CN117782264A - 一种确定两相界面的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定两相界面位置的技术领域，更具体地涉及一种确定两相界面的方法及其装置。通过读取和记录原位在线折光仪测量并显示的折射率数值，确定液体分离罐中两个不同相液体之间界面所在位置。本发明提供的确定两相界面的装置结构简单明了，无需对液体分离罐做很大改进，安装过程简单，仅需将光源固定于光源的顶部或底部，并确保光源和检测部件能够正确地对准待测液体，检测部件的轴位于水平方向，来被插入到所述液体分离罐的不同液位处即可。通过这种原理，在线折光仪可以实时在线测量液体的折射率，从而得到液体的液位信息。这种测量方式具有快速、准确、连续的特点，对于需要实时监控液体位置的场合非常适用。

Description

一种确定两相界面的方法及其装置

技术领域

本发明涉及确定两相界面位置的技术领域，更具体地涉及一种确定两相界面的方法及其装置。

背景技术

在化工、石油、食品等多个领域，常常需要处理不同相(如液相、气相、固相)之间的界面问题。对于两相界面位置的准确确定，一直是实际生产和研究中的重要问题。例如，在石油开采中，油水两相的界面位置对开采效率、分离效果等有重要影响。在食品加工中，不同液体的界面位置也直接影响产品的质量和口感。

基于密度的浮球界位计，是一种常见的液位测量仪器，它的工作原理是利用浮力原理和杠杆原理来测量液位高度和区分两相界面。浮球界位计通常由浮球、杠杆、指示器和支架等部分组成。当用于测量液位高度时，浮球界位计的浮球是由密度小于被测液体的材料制成，当液位上升时，浮球会随着液位上升，浮球的位置会随之改变(请参照附图1)。浮球的位置改变会通过杠杆传递到指示器，从而显示液位的高度。

化工单元操作中为了区分两相界面或分离两液相，通常也都采用基于密度的浮球界位计。浮球的密度介于下层液相密度和上层液相密度之间，它浮在下层液相上，比如水和环己烷的两相分离，常温下水的密度为1.0g/cm³,环己烷的密度为0.78g/cm³。可采用浮球密度是0.89g/cm³左右的浮球界位计，基于浮力原理，浮球能浮在水和环己烷的两相界位上，化工操作过程中就可以通过界位操作的液相排出控制阀来分离第一和第二液相。

然而，上述浮球界位计有时在两液相的分离中却不能奏效。某些特殊物料，两液相的密度比较相近，相差无几，比如丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和水，常温下丙二醇甲醚醋酸酯PMA的密度为0.97g/cm³，和常温下水的密度相差仅0.03g/cm³。如果采用浮球密度为0.985g/cm³的浮球界位计，虽然与丙二醇甲醚醋酸酯PMA和水的密度差都为0.015g/cm³，也不能保证该界位计能正常工作。因为在化工操作过程中，温度经常会发生变化，有时温度较高，有时温度较低。例如水在常温下密度为1.0g/cm³，但是在80℃时，水的密度就降至0.97g/cm³了，此时浮球密度为0.985g/cm³的浮球界位计浮球就会沉到水底，导致生产事故。

显然，在温度变化情况下，基于密度的浮球界位计在两液相界面区分和分离两液相的运行方面存在着技术瓶颈。并且，现有的确定两相界面位置的方法，如使用浮力、界面张力等物理参数进行估算，或者通过取样后实验室测量，都存在一定的误差和使用不便。因此，急需一种能在现场实时、在线、准确测量两相界面位置的方法及装置。

发明内容

为此，需要提供一种确定两相界面的方法及其装置，以突破基于密度的浮球界位计在温度变化引起的两液相界面区分和分离两液相的运行方面存在的技术瓶颈，同时提供一种新型简单的界位装置，以满足化工操作单元实时、在线、准确地确定两相界面位置的需求。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种确定两相界面的方法，包括如下步骤：

在液体分离罐上等距离液面间隔设置多个原位在线折光仪，所述原位在线折光仪用于测量和显示其在所述液体分离罐内对应液位的光折射率数值；

使待确定两相界面液体的温度和状态保持稳定，读取和记录各所述原位在线折光仪上的光折射率数值；

根据读取和记录下的所述光折射率数值，查找所述光折射率数值不同的相邻两个原位在线折光仪；

确定所述待确定两相界面位于所述光折射率数值不同相邻两个原位在线折光仪之间。

根据一些优选的实施方案，所述多个原位在线折光仪为6-12个。很容易理解，由于需要依据相邻两原位在线折光仪上读取的折射率数值来确定两相界面，原位在线折光仪的数量越多，则布设的原位在线折光仪之间间隔就越密，越能获得精确界面位置。

在一些优选的实施方案中，所述方法还包括确定位于上层的液体最高液位的步骤。根据一些特殊的实际需要，随着液体分离罐中存储状态的变化，位于上层的液体最高液位也会随之发生动态改变。依据位于液体分离罐较上层两个不同原位在线折光仪上的折射率数值，可以判定液体分离罐上部气相层和上部液相层之间的界面，也需要读取和记录液体最高液位的数值，据此进行下一步的操作指导。

根据一些优选的实施方案，所述等距离液面间隔为5-10cm，根据实际需要选择合适的间隔。当然，等距离液面间隔数值越小就意味着要布设的原位在线折光仪之间的间隔就越密，需要设置的原位在线折光仪的数量越多，越能获得精确界面位置。

第二方面，本发明提供了一种确定两相界面的装置，应用于本发明第一方面所述确定两相界面的方法，包括：

液体分离罐，用于盛放待确定不同相界面的液体；

多个原位在线折光仪，各个所述原位在线折光仪包括检测部件，多个所述检测部件连接至所述液体分离罐的不同液位处；

第一控制阀门，用于控制第一液相流出所述液体分离罐；

和第二控制阀门，用于控制第二液相流出所述液体分离罐。

本发明所述的原位在线折光仪为市面上常见的在线折光仪，常用在环保、农业、再生能源、生物技术等领域起到对物质浓度进行实时监测的作用。

根据一些优选的实施方案，该确定两相界面的装置还包括PLC控制系统，所述原位在线折光仪、第一控制阀门和第二控制阀门均与所述PLC控制系统电连接，以便实现精确的控制和数据采集。由于原位在线折光仪是直接连接在液体分离罐体上，通过PLC控制系统可以实时采集每个液位对应位置的折射率数值，并对应显示于PLC控制系统面板上。并且，第一控制阀门和第二控制阀门与PLC控制系统电连接，通过升级PLC控制系统的操控功能模块，能够实现智能化控制第一液相和/或第二液相的流出量、流出速度等。

在本发明一些优选的实施方案中，所述检测部件的轴位于水平方向，来被插入到所述液体分离罐的不同液位处。原位在线折光仪的检测部件包括光源、光学窗口、光纤、棱镜、CCD板、CCD传感器等，以特定结构组成一个具有检测功能的整体，通过插入、旋入或卡接方式连接至液体分离罐的侧壁的预设位置，用于检测并输出该位置液相对应的折射率数值。因此，检测部件的轴位于水平方向，能够确保对应的液相液位数值准确。

在本发明一些优选的实施方案中，所述检测部件中包含蓝宝石或矿物材料的光学窗口，和温度检测器。如此，检测部件才能获得更加稳定的光学性能，保证光束的传输。更进一步地，由于蓝宝石具有耐腐蚀的性能，在监测或分析具有腐蚀性的液相时，其适用面更广。另外，高硬度、耐磨也增强了检测部件的使用有效性和寿命。

在本发明一些优选的实施方案中，各个所述原位在线折光仪按照预设距离液位间隔连接至所述液体分离罐的不同液位处。如上所述，将各个原位在线折光仪通过插入、旋入或卡接方式连接至液体分离罐的侧壁的预设位置，该预设位置的液相因液体自身性质对特定光具有一定的折射率，通过原位在线折光仪采集每个预设位置液相折射率，经比较很容易确定液体两相界面位置。

依靠上述方法确定的液体两相界面位置范围的大小和精确度与预设距离液位间隔密切相关。预设距离液位间隔越小，测得的液体两相界面位置越精准，相应地，原位在线折光仪布设得就越密集。考虑到原位在线折光仪自身具有的体积，在本发明一些优选的实施方案中，所述预设距离液位间隔为5-10cm。

折光仪是一种用来测量物质的折射率的仪器，其工作原理基于光的折射现象和斯涅尔定律。通过测量光线在不同介质中的折射角和入射角，可以确定物质的折射率。当光从一种介质传播到另一种介质中时，由于介质的光密度的不同，光线会发生折射现象。折射现象是指光线在通过两个介质的交界面时改变传播方向的现象。这种现象是由于光的传播速度在不同介质中不同而引起的。斯涅尔定律是描述光在两种介质间传播时折射规律的定律。斯涅尔定律表明，光线在通过两个介质的交界面时，入射角、折射角和两个个质的折射率之间存在一个关系，即:

n₁*sin(θ₁)＝n₂*sin(θ₂)

其中，n₁和n₂分别是两个介质的折射率，θ₁和θ₂分别是入射角和折射角。折光仪通常由光源、准直装置、测量装置、度盘、测量螺旋和目镜等组成。光源一般采用白炽灯或者灯，通过准直装置使光线变得平行。测量装置包括两个半透明平行平面，中间有一个可调节的夹角。度盘用于测量夹角的大小，测量螺旋用于调节夹角的大小。目镜用于观察光线的折射现象。随着技术的发展，原位在线折光仪应运而生。

本发明中采用维萨拉(北京)测量技术有限公司出品的维萨拉Polaris^TMPR53GP，该在线折光仪的主要部件包括光源、光纤、检测器和计算机。当光源发出的光线经过光纤传输到检测器处时，检测器会测量光线的传播速度和方向，并将这些数据传输到计算机中进行处理。计算机根据斯涅尔定律计算出液体的折射率，并将结果显示在屏幕上。将其直接安装在液体分离罐，无需将待测液体取样滴入，基于斯涅尔定律，在线折光仪可以实时在线测量液体的折射率，从而得到液体的密度信息。这种测量方式具有快速、准确、连续的特点，对于需要实时监控液体液面位置的场合非常适用，可进行生产线在线实时监测样品折射率。更重要的是，上述技术方案由于采用基于光的折射现象和斯涅尔定律的在线折光仪，不会受限于两种相邻界面的不同相液体密度是否相近，因此顺利地打破原来采用浮球液位计来确定两液相界面的传统做法，大大便利了化工单元操作技术人员确定两相界面和特定的分离提取操作。

区别于现有技术，上述技术方案通过读取和记录原位在线折光仪测量并显示的折射率数值，确定液体分离罐中两个不同相液体之间界面所在位置。进一步地，通过确定的不同相液体界面所在位置，根据实际需要开启第一控制阀门或第二控制阀门分离提取其中某一液相。该方法简单易行、实时准确地提供两相界面位置，不因温度变化引发两相密度变化或者两相密度相近导致浮球界位计沉底失效。

本发明提供的确定两相界面的装置结构简单明了，无需对液体分离罐做很大改进，安装过程简单，仅需将在线折光仪的检测部件通过插入、旋入或卡接的方式连接至液体分离罐侧壁，并确保光源和检测部件能够正确地对准待测液体即可。原位在线折光仪的主要部件包含光源、光纤、检测器和计算机。当光源发出的光线经过光纤传输到检测器处时，检测器会测量光线的传播速度和方向，并将这些数据传输到计算机中进行处理。计算机根据斯涅尔定律计算出液体的折射率，并将结果显示在屏幕上。

通过这种原理，在线折光仪可以实时在线测量液体的折射率，从而得到液体的液位信息。这种测量方式具有快速、准确、连续的特点，对于需要实时监控液体位置的场合非常适用。

上述发明内容相关记载仅是本申请技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本申请的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本申请的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本申请的具体实施方式及附图进行说明。

附图说明

图1为现有技术中常用于确定和分离两液相的浮球界位计运行状态示意图；

图2为本发明中用于确定液体两相界面装置的结构示意图；

图3为本发明中用于确定液体两相界面的装置及其运行状态示意图；

图4为图3中A处放大示意图；

图5为本发明确定两相界面方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、液体分离罐；2、原位在线折光仪；3、第一控制阀门；4、第二控制阀门；5、PLC控制系统；6、光学窗口；7、温度检测器。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本申请中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。

除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本申请。

在本申请的描述中，用语“和/或”是一种用于描述对象之间逻辑关系的表述，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，表示：存在A，存在B，以及同时存在A和B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的逻辑关系。

在本申请中，诸如“第一”和“第二”之类的用语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的数量、主次或顺序等关系。

在没有更多限制的情况下，在本申请中，语句中所使用的“包括”、“包含”、“具有”或者其他类似的表述，意在涵盖非排他性的包含，这些表述并不排除在包括所述要素的过程、方法或者产品中还可以存在另外的要素，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者产品中不仅可以包括那些限定的要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法或者产品所固有的要素。

与《专利审查指南》中的理解相同，在本申请中，“大于”、“小于”、“超过”等表述理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等表述理解为包括本数。此外，在本申请实施例的描述中“多个”的含义是两个以上(包括两个)，与之类似的与“多”相关的表述亦做此类理解，例如“多组”、“多次”等，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，所使用的与空间相关的表述，诸如“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等，所指示的方位或位置关系是基于具体实施例或附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请的具体实施例或便于读者理解，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的位置、特定的方位、或以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

除非另有明确的规定或限定，在本申请实施例的描述中，所使用的“安装”“相连”“连接”“固定”“设置”等用语应做广义理解。例如，所述“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体设置；其可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；其可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；其可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本申请所属技术领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述用语在本申请实施例中的具体含义。

如图2所示，本发明的确定两相界面的装置包括液体分离罐1、原位在线折光仪2、第一控制阀门3和第二控制阀门4。液体分离罐1用于盛放待确定不同相界的液体。原位在线折光仪2用于测量和显示其在液体分离罐1内对应液位的光折射率数值。多个原位在线折光仪2等距离液面间隔设置在液体分离罐1上。第一控制阀门3和第二控制阀门4用于控制不同液相的流出。PLC控制系统5用于控制和采集数据。检测部件的轴位于水平方向，以便于插入到液体分离罐的不同液位处。请参阅图4所示，其为图3中A的放大图。该图显示出在线折光仪伸入到液体分离罐中的检测部件中包含蓝宝石或矿物材料的光学窗口6以及温度检测器7以实现更准确的折射率测量和温度测量。同时，检测部件中还包含常规的光源、光纤、棱镜、CCD板和CCD传感器等与光学窗口、温度传感器构成检测部件整体。通过插入、旋入或卡接方式连接至液体分离罐的侧壁的预设位置，用于检测并输出该位置液相对应的折射率数值。因此，检测部件的轴位于水平方向，能够确保对应的液相液位数值准确。折光仪按照预设距离液位间隔连接至液体分离罐的不同液位处。依靠上述方法确定的液体两相界面位置范围的大小和精确度与预设距离液位间隔密切相关。预设距离液位间隔越小，测得的液体两相界面位置越精准，相应地，原位在线折光仪布设得就越密集。考虑到原位在线折光仪自身具有的体积，预设距离液位间隔为5-10cm。

请参阅图5所示的本发明确定两相界面方法的流程示意图，本发明的确定两相界面的方法包括以下步骤：

请参阅图3，待确定两液相界面的液体分离罐中装有适量丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和水，由于两种液体性质不同，在液体分离罐中静置后自动分为两层，上层为丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)，下层为水。在液体分离罐上等距离液面间隔设置多个原位在线折光仪，通过插入、旋入或卡接方式将原位在线折光仪的检测部件连接至液体分离罐的罐体侧壁，罐体侧壁可预先开设透光孔。逐一调节和校准这些原位在线折光仪，使待确定两相界面液体的温度和状态保持稳定。读取和记录各原位在线折光仪上的温度和光折射率数值，如25℃时，丙二醇甲醚醋酸酯的折射率为1.399，水的折射率为1.333，根据读取和记录下的光折射率数值，可以查找到，在图3的左图中，从下往上数，第1-3个在线折光仪上的折射率数值均为1.333，第4-10个在线折光仪上的折射率数值均为1.399。因此，光折射率数值显示不同的相邻两个原位在线折光仪对应的液位(即第3和第4个在线折光仪检测部件所对应的液位)，即为丙二醇甲醚醋酸酯和水的两相界面所在位置。随着化工操作的进行，若液体分离罐内丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和水处于图3右图的状态，则在其所处温度状态下，二者液位稳定时，可以查找到对应从下往上数的第1-5个在线折光仪上的折射率数值均为1.333，而第6-10个在线折光仪上的折射率数值均为1.399，由此可以判定，此时此刻光折射率数值显示不同的相邻两个原位在线折光仪对应的液位(即第5和第6个在线折光仪检测部件所对应的液位)，即为丙二醇甲醚醋酸酯和水的两相界面所在位置。

利用原位在线折光仪可以按照以下步骤进行操作：

安装设备：将维萨拉Polaris^TMPR53GP在线折光仪安装在分离罐上，确保设备的安装位置能够准确地测量两相液体的折射率。根据设备的型号和设计，可能需要使用特定的安装支架或适配器。

启动设备：打开在线折光仪的电源，启动设备。设备可能会进行自检或初始化过程，以确保正常运行。

校准设备：根据设备的校准要求，对在线折光仪进行校准。这可能包括使用标准液体进行校准，或者使用设备附带的校准工具进行校准。

测量折射率：在两相液体界面稳定后，开始测量折射率。可以通过PLC系统的控制面板或连接的计算机来读取折射率数值。

查找分界面：根据折射率数值的变化，查找两相液体的分界面。通常，分界面的折射率会有明显的变化，从而可以确定界面的位置。

记录数据：将测量得到的折射率数据记录下来，包括不同时间点的数据。这些数据可以用于进一步的分析和处理。

关闭设备：在完成测量后，关闭在线折光仪的电源，结束操作。

当然，本发明的方法和装置也适用于确定互不相溶的液相和气相混合物界面。

本发明采用的在线折光仪和液体分离罐结合使用的装置和方法改变了原来采用浮球界位计利用密度差异对两相液位进行测定的做法，以介质本身固有的光折射率的不同来定位液面位置，不受密度相差大小的限制。在经常需要进行变温操作的化工原料送料和加料操作中，不会因温度改变导致两相密度相差太小而使浮球界位计沉底等问题或发生界面判定失效问题，大大提高了化工操作的便利性、有效性和准确性。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定两相界面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在液体分离罐上等距离液面间隔设置多个原位在线折光仪，所述原位在线折光仪用于测量和显示其在所述液体分离罐内对应液位的光折射率数值；

使待确定两相界面液体的温度和状态保持稳定，读取和记录各所述原位在线折光仪上的光折射率数值；

根据读取和记录下的所述光折射率数值，查找所述光折射率数值不同的相邻两个原位在线折光仪；

确定所述待确定两相界面位于所述光折射率数值不同相邻两个原位在线折光仪之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个原位在线折光仪数量为6-12个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定位于上层的液体最高液位的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等距离液面间隔为5-10cm。

5.一种确定两相界面的装置，应用于权利要求1-4任一项所述确定两相界面的方法，其特征在于，包括：

液体分离罐，用于盛放待确定两相界面的液体；

多个原位在线折光仪，各个所述原位在线折光仪包括检测部件，多个所述检测部件连接至所述液体分离罐的不同液位处；

第一控制阀门，用于控制第一液相流出所述液体分离罐；

和第二控制阀门，用于控制第二液相流出所述液体分离罐。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括PLC控制系统，所述原位在线折光仪、第一控制阀门和第二控制阀门均与所述PLC控制系统电连接。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测部件的轴位于水平方向，来被插入到所述液体分离罐的不同液位处。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测部件中包含蓝宝石或矿物材料的光学窗口和温度检测器。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，各个所述折光仪按照预设距离液位间隔连接至所述液体分离罐的不同液位处。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述预设距离液位间隔为5-10cm。