分、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的一种或多种。平滑可以提高分析信号的信噪比，最常用的方法是移动式平均平滑法和Savizky-Golay多项式平滑；微分可以消除基线漂移、强化谱带特征、克服谱带重叠，一阶微分可以去除同波长无关的漂移，二阶微分可以取出同波长线性相关的漂移；傅里叶变换能够实现谱域函数与时域函数之间的转换，可以用来对声谱进行平滑去噪、数据压缩以及信息的提取；小波变换能将信号根据频率的不同分解成多种尺度成分，并对大小不同的尺度成分采取相应粗细的取样步长，从而能够聚焦于信号中的任何部分；净分析信号算法的基本思想与正交信号校正基本相同，都是通过正交投影除去与待测组分无关的信息。

将去噪后的压差信号转化为液速信号，对液速信号进行处理得到液速特征值的液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v。分别以上述两个特征值对喷嘴出口的射流雷诺数作图，得到临界雷诺数Re_jf和Re_jcd。进而比较液体射流雷诺数Re_j和临界雷诺数，即可得到射流鼓泡反应器内的气液分散状态。

本发明提出的技术具有以下优点：液速测量操作方便而且成本较低；反应灵敏，测量误差小；对测量条件要求低，能在比较恶劣的环境下工作。

附图说明

图1是本发明的液速测量装置示意图：图中，1-离心泵；2-风机；3-缓冲罐；4-阀门；5-流量计；6-气体分布器；7-反应器；8-U型液位计；9-液体喷嘴；10-Pavlov管；11-压差变送器；12-数据采集卡；13-计算机；

图2是不同实施方式下液速时均值V_ave随液体射流雷诺数的变化；在气泛状态时STDv较小，达到载气状态时STDv显著增强，之后随着射流雷诺数的增大逐渐减小，而在完全分散状态时STDv又稳定在一较小值；

图3是不同实施方式下液速标准差STD_v随液体射流雷诺数的变化；当Vave为负且大小保持不变时，反应器处于气泛状态；当Vave逐渐减小至零后变为正值且大小逐渐增大时，处于载气状态；当Vave稳定在零时，处于完全分散状态。

具体实施方式

采用如图1所示的液速检测装置，反应器7底部排出的液体在离心泵1的泵送作用下经流量计5计量后通过液体喷嘴9喷射进入反应器7，构成液体循环，风机2将气体通过流量计从气体分布器6鼓入反应器7，Pavlov管10测量得到反应器内壁面处的压差，压力传感器11接收压差信号，压差传感器通过主数据采集卡12接入计算机13。将得到的压差信号进行预处理并转化成液速信号，提取出液速特征值的液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v。分别以上述两个特征值对喷嘴出口的射流雷诺数作图，得到临界雷诺数Re_jf和Re_jcd。进而比较Re_j和临界雷诺数的关系，即可得到射流鼓泡反应器内的气液分散状态。

下面将通过几个实施例做进一步的说明：

实施例1

实验装置如图1所示。射流鼓泡反应器用有机玻璃制成，由筒体、半球形下封头、液体喷嘴、气体分布盘、挡板等部分组成。反应器筒体和半球形封头的内径为380mm，反应器筒体高度为1000mm。其中，气体分布盘直径为110mm，在其上方均匀布有24个直径为2mm的出气孔，气体分布盘距反应器底部垂直距离为0.15m，液体喷嘴出口距气体分布盘垂直距离为0.4m。液体喷嘴采用缩径式圆形喷嘴，其入口直径和出口直径分别为30mm与18mm，喷嘴的收缩角为44°，喷嘴出口直径d_j为18mm，圆柱段长度与直径的比值(即长径比)为2。实验在常温、常压下进行，液体介质为水，气体介质为空气。液体从反应器底部排出，在循环泵的泵送作用下经流量计计量后通过喷嘴喷射进入反应器，构成液体循环。实验过程中，通入反应器内的气体流量的变化范围为1～8m³/h，以反应器截面积计算，表观气速的变化范围为0.00245～0.0196m/s，喷嘴射流雷诺数的变化范围为0～1.95×10⁵。实验采样频率为1kHz，采样时间为20s。Pavlov管轴向测量位置为反应器筒体最下端气体分布器高度处，径向测量位置为靠近反应器壁面处。分析液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v随射流雷诺数的变化，如图2-3，分别得到气泛与载气状态的临界雷诺数Re_jf1和Re_jf2，以及载气与完全分散状态的临界雷诺数Re_jcd1和Re_jcd2。计算平均值得到不同气液分散状态的临界雷诺数Re_jf和Re_jcd。当喷嘴出口液体射流雷诺数Re_j＜Re_jf时，可以判断此时反应器处于气泛状态；当Re_jf≤Re_j≤Re_jcd时，反应器处于载气状态；当Re_j＞Re_jcd时，反应器处于完全分散状态。相比于目测法，得到的泛点雷诺数与完全分散雷诺数的误差分别为5.80％和6.56％。

实施例2

与实施案例1的区别在于Pavlov管轴向测量位置为反应器筒体下端1/4高度处。分析液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v随射流雷诺数的变化分别得到气泛与载气状态的临界雷诺数Re_jf1和Re_jf2，以及载气与完全分散状态的临界雷诺数Re_jcd1和Re_jcd2。计算平均值得到不同气液分散状态的临界雷诺数Re_jf和Re_jcd。当喷嘴出口液体射流雷诺数Re_j＜Re_jf时，可以判断此时反应器处于气泛状态；当Re_jf≤Re_j≤Re_jcd时，反应器处于载气状态；当Re_j＞Re_jcd时，反应器处于完全分散状态。相较于目测法，得到的泛点雷诺数与完全分散雷诺数的误差分别为6.58％和9.92％。

综上可知，本发明提供的液速检测方法可以用于射流鼓泡反应器内气液分散状态的识别，且具有较高的准确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求中。

Claims (10)

1.一种射流鼓泡反应器内气液分散状态的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：测量射流鼓泡反应器中的液速信号；

步骤2：对采集的信号进行预处理降噪，并提取液速特征参数：液速时均值V_ave以及液速标准差STD_v；

步骤3：通过调整液体流量改变喷嘴处的射流雷诺数，获得液速特征参数随液体喷嘴出口处射流雷诺数的变化曲线；根据所述的变化曲线，确定气泛与载气状态的临界雷诺数Re_jf、载气与完全分散状态的临界雷诺数Re_jcd；

步骤4：比较喷嘴出口液体射流雷诺数Re_j与临界雷诺数Re_jf和Re_jcd，判断反应器内气液分散状态：当Re_j＜Re_jf时，处于气泛状态；当Re_jf≤Re_j≤Re_jcd时，处于载气状态；当Re_j＞Re_jcd时，处于完全分散状态。

2.根据权利要求1所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，根据液速标准差STD_v确定临界雷诺数，其方法包括：从零开始逐步增大喷嘴出口液体射流雷诺数，记录STD_v随液体喷嘴出口射流雷诺数的变化曲线；STD_v随射流雷诺数的增大，依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段；分别对STD_V变化曲线中的4个阶段进行线性拟合，根据前两个阶段交点确定泛点射流雷诺数Re_jf1，根据后两个阶段的交点确定完全分散射流雷诺数Re_jcd1。

3.根据权利要求2所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，根据液速时均值V_ave随液体喷嘴出口处射流雷诺数变化曲线确定临界雷诺数，其方法包括：从零开始逐步增大喷嘴出口液体射流雷诺数，记录V_ave随液体喷嘴出口雷诺数的变化曲线；V_ave随射流雷诺数的增大，依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段；分别对V_ave变化曲线中的4个阶段进行线性拟合，根据前两个阶段交点确定泛点射流雷诺数Re_jf2，根据后两个阶段的交点确定完全分散射流雷诺数Re_jcd2。

4.根据权利要求3所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，根据液速标准差STD_v和液速时均值V_ave随液体喷嘴出口处射流雷诺数变化曲线确定临界雷诺数，其中，

5.根据权利要求1所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，所述的步骤1)中测量液速的方法包括Pavlov管测速法、热模风速计测量法、激光多普勒测速法、粒子成像测速法。

6.根据权利要求5所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，液速测量装置的安装高度为0～1/4H，其中，H为反应器高度，0对应反应器底部。

7.根据权利要求5所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，所述液速测量装置与底部气体分布器处于同一高度。

8.根据权利要求5所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，液速测量装置安装在反应器内部，径向安装位置为(9/10)R～R，其中，R为反应器半径，对应反应器壁面；0对应反应器中心。

9.根据权利要求5所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，当采用Pavlov管测速法时，液速检测装置由压差信号接收器、压差信号放大装置、压差信号转换装置和压差信号处理装置组成；反应器壁面处的动态压差信号通过设置在反应器壁面的压差信号接收器进行采集，信号再进入压差信号放大装置进行信号的放大，然后进入压压差信号转换装置进行信号的A/D转换，最后进入压差信号处理装置进行处理和分析。

10.根据权利要求1所述的气液分散状态的检测方法，其特征在于，所述步骤2中预处理降噪的方法选用平滑、微分、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的一种或多种。