CN1544140A - 流化床反应器声波监测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流化床反应器声波监测的装置和方法。该装置包括接收装置、放大装置、信号采集装置、信号处理装置；其方法包括以下步骤：a.接收流化床反应器内部的声发射信号；b.分析接收到的声发射信号，选取声波信号的频率f、振幅A、能量E、各频率段内的能量分率Pi等参数；该种声波监测流化床反应器的装置和方法，实际使用情况证明本发明具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，在生产实践中对流化床内部信息(流动状况、反应状况、粒径分布、流型分布等)能及时准确的在线分析，并通过分析结果对生产参数进行控制。
Description
技术领域：
本发明涉及流化床反应器的声波监测，尤其涉及流化床聚合反应器和流化床造粒机的声波监测。
背景技术：
在各种工业过程中(化学、生化、食品等)，流化床反应器正受到广泛的应用。但由于大多数的流化床反应器无法直接观测到内部的反应、流动状况，也就无法及时对内部产生的异常情况进行调节控制，从而造成巨大的损失，所以发展一种在线监测的装置和方法成为必然。这些在线监测装置应该具有全天候、低耗、精确、非侵入性等特点，其中实时和在线功能是关键。
目前工厂中广泛应用压力波动、光纤信号和X射线对流化床反应器进行在线监测。中国专利(申请号88102105)根据燃料种类及汽包压力设定流化介质静态床高；中国专利(申请号89107388)利用装在空气分配器内用来检测其中空气压力的第一压力检测装置和装在空气通风室内用来检测该通风室内的空气压力的第二检测装置所测得的压力差，确定流入该颗粒材料床内的空气流量。中国专利(申请号01254197)利用光纤信号检测出与煤粉气流中煤粉颗粒的粒度和浓度有关的透射光强脉动信号，探针和气源连接，装置可监测流化床中煤粉气流中煤粉颗粒的粒皮、浓度，对煤粉管的运行状况进行诊断。X射线由于其穿透性强在工厂被广泛的用于流化床内部故障的诊断。
通过以上专利以及装置在工厂中的应用，我们发现现有在线监测的装置和方法存在以下不足：
1)对于流化系统的故障监测反映不够灵敏。由于流化系统一旦出现故障就会有反映流动规律本质的特征物理量出现较大变化以至突变，只是有些物理量对这些变化存在空间或时间上的不敏感性。如压力信号就存在时间上的不敏感性，即往往压力信号出现显著变化时，床层流化质量已无法通过改变操作条件来改善；而光纤测量则存在空间上的不敏感性，因为大块聚集物在床层中随机游走，而测量又不可能在流化床全空间范围内进行，不可能对流化质量进行很好的监控。
2)压力信号和光纤信号监测都是插入式的，安装时候都要在流化床壁面上打孔，不仅不方便，而且可能影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应造成一定的影响。
3)对环境要求比较高，对于比较恶劣的工厂环境，例如：高温、高压、粉尘等环境下可能造成信号的失真，无法真实反映流化床内部的动态信息。
4)压力信号和光纤信号并不是直接反映流化床内部的动态信息，而是通过间接的手段由气泡或者浓度反映的。
5)X射线不仅会造成反应器内部的安全隐患，也会对人体产生危害，不是绿色环保的方法。
6)更为主要的是现在的各种信号分析手段还未能进行通过信号的分解得到粒径分布。粒径分布的测量对于流化床反应器来说具有非常重要的意义：首先它能反映流化床内部流动状况和反应程度，其次有利于控制产品的性能，节约加工成本，最后团聚故障流化床内粒径分布的一种特殊情况，能准确的测量粒径分布能为预防团聚故障提供基础。
因此，发展基于无接触测试技术、瞬态实时分析技术的简易快捷、安全环保的声波监测方法，对提高流化床内部参数监测灵敏度、精确度，特别是对于提高流化质量的提前预报功能具有重要意义。
为此，本发明提出了一种声波监测流化床反应器的装置和方法，实际使用情况证明本发明具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，在生产实践中对流化床内部信息(流动状况、反应状况、粒径分布、流型分布等)能及时准确的在线分析，并通过分析结果对生产参数进行控制。
发明内容：
本发明的目的是提供一种流化床反应器声波监测的装置和方法。
其装置包括流化床反应器上的声波接收装置、放大装置、信号采集装置、信号处理装置，其方法包括以下步骤：
a、接收流化床反应器内部的声发射信号；
b、分析接收到的声发射信号，选取声波信号的频率f、振幅A、能量E、各频率段内的能量分率Pi(各频率段内的能量与总能量的比值，i为频段数)或者四者之间的组合参数作为特征值；
c、通过特征值的变化测量流化床反应器内部状况，特别是流化床反应器内粒径分布和团聚程度。
本发明的装置和技术与现有的装置技术相比有如下一些优点：
1)对于流化系统的故障监测非常灵敏，能够随着流化系统的变化在特征物理量出现较大变化甚至突变，并且对这些变化存在空间或时间上的高敏感性。对于流化床内部的团聚现象尤为明显。
2)声波监测装置是非插入式的，安装时候只要直接贴于流化床反应器壁面上就可以了，简易方便，因此不会影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应不会造成影响。
3)对环境要求比较低，能在比较恶劣的工厂环境全天候工作，即使在高温、高压、粉尘等苛刻环境下仍能保持信号的真实程度，真实反映流化床内部的动态信息。
4)声波信号能直接反映流化床内部的动态信息，是通过流化床内部的物质与反应器壁或流化床内部物质之间的碰撞直接接收的。
5)是一种安全、绿色环保的方法无发射源，对人体无害，并且采用无源声发射原理，对于具有易燃易爆物质的流化床反应器是安全的，不会由于静电等原因造成反应器的爆炸。
6)更为主要的是声波信号分析手段能进行通过信号的分解得到粒径分布，并且能为预防团聚故障提供基础。
附图说明：
图1是本发明使用的流化床反应器声波监测的装置；
图2是小波六尺度分析下的各尺度能量分率与颗粒粒径的关系图；
图3是本发明的结块判据图；
图4是硅凝胶和生石灰反应在50～100kHz频率区能量分率的变化曲线图；
图5(a)是运用本发明齐鲁石化生产的声波信号频谱图
图5(b)是运用本发明分析后的齐鲁石化生产的能量分率图。
具体实施方式
一种流化床反应器声波监测的装置，它包括流化床反应器上的声波接收装置1、放大装置2、信号采集装置3、信号处理装置4，其方法包括以下步骤：
a、接收流化床反应器内部的声发射信号；
b、分析接收到的声发射信号，选取声波信号的频率f、振幅A、能量E、各频率段内的能量分率Pi(各频率段内的能量与总能量的比值，i为频段数)或者四者之间的组合参数作为特征值；
c、通过特征值的变化测量流化床反应器内部状况，特别是流化床反应器内粒径分布和团聚程度。
其声波接收装置为一个或多个无源声发射换能器或有源声发射换能器，并包括有一个或多个放大装置和信号采集装置。声波接收装置的发射频率范围为0Hz～100MHz，接收频率范围为0Hz～100MHz。其中以声波的发射频率范围在20KHz～10MHz，接收频率范围在0Hz～1MHz为佳。放大装置和信号采集装置增益范围为1～10000，信号采集频率范围为10Hz～100MHz。其中放大装置增益范围在1～100为佳，信号采集频率范围在10Hz～5MHz为佳。
声波接收装置位置为流化床反应器的分布板或分布板上方至床内物料高度H的15％～40％的壁面处。其中声波接收装置位置在流化床反应器的分布板上方床内物料高度H的15％～40％的壁面处为佳。
流化床反应器声波监测的方法是通过声波信号的频率f和振幅A的关系定性分析流化床反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况，通过声波信号的能量E和各频率段的能量分率Pi的变化规律定量分析反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况，并根据分析结果进行生产条件的控制。对各频率段进行在频率范围上分段，可分频段数为1～256个，各相连频段能量分率Pi可以根据需要合并加和。
流化床反应器声波监测的装置和方法可用于流化床反应器的类型包括：气固流化床反应器、液固流化床反应器和气液固三相流化床反应器。
流化床反应器声波监测的装置和方法可用于流化床反应器的类型包括：流化床聚合反应器和流化床造粒机。
如图1所示，流化床反应器内部的动态信息通过设置在流化床反应器的分布板上方床内物料高度H的15％～40％的壁面处的声波接收装置(换能器)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，然后进入声信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声波信号处理装置(计算机)进行处理和分析。
将所采集到的声波信号进行频谱分析，分析得到的频率f和振幅A的关系可以定性分析流化床反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况。如表1所示，不同的频率分段可以代表不同的粒径大小，振幅显著处的频率越低，代表颗粒粒径越大，而振幅显著处的频率越高，代表的颗粒粒径越大，一旦在d5和d6处出现较大的振幅，说明团聚现象产生，流化状况恶化。当然表1的分段并不是唯一的，可以根据采用频率以及分段数进行调整。
表1六尺度频率分段表
d1 d2 d3 d4 d5 d6
频率范围
125-250 62.5-125 31.25-62.5 15.63-31.25 7.82-15.63 3.91-7.82
(kHz)
将所采集到的声波信号进行进行能量E的计算，并通过平均分配频率段能量或者通过小波分析分配频率段的方法得到能量分率Pi，利用各频率段能量分率Ei或者相邻频率段能量分率的加和∑Pi的变化规律，作为神经网络的输入进行训练，并辅以现代信号分析手段可以定量分析反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况，并根据分析结果对气速、反应物配比、催化剂比率、温度、压力这些生产条件的进行控制。
如图2小波六尺度分析下各尺度能量分率与颗粒粒径的关系图，在压力脉动分析中流化床中压力脉动的幅值小而频率高，则表明流化均匀或流化质量好，而如果压力脉动幅值大而频率低，则流化质量差，同样，在声波脉动中也有相似的原理。在相同的操作条件下，床层的流化均匀性不仅与粒度有关，而且也与颗粒的粒径分布有关。因此，从整体上说，随着粒径的增大，能量分率是从低尺度(高频区)向高尺度(低频区)移动，即体现出的主频也从高频向低频变化。特别在于由正常聚乙烯颗粒过渡到结块粒子中能量分率各尺度间的转化尤为显著，低尺度的能量分率急剧降低，而高尺度的能量分率对应的快速增加，即声波脉动频率降低，流化质量变差，此也可以作为结块粒子出现的判据。同时，颗粒的小波分析各尺度间能量分率的转化也是颗粒粒径的反映，由此也可以建立其与颗粒粒径的对应关系，这对于粒径分布的预测具有重要的作用。
因为第一尺度与第四尺度的能量分率具有相反的变化趋势，且变化幅度大，因此可以利用它们之间的比值作为结块出现的判据。对P1/P4＞1，属于正常颗粒区，颗粒的粒径由P1、P2的能量分率决定，因此可以建立P1+P2与粒径的对应关系，如图3。对P1/P4＜1，属于结块颗粒区，颗粒的粒径由P4、P5的能量分率决定，因此可以建立P4+P5与粒径的对应关系。
不同的反应物与流化床反应器壁面作用在声波频率连续谱上都有所体现，只是物性不同、粒径不同的反应物对不同声波频率段上的贡献是不同的，例如团聚的物质对于低频率段的能量分率Ei的贡献是显著的，而对于高频段的能量分率Pi的贡献是很小的。通过这个原理，辅以神经元的方法就可以将声波信号进行分解，定量得到反应器内不同物质的含量、粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况。
实施例1
采用流化床反应器，在反应器内部进行硅凝胶和生石灰的反应，并通过气体送入使反应充分。通过运用本专利的装置和方法测定内部反应发出的声波频率范围在50～100kHz，并通过在此频率区内的能量分率判断反应程度。如图4，此为随着时间的增长，在50～100kHz频率区能量分率的变化曲线图。
实施例2
在齐鲁线性低密度聚乙烯厂生产中测得生产工况如下：
表观气速：0.6m/s
压力：2.1MPa
温度：91℃
密度：0.3g/cm3
流化床直径：3505mm
静床高：11.5m
熔融指数：1.98g/(10min)
粒径分布：10目：10.73％
18目：42.63％
35目：31.00％
60目：10.73％
120目：4.93％
运用本发明的装置和方法在工厂采集的信号滤去外界环境噪声后如图5(a)，图5(b)为运用小波包分析后的能量分率图，采用神经网络分析并解耦分析后得到的粒径分布如下表：
实施例3
在实验室规模的流化床中运用本专利的装置和方法，实验参数如下：
表观气速：0.6m/s
压力：0.1MPa
温度：25℃
密度：0.3g/cm3
流化床直径：300mm
静床高：0.35m
熔融指数：1.98g/(10min)
聚乙烯粒径分布：10目：10.73％
18目：42.63％
35目：31.00％
60目：10.73％
120目：4.93％
加入结块直径：20mm
加入结块质量百分含量：1％
运用本发明的分析方法，在3.91k～15.63kHz处有明显峰出现，并通过本发明定量分析的方法分析得到结块大小为21.2mm，百分含量为0.89％。
Claims (10)
1、一种流化床反应器声波监测方法，包括以下步骤：
a、接收流化床反应器内部的声发射信号；
b、分析接收到的流化床反应器内部的声发射信号，选取该声波信号的频率f、振幅A、能量E、各频率段i内的能量与总能量的比值的能量分率Pi或者四者之间的组合参数作为特征值；
c、通过声波信号的频率f和振幅A的关系定性分析流化床反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况。
2、根据权利要求1所述的流化床反应器声波监测方法，其特征在于通过声波信号的能量E和各频率段的能量分率Pi的变化规律定量分析反应器内粒径分布情况、团聚情况、反应程度和流化状况，并根据分析结果进行生产条件的控制。
3、根据权利要求2所述的流化床反应器声波监测方法，其特征在于：所分的频段数为1～256个，各相连频段能量分率Ei可以根据需要合并加和。
4、一种用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于：包括以下装置：声波接收装置(1)，放大装置(2)，信号采集装置(3)和信号处理装置(4)，上述装置依次相连接。
5、根据权利要求4所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于：所述的声波接收装置为一个或多个无源声发射换能器。
6、根据权利要求4所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于：所述的流化床反应器声波监测的装置包括一个或多个放大装置和信号采集装置。
7、根据权利要求4-6所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于：声波信号的接收频率范围为0Hz～100MHz；优选方案为：0Hz～1MHz。
8、根据权利要求4-7所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于放大装置增益范围为1～10000，信号采集装置的信号采集频率范围为10Hz～100MHz；优选方案为：放大装置增益范围为1～100，信号采集装置信号采集频率范围为10Hz～5MHz。
9、根据权利要求4-8所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于所述的声波接收装置位置为流化床反应器的分布板或分布板上方至床内物料高度的壁面处；优选方案为：声波接收装置位置为流化床反应器的分布板上方床内物料高度H的15％～40％的壁面处。
10、根据权利要求4-9所述的用于流化床反应器声波监测的装置，其特征在于流化床反应器的类型包括：气固流化床反应器、液固流化床反应器、气液固三相流化床反应器、流化床聚合反应器或流化床造粒机。
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