CN111623896B

CN111623896B - 一种超临界水在线流动测试装置

Info

Publication number: CN111623896B
Application number: CN202010445430.XA
Authority: CN
Inventors: 王树众; 张熠姝; 贺超; 李建娜; 杨健乔
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-05-24
Filing date: 2020-05-24
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2040-05-24
Also published as: CN111623896A

Abstract

一种超临界水在线流动测试装置，包括装置主体和实时在线取样系统，装置主体包括测试管段，测试管段前段外部周向布置有多个电加热器，后段外部周向布置有冷却水套，测试管段上设置有若干热电偶和若干取压口，热电偶至少包括测试管壁温度的热电偶一，测试管壁处流体温度的热电偶二以及测试管内轴心处流体温度的热电偶三；实时在线取样系统包括穿入测试管段内的若干取样探针，取样探针至少包括与热电偶一对向布置以对近壁处的流体取样的取样探针一和与热电偶三对向布置以对管内轴心处的流体取样的取样探针二，每个取样探针连接有独立的取样瓶。本发明能够直观掌握材料腐蚀产物和无机盐结晶颗粒微观特性，流体温度场、压力场和浓度场的分布规律。

Description

一种超临界水在线流动测试装置

技术领域

本发明涉及能源、环境及化工技术领域，特别涉及一种超临界水在线流动测试装置。

背景技术

超临界水氧化处理范围广泛，几乎含有机物的废弃物都可以采用这一技术来处理。该技术在酚类化合物、多氯联苯有机物、农药及燃料中间体苯胺、污泥处理和人类代谢物等污染物的处理方面均有极佳的效果。不管是从环境的可持续发展角度来讲，还是从工业发展的角度来看，超临界水氧化技术都是一项很有前景的绿色环保新技术。

超临界水氧化处理技术具有以下独特优势：

1、反应速度极快，去除率高。在超临界水氧化过程中，有机物、空气（或氧）在超临界水中均能互溶，相间界面消失，扩散系数是普通液态水的10倍~100倍，传热传质速率高，因此反应速率极快，在很短的停留时间(几秒至几分钟)内，大多数有机物的去除率可高达99.99%以上。

2、无二次污染。碳氢化合物最终可被氧化成为CO₂和H₂O，有机废物中的氮被氧化成为N₂及N₂O等物质；杂原子，如硫、氯、磷等则分别转化为相应的无机酸（如硫酸根、盐酸根和磷酸根），与碱液中和后成为相应的无机盐；阳离子形成氧化物或者与酸根离子结合生成无机盐。不产生任何污染气体、彻底降解去除有毒废物和病原体达到无害化处理的要求。一些学者已经研究证实了包括二噁英、多氯联苯、氰化物、酚类等一系列毒性物质在超临界水中氧化降解的可能性。

3、能耗低。当废水中有机物质量分数大于2～5%时，即可以依靠反应过程中释放的反应热来维持反应所需的热量平衡，无需外部热源或者燃料；废水中有机物含量更高时，还可以向系统外提供热量。

4、产物易分离、回收。无机盐、金属氧化物在超临界水中的溶解度很低，在超临界水氧化处理有机废弃物时，无机盐、金属氧化物往往以晶体形式析出，容易以固体的形式被分离出来，并可以回收利用。反应产物经降温降压后，可直接回收CO₂并出售，低成本地实现CO₂的捕集的同时获得一定的经济效益。

但是该技术是在高温，高压，高氧浓度氧的环境中进行的，这种苛刻的条件很容易对设备带来腐蚀并且在设备中形成盐沉淀。腐蚀不仅会降低设备的寿命，还使反应产物中含有某些金属离子(如铬等)影响了超临界水氧化技术的处理效果。沉积下来的固体盐类形成团聚物覆盖在设备表面轻者会降低换热率、增加系统压力，严重时还会引起反应器和系统管路的堵塞，造成超临界水氧化系统无法正常运行，此外，团聚物覆盖下的壁面上还常常会发生严重的腐蚀。因此为了能使这一工艺经济实用，就要解决腐蚀和盐沉积等瓶颈问题。

但是现有的抑制腐蚀和解决盐沉积的方法均存在各自的不足，没有一种结构设计或操作技术具有显著的优势，主要是因为无法准确获得超临界水系统运行过程中流体的流动信息。目前，连续流动的超临界水系统具有以下3点不足：（1）仅能在系统的出口收集样品进行检测分析，从而只能获得系统最终状态下流体中有机物浓度、盐浓度等信息，装置运行过程中有机物浓度和成分、无机盐离子浓度和成分等的变化无从得知；（2）一般直采用壁面测温的方式检测管道轴向的温度，只能反映出温度场在轴向的分布，而无法得知流动状态下流体在周向的分布，这与系统中的反应、腐蚀及盐沉积过程息息相关；（3）一般测试管段不进行样品收集，或者样品收集的载体通常是一次性的，造成严重的金属材料的浪费。

发明内容

为了解决无法准确获得超临界水系统运行过程中流体流动信息的问题，本发明的目的在于提供一种超临界水在线流动测试装置，通过实时在线取样系统的设计，实现反应过程中对轴向和周向流体浓度场分布的实时测试和分析；通过可拆卸试样条的设置，实现反应过程中腐蚀产物和无机盐结晶沉积产物的捕捉和收集，便于后期取样进行测试分析；通过电加热器和冷却水套的设置，形成不同温度的热/冷壁面条件，从而影响流体的腐蚀和盐结晶沉积特性；通过不同位置和长度的热电偶设置，可实现对超临界水流动过程中流体在轴向和周向的温度场分布规律的在线测试；通过多点取压口的设置，可实时检测不同管段在超临界水系统运行过程中的压差变化，从而便于判断管道堵塞的情况。本发明能够直观的掌握材料腐蚀产物和无机盐结晶颗粒的微观特性，流体温度场、压力场和浓度场的分布规律，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超临界水在线流动测试装置，包括流动测试装置主体和实时在线取样系统，其中：

流动测试装置主体包括测试管段11，测试管段11前段外部周向布置有多个电加热器，后段外部周向布置有冷却水套13，测试管段11上设置有若干热电偶和若干取压口，所述热电偶至少包括测试管壁温度的热电偶一8，测试管壁处流体温度的热电偶二9以及测试管内轴心处流体温度的热电偶三10；

实时在线取样系统包括穿入测试管段11内的若干取样探针，所述取样探针至少包括与热电偶一8对向布置以对近壁处的流体取样的取样探针一18和与热电偶三10对向布置以对管内轴心处的流体取样的取样探针二19，每个取样探针连接有独立的取样瓶25。

优选地，所述测试管段11前端外壁设置有高压法兰一2，后端外壁设置有高压法兰二16，测试管段11前端通过紧固螺栓一1、高压法兰一2、密封垫圈一3与前部管件连接，测试管段11后端通过紧固螺栓二17、高压法兰二16、密封垫圈二15与后部管件连接。

优选地，所述测试管段11内部嵌套有内衬套管20，内衬套管20内嵌有若干轴向的可拆卸的试样条29。

优选地，所述内衬套管20内表面有里宽外窄截面为梯形的试样槽28，试样条29嵌入在试样槽28内部。

优选地，所述电加热器有四个，自前向后依次为电加热器一4、电加热器二5、电加热器三6和电加热器四7，在相邻电加热器之间以及电加热器一4前侧和电加热器四7后侧，均至少设置有一组热电偶和取样探针。

优选地，所述热电偶包括三类不同的热电偶一8、热电偶二9和热电偶三10，热电偶一8有五个，分别位于电加热器一4前侧、电加热器一4后侧、电加热器二5后侧、电加热器三6后侧、电加热器四7后侧；热电偶二9有五个，分别位于电加热器一4前侧、电加热器一4后侧、电加热器二5后侧、电加热器三6后侧、电加热器四7后侧；热电偶三10有两个，分别位于电加热器二5后侧、电加热器四7后侧。

优选地，所述取压口至少包括设置于电加热器二5和电加热器三6之间的取压口一N2，设置于电加热器四7之后并靠近其尾端的取压口二N3，设置于冷却水套13之前并靠近其前端的取压口三N4，设置于冷却水套13之后并靠近其尾端的取压口四N6。

优选地，与取压口三N4对向布置有热电偶四12，与取压口四N6对向布置有热电偶五14。

优选地，所述冷却水套13位于测试管段11后部，冷却水入口N1位于冷却水套13后部上端，冷却水出口N5位于冷却水套13前部下端。

优选地，所述取样探针通过带有取样阀22的取样管线21接取样瓶25，取样瓶25顶端连接带气相阀23的气相管线24，底端连接带液相阀26的液相管线27。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）试样条可拆卸替换，测试管段设置有四组电加热器和冷却水套，通过调节电加热器功率和冷却水流量使试样条不同部位具有不同温度，因此可以获得不同壁面温度下超临界水氧化反应的腐蚀和盐结晶沉积特性，通过替换不同材料的试样条，可以通过对内衬套壁面样品的测试分析得到不同材料的超临界水氧化的腐蚀和盐结晶沉积特性，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

（2）四组电加热器前后分别设置有一组取样系统，每组取样系统设置两个取样探针，分别对管壁处流体和管道轴心处流体进行取样，取样系统分别设置有取样阀、气相阀、液相阀可以在线实时控制取样，可得到管道内流体周向和轴向的浓度场分布，进而实现流体性质的在线实时测试。

（3）在四组电加热器前后分别设置有热电偶，可以测试管壁温度、贴近管壁的流体温度和管内流体轴心处温度，通过热电偶和取压口的设置，可实现对反应过程中温度场和压力场的实时测试和分析，从而便于判断氧化反应放热及管道堵塞的情况。

附图说明

图1为本发明的一种超临界水在线流动测试装置示意图。

图2为本发明的试样条装配示意图（径向截面）。

图3为本发明的试样条装配示意图（轴向截面）。

其中：1为紧固螺栓一；2为高压法兰一；3为密封垫圈一；4为电加热器一；5为电加热器二；6为电加热器三；7为电加热器四；8为热电偶一；9为热电偶二；10为热电偶三；11为测试管段；12为热电偶四；13为冷却水套；14为热电偶五；15为密封垫圈二；16为高压法兰二；17为紧固螺栓二；18为取样探针一；19为取样探针二；20为内衬套管；21为取样管线；22为取样阀；23为气相阀；24为气相管线；25为取样瓶；26为液相阀；27为液相管线；28为试样槽；29为试样条；N1为冷却水入口；N2为取压口一；N3为取压口二；N4为取压口三；N5为冷却水出口；N6为取压口四。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、图2和图3，一种超临界水在线流动测试装置，包括流动测试装置主体和实时在线取样系统两大部分，其中：

流动测试装置主体包括测试管段11，测试管段11前段外部周向布置有多个电加热器，本实施例中，电加热器有四个，自前向后依次为电加热器一4、电加热器二5、电加热器三6和电加热器四7。

测试管段11上设置至少三类不同的热电偶一8、热电偶二9和热电偶三10，热电偶一8测试管壁温度，有五个，分别位于电加热器一4前侧、电加热器一4后侧、电加热器二5后侧、电加热器三6后侧、电加热器四7后侧；热电偶二9测试管壁处流体温度，有五个，分别位于电加热器一4前侧、电加热器一4后侧、电加热器二5后侧、电加热器三6后侧、电加热器四7后侧；热电偶三10测试管内轴心处流体温度，有两个，分别位于电加热器二5后侧、电加热器四7后侧。

测试管段11后段外部周向布置有冷却水套13，冷却水入口N1位于冷却水套13后部上端，冷却水出口N5位于冷却水套13前部下端。

测试管段11上在电加热器二5和电加热器三6之间设置取压口一N2，在电加热器四7之后并靠近其尾端设置取压口二N3，在冷却水套13之前并靠近其前端设置取压口三N4，在冷却水套13之后并靠近其尾端设置取压口四N6。并与取压口三N4对向布置热电偶四12，与取压口四N6对向布置热电偶五14。

实时在线取样系统包括穿入测试管段11内的若干取样探针，取样探针至少包括与热电偶一8对向布置以对近壁处的流体取样的取样探针一18和与热电偶三10对向布置以对管内轴心处的流体取样的取样探针二19，每个取样探针连接有独立的取样瓶25，取样探针通过带有取样阀22的取样管线21接取样瓶25，取样瓶25顶端连接带气相阀23的气相管线24，底端连接带液相阀26的液相管线27。

在机械连接方面，测试管段11前端外壁设置有高压法兰一2，后端外壁设置有高压法兰二16，测试管段11前端通过紧固螺栓一1、高压法兰一2、密封垫圈一3与前部管件连接，测试管段11后端通过紧固螺栓二17、高压法兰二16、密封垫圈二15与后部管件连接。

综上所述，本发明工作原理如下：

超临界水氧化反应过程中，反应流体流过测试管段11的过程中通过电加热器一4、电加热器二5、电加热器三6和电加热器四7对流体进行加热或维持恒定温度，通过冷却水套13对流体进行降温，因此流体温度和壁面温度在测试管段11不同部位可进行调节，通过热电偶一8、热电偶二9、热电偶三10、热电偶四12和热电偶五14可得到管道内流体轴向和周向的温度分布，通过取压口一N2、取压口二N3、取压口三N4和取压口四N6可得到不同部位流体压力分布，通过取样探针一18与取样探针二19可得到轴向和周向的流体浓度分布，实现流体温度场、压力场和浓度场的实时在线测试。

由此，本发明能够直观的掌握材料腐蚀产物和无机盐结晶颗粒的微观特性，流体温度场、压力场和浓度场的分布规律，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

在本发明的优选方式中，测试管段11内部嵌套有内衬套管20，内衬套管20内表面有里宽外窄截面为梯形的轴向的试样槽28，试样槽28内部嵌入可拆卸的试样条29，试样条29可有多个，周向均布。试样条29嵌入在内衬套管内部，主要作用是用来收集腐蚀产物和无机盐的沉积物，通过可拆卸设计，可将样品取出并进行分析。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种超临界水在线流动测试装置，其特征在于，包括流动测试装置主体和实时在线取样系统，其中：

流动测试装置主体包括测试管段（11），测试管段（11）前段外部周向布置有多个电加热器，后段外部周向布置有冷却水套（13），测试管段（11）上设置有若干热电偶和若干取压口，所述热电偶至少包括测试管壁温度的热电偶一（8），测试管壁处流体温度的热电偶二（9）以及测试管内轴心处流体温度的热电偶三（10），所述测试管段（11）内部嵌套有内衬套管（20），内衬套管（20）内嵌有若干轴向的可拆卸的试样条（29），所述内衬套管（20）内表面有里宽外窄截面为梯形的试样槽（28），试样条（29）嵌入在试样槽（28）内部；

实时在线取样系统包括穿入测试管段（11）内的若干取样探针，所述取样探针至少包括与热电偶一（8）对向布置以对近壁处的流体取样的取样探针一（18）和与热电偶三（10）对向布置以对管内轴心处的流体取样的取样探针二（19），每个取样探针连接有独立的取样瓶（25）。

2.根据权利要求1所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述测试管段（11）前端外壁设置有高压法兰一（2），后端外壁设置有高压法兰二（16），测试管段（11）前端通过紧固螺栓一（1）、高压法兰一（2）、密封垫圈一（3）与前部管件连接，测试管段（11）后端通过紧固螺栓二（17）、高压法兰二（16）、密封垫圈二（15）与后部管件连接。

3.根据权利要求1所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述电加热器有四个，自前向后依次为电加热器一（4）、电加热器二（5）、电加热器三（6）和电加热器四（7），在相邻电加热器之间以及电加热器一（4）前侧和电加热器四（7）后侧，均至少设置有一组热电偶和取样探针。

4.根据权利要求3所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述热电偶包括三类不同的热电偶一（8）、热电偶二（9）和热电偶三（10），热电偶一（8）有五个，分别位于电加热器一（4）前侧、电加热器一（4）后侧、电加热器二（5）后侧、电加热器三（6）后侧、电加热器四（7）后侧；热电偶二（9）有五个，分别位于电加热器一（4）前侧、电加热器一（4）后侧、电加热器二（5）后侧、电加热器三（6）后侧、电加热器四（7）后侧；热电偶三（10）有两个，分别位于电加热器二（5）后侧、电加热器四（7）后侧。

5.根据权利要求3或4所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述取压口至少包括设置于电加热器二（5）和电加热器三（6）之间的取压口一（N2），设置于电加热器四（7）之后并靠近其尾端的取压口二（N3），设置于冷却水套（13）之前并靠近其前端的取压口三（N4），设置于冷却水套（13）之后并靠近其尾端的取压口四（N6）。

6.根据权利要求5所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，与取压口三（N4）对向布置有热电偶四（12），与取压口四（N6）对向布置有热电偶五（14）。

7.根据权利要求1所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述冷却水套（13）位于测试管段（11）后部，冷却水入口（N1）位于冷却水套（13）后部上端，冷却水出口（N5）位于冷却水套（13）前部下端。

8.根据权利要求1所述超临界水在线流动测试装置，其特征在于，所述取样探针通过带有取样阀（22）的取样管线（21）接取样瓶（25），取样瓶（25）顶端连接带气相阀（23）的气相管线（24），底端连接带液相阀（26）的液相管线（27）。