CN114450080A - 用于在尿素造粒过程中控制振动造粒桶的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在尿素熔体(UM)造粒中控制造粒桶的方法,该方法包括:将尿素熔体馈给到造粒桶(1),造粒桶在磁致伸缩装置(2)的作用下振动,其中,根据待造粒的尿素熔体的量通过以下步骤来控制桶的振动:获取随时间变化的输入信号(3),该输入信号表示馈给到造粒桶中的尿素熔体的流速;根据所述输入信号(3)彼此独立地生成第一信号(5)和第二信号(6);生成第三信号(10),该第三信号具有由所述第一信号调制的频率以及由所述第二信号调制的幅值,并且使用所述第三信号来驱动所述磁致伸缩装置(2)。
Description
技术领域
本发明涉及尿素的造粒,尤其涉及用于对尿素精加工中使用的造粒桶的控制。
背景技术
在尿素合成过程中,从氨和二氧化碳开始合成尿素。在大多数尿素设备中,尿素的水溶液是在尿素合成区段中生产的;然后将该溶液在一个或更多个回收区段中处理以去除未转化的物质(主要以氨基甲酸铵的形式),并且获得具有尽可能低的污染物和未转化的物质的尿素和水的溶液。
在用于生产固体尿素的精加工区段中,将水从这种纯化的尿素溶液中去除以形成高度浓缩的尿素熔体。
用于将尿素熔体转换成固体尿素的已知技术是造粒过程,其中,小滴的尿素熔体与冷却气体逆流的方式从造粒塔的顶部落下,并且固化的尿素滴收集在塔的底部。
这个过程的第一挑战是如何从尿素熔体的输入馈给中产生合适的尿素液滴。无论其生产技术如何,液滴在统计上将分散在平均尺寸周围,导致固体产品的尺寸在所期望的尺寸(例如2mm直径的颗粒)周围有一定分散。大的分散意味着相当一部分的固体产品可能超出可接受范围(因为颗粒太大或太小)。因此,需要产生具有尽可能低的分散的液滴流。理想地,具有相同尺寸的颗粒流被称为单分散流。
用于产生液滴的技术是将尿素熔体馈给至具有穿孔侧壁的快速旋转桶。所述桶安装在造粒塔的顶部上并且围绕竖直轴线旋转;因此,液体以小液滴的形式从穿孔侧壁喷射。在接近单分散流的努力中,已经发现沿着旋转轴线竖直地振动桶是有利的,因为振动有助于将液体射流(从快速旋转的带孔桶喷射的)破碎成小且均匀的液滴。
现有技术中描述了振动和旋转造粒桶。例如,EP 1624957公开了一种振动造粒桶,EP 2008709公开了一种改进,其中,仅使桶的侧壁振动以减小振动质量和相关的惯性应力。
振动造粒桶的更近发展是使用磁致伸缩装置作为振动发动机。磁致伸缩装置包括由于其磁化而改变其长度的磁致伸缩元件。通过施加适当的(在频率和幅值方面)随时间变化的电流,这个装置因此可以在限定的频率和振幅下传递机械振动。磁致伸缩发动机的使用似乎有望取代机械或气动振动器,这是由于磁致伸缩发动机对振动的极其精确的控制。
另一个挑战涉及对造粒桶的振动的控制。振动的频率和振幅应当根据可能经受变化或波动的尿素熔体的处理流速来调节。其中,尿素熔体流速可以变化,因为尿素的一部分被送到不同的用途,例如生产三聚氰胺或柴油机排气处理液(DEF),即用于催化还原NOx的尿素和水的溶液。
当前基于磁致伸缩的系统依赖于手动调节的磁致伸缩装置的电源。这种电源通常安装在靠近桶的造粒塔内,以使传输距离和相关的变形最小化。然而,这种局部手动控制不能适当地且及时地跟踪尿素熔体流速的变化或波动。未适当调整的振动导致液滴的更大分散。
发明内容
本发明旨在克服以上限制。特别地,本发明旨在解决如何根据桶本身中处理的尿素熔体的量来提供磁致伸缩振动造粒桶的振动的精确且连续控制的问题。
该目的通过根据权利要求1所述的用于在尿素熔体造粒过程中控制造粒桶的方法来实现。
在本发明的方法中,尿素熔体输入流被供给至振动造粒桶,并且所述桶的振动由磁致伸缩装置引起。桶的振动根据尿素熔体的所述输入流的速率通过以下步骤来控制:
获取随时间变化的输入信号,该随时间变化的输入信号表示供给至造粒桶的尿素熔体的随时间变化的流速;
根据所述输入信号彼此独立地生成第一信号和第二信号;
生成作为谐波的第三信号,第三信号具有由所述第一信号调制的频率和由所述第二信号调制的幅值,以及
使用所述第三信号来驱动所述磁致伸缩装置。
所述的生成所述第三信号可包括以下步骤:将第一信号馈给到函数发生器;所述函数发生器输出具有给定幅值的谐波信号和用第一信号调制的频率;将所述函数发生器的所述输出信号和第二信号被馈给至电压控制放大器(VCA),其中,利用所述第二信号调制来自所述函数发生器的信号的幅值(例如,电压),这产生所述VCA的输出信号,该输出信号构成上述第三信号。
该方法可包括在使用第三信号来驱动磁致伸缩装置之前放大第三信号。
术语幅值可无差别地涉及电流和/或电压。
术语谐波信号表示正弦信号。
在优选实施例中,第三信号是与电源或电力网连接的功率放大器的源信号,并且所述功率放大器输出驱动信号,该驱动信号是由上述第三信号的放大产生的。驱动信号驱动磁致伸缩装置。
在优选的应用中,振动桶的振动频率被控制在从0Hz向上直到1000Hz的范围内。因此,第三信号的频率在0Hz至1000Hz的相同范围内。更优选地,对于大多数尿素造粒应用而言,机械振动的频率以及因此所述第三信号的频率处于200Hz至1000Hz的范围内。
实际上,所述第三信号的频率给出了磁致伸缩装置的振动频率,并且因此给出了造粒桶的振动频率。优选地,所述第三信号的频率是在给定流速控制范围内的流速的递增函数。也就是说,流速越大,频率越大。在优选实施例中,频率与流速之间的关系是线性的或基本上线性的。术语基本上线性表示该关系在控制范围内偏离线性不超过20%。控制范围表示执行振动控制的从最小流速到最大流速的间隔。
机械振动的振幅(即,由磁致伸缩装置经受并传递至振动桶的位移)也可为流速的递增函数。然而,不管流速如何,可优选保持恒定或基本恒定的振动的振幅。因此,本发明的实施例包括:控制第三信号的幅值,使得赋予造粒桶的机械振动的振幅相对于流速是恒定的或基本上恒定的。
应注意,由于磁致伸缩装置的电阻抗的频率变化,机械振动的恒定振幅可不对应于第三信号的恒定幅值(就电压而言)。
第一信号和第二信号可以是给定范围内的模拟信号,例如从0V至5V。表示被引导至造粒桶的尿素熔体的瞬时流速的输入信号可以是常规的4mA至20mA信号。
本发明的方法有利地集成在尿素设备的分布式控制系统(DCS)中。具体地,尿素设备的DCS可以将流速的输入信号馈给至造粒桶流速,并且可用于提供上述第一信号和第二信号。通常,所述DCS还通过控制如压缩机、泵、阀等项目来控制尿素熔体的生产过程。
因此,当尿素设备包括造粒塔时,可以通过在尿素设备的DCS中实施该方法来实施本发明。
根据各种实施例,造粒桶的整个主体或仅其侧壁可在磁致伸缩装置的作用下振动。
本发明还涉及根据权利要求的用于控制振动造粒桶的系统。根据本发明的系统可以集成在用于控制尿素过程的系统中。例如,在实施例中,上述DCS还被配置为控制尿素熔体的生产过程。
本发明的另一个方面是一种用振动造粒桶进行尿素造粒的方法,其中,根据本发明的方法来控制桶的振动。
本发明还可应用于改进。在对尿素设备的造粒塔进行改进和现代化的背景下,根据本发明的控制系统可应用于现有的造粒桶。
本发明具有的优点在于,可以连续地控制造粒装置的振动以跟踪尿素熔体流动。该系统对流速的变化实时反应并且相应地调节振动的振幅和/或频率。由于这种更精确的控制,减少了由造粒桶喷射的尿素熔体的液滴的分散,这意味着更均匀且更有价值的固体产品。
附图说明
图1是本发明的实施例的方框示意图。
具体实施方式
图1是用于控制安装在尿素造粒塔(未示出)中的造粒桶1的振动的系统的示意图。
造粒桶1供给有尿素熔体UM。在使用中,由于磁致伸缩的致动器2,桶1绕轴线A旋转并且顺着所述轴线A振动,该轴线A是竖直轴线。
旋转速度通常设置为约150rpm至200rpm。旋转速度还可以根据尿素熔体UM的流速而变化。
磁致伸缩致动器2连接至造粒桶1,使得当致动器2通电时,致动器2的振动传递至所述桶1的振动部件。桶1的振动部分可包括穿孔侧表面14和可能的其他部件。
合适的磁致伸缩致动器可从美国爱荷华州(lowa)的TdVib有限责任公司获得。
合适的计量装置M测量尿素熔体UM的流速(例如,kg/s或m3/h)并且向DCS系统4提供信号3,信号3例如是4mA至20mA信号。所述DCS系统4可安装在尿素设备的控制室中的合适的硬件上,该尿素设备包括安装有桶1的上述尿素造粒塔。
DCS系统4输出第一模拟信号5和第二模拟信号6。第一模拟信号5和第二模拟信号6两者都是例如0V至5V。
第一信号5馈给到函数发生器(FGen)7,该函数发生器7输出谐波(即,正弦的)信号8,该谐波信号8具有恒定幅值(例如,1Vrms)和给定范围内的频率(例如,0kHz至1kHz),该谐波信号是根据馈给信号5调制的。
适合作为函数发生器7的装置例如是来自制造商Rohde&Schwarz的型号HMF2550。
现在描述的谐波信号8和来自DCS 4的第二信号6馈给到由方框9指示的电压控制放大器(VCA)。
所述VCA 9根据信号6对谐波信号8的幅值进行调制。因此,VCA 9的输出是谐波信号10,谐波信号10的频率取决于控制信号5,并且谐波信号10的幅值(例如,电压)取决于控制信号6。
VCA 9优选地可以包括来自美国That Corporation的芯片组THAT2162。
信号10是放大器和功率发生器11的源信号(例如,0Vrms至1Vrms),放大器和功率发生器11连接到合适的功率输入端12,例如连接到电力网(grid)。放大器和功率发生器11提供驱动信号13(例如,0Vrms至130Vrms),驱动信号13保持输入频率并且具有与信号10中的一个信号成比例的幅值。信号13驱动磁致伸缩装置2。
作为放大器和功率发生器11,可以使用来自Compact Power公司的型号Titan-Mac01。应注意,所述放大器及功率发生器11实际上传输驱动装置2所必需的功率。
本发明达到了以上提及的目的:根据尿素熔体UM的流速提供对振动的实时控制。磁致伸缩装置2的驱动信号是根据通过信号3获取的尿素熔体的流速连续调节的。
在使用中,桶1的机械振动的频率等于信号8、信号10和信号13的频率,在有实践意义的范围内(例如向上直到1000Hz)。
对于振动的目标振幅,应考虑系统的阻抗来计算信号的幅值。例如,给定机械振动的目标振幅,可通过求解跨系统的力学和电学的两个动力学方程的系统来计算信号13的对应幅值。
磁致伸缩致动器的有用模型被描述于:Braghin F、Cinquemani S、Resta F在第八届计算、通信和控制技术国际会议(CCCT 2010)上发表的:“用于主动振动控制的磁致伸缩致动器的线性模型(A Linear Model of Magnetostrodictive Actuators for ActiveVibration Control)”。
可替代地,信号13的幅值与振动的振幅之间的关系可以通过实验来定义。
以下是示例。造粒桶处理尿素熔体的介于15mtph(公吨/小时)至45mtph范围内的流速。振动的频率被控制在从最小流速下的大约400Hz到最大流速下的大约900Hz的范围内。频率随着流速几乎线性地增加。给予造粒桶的机械振动的振幅在10微米至15微米之间,并且相对于流速保持基本恒定。旋转速度还被控制在从低流速下的180rpm至最大流速下的200rpm的范围内。
Claims (14)
1.一种用于在尿素熔体造粒过程中控制造粒桶的方法,其中:
通过所述造粒桶处理尿素熔体的输入流(UM);
所述造粒桶围绕竖直轴线旋转,并且沿着所述轴线振动;
由磁致伸缩装置(2)引起所述桶的振动,
其中,所述方法包括根据所述输入流(UM)的速率通过以下步骤来控制所述桶的振动:
获取随时间变化的输入信号(3),所述输入信号(3)表示供给至所述造粒桶的尿素熔体的随时间变化的流速;
根据所述输入信号(3)彼此独立地生成第一信号(5)和第二信号(6);
生成作为谐波信号的第三信号(10),所述第三信号(10)具有由所述第一信号调制的频率和由所述第二信号调制的幅值,以及
使用所述第三信号来驱动所述磁致伸缩装置(2)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述的生成所述第三信号包括:将所述第一信号(5)发送至函数发生器(7);所述函数发生器(7)输出具有给定幅值的谐波信号(8)以及用所述第一信号(5)调制的频率;将所述函数发生器的所述输出信号(8)和所述第二信号(6)馈给至电压控制放大器(9),其中,利用所述第二信号调制来自所述函数发生器的所述信号(8)的幅值,使得所述放大器(9)输出所述第三信号(10)。
3.根据权利要求2所述的方法,包括在所述第三信号(10)用于驱动所述磁致伸缩装置之前对所述第三信号进行放大。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述第三信号(10)是连接至电源或电力网的功率放大器(11)的源信号,并且所述功率放大器输出所述磁致伸缩装置的驱动信号(13)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述第三信号的频率在向上直到1000Hz的范围内,并且优选在200Hz至1000Hz的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述第三信号的频率,以及因此所述造粒桶的振动频率,在所述流速的控制范围内是所述流速的递增函数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,控制所述第三信号的幅值,使得给予所述造粒桶的机械振动的振幅相对于所述流速是恒定的或基本上恒定的,并且优选地在10微米至15微米之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,通过分布式控制系统(DCS)生成所述第一信号和所述第二信号。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述DCS还控制产生所述尿素熔体的过程。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,仅所述造粒桶的侧壁振动。
11.一种用于控制尿素设备的尿素精加工区段的造粒塔中的振动造粒桶的系统,所述系统被配置为执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
12.根据权利要求11所述的系统,其中,所述造粒桶包括致动器,所述致动器优选地为磁致伸缩式的,并且所述系统包括:
DCS,所述DCS布置成接收所述尿素熔体的流速的输入信号,所述尿素熔体供给至所述造粒桶,并且所述DCS配置成输出第一信号和第二信号;
函数发生器,所述函数发生器被馈给来自所述DCS的所述第一信号,并输出具有给定的幅值的信号和用所述第一信号调制的频率;
VCA,所述VCA配置为用所述第二信号调制所述函数发生器的输出,从而获得第三信号;
功率放大器,所述功率放大器连接至电源或电力网,所述功率放大器放大所述第三信号以获得用于所述造粒桶的所述致动器的驱动信号。
13.根据权利要求12所述的系统,其中,所述DCS还被配置为控制所述尿素熔体的生产过程。
14.一种使用造粒桶进行尿素造粒的方法,所述方法包括:
将尿素熔体的输入流(UM)供给至所述造粒桶;
围绕竖直轴线旋转所述造粒桶,并且沿着所述轴线振动所述造粒桶;
其中,由磁致伸缩装置(2)引起所述桶的振动,
根据所述输入流(UM)的速率通过以下步骤来控制所述桶的振动:
获取随时间变化的输入信号(3),所述输入信号(3)表示供给至所述造粒桶的尿素熔体的随时间变化的流速;
根据所述输入信号(3)彼此独立地生成第一信号(5)和第二信号(6);
生成作为谐波信号的第三信号(10),所述第三信号(10)具有由所述第一信号调制的频率和由所述第二信号调制的幅值,以及
使用所述第三信号来驱动所述磁致伸缩装置(2)。
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