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气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法涉及一种气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法，在流化床(1)相对面的两侧分别设置一个微波反射屏(7)；由微波发生装置(4)、发射天线(5)和波导管(6)相串联组成微波发射装置，其中波导管(6)位于一个微波反射屏(7)的中间；由光学成像物镜(8)、红外探测器(9)、放大器(10)、计算机(11)相串联组成微波接收和处理装置，其中光学成像物镜(8)位于两个微波反射屏(7)之间的流化床(1)的另一侧面。其方法为：微波经天线和波导管的引导向流化床层发射，加热床内带极性H2O分子的示踪颗粒，利用光学成像物镜接受红外辐射能量分布图形，并将其反映到红外探测器。

Description

气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法，属于流化床和多相流测量的技术领域。
背景技术
气固流化床颗粒混合行为反应了床内颗粒的运动及传递特性，是认识流化床气固传热和传质机理的关键，对于流化床反的设计和结构参数的优化具有重要的意义。正如文献指出：正是由于对颗粒混合特性的研究，认识到提升管较之湍动流化床有效地降低了气固的返混，使得催化裂化工艺从传统的流化床过渡到提升管反应器产生了质的飞跃【参考文献：《流态化工程原理》.北京：清华大学出版社.2001.】。
目前，测量气固流化床颗粒混合的主要方法是颗粒示踪：如磁性颗粒示踪、热颗粒示踪、有色颗粒示踪、磷光颗粒示踪和放射性元素示踪等。这些示踪方法或多或少都存在不足，使得测量结果的重复性和可靠性均不太理想：
(1)磁颗粒示踪一般只适用于单个示踪颗粒，单个示踪颗粒在流场中的运动的随机性很大；若采用较多的示踪颗粒，示踪颗粒之间会产生同极相互排斥现象，示踪颗粒的运动不能反应颗粒真实的运动。
(2)热颗粒示踪最大的缺点是热示踪颗粒在冷气流的作用下温度衰减很快；此外，对于稠密气固流化床，热示踪颗粒往往容易被密集的床料遮挡，导致无法被灵敏热电偶检测到。
(3)有色颗粒示踪最大的缺点在于：在稠密气固流化床中，有色颗粒也容易被密集的床料遮挡，而无法被快速数字图像采集装置捕捉。
(4)磷光颗粒示踪与热颗粒示踪、有色颗粒示踪类似，不太适用于颗粒浓度较大的气固流化床。
(5)放射性元素示踪是一种非常规的、公认的最有效的方法。它是一种非接触式示踪技术，示踪和测量过程不干扰床内的气固流动，可以形象地获得示踪颗粒在气固流化床中的运动轨迹和浓度分布，且特别适用于颗粒稠密的气固流化床。但放射性示踪颗粒的制备、保存和使用过程中涉及的安全问题，受到相关法律法规的严格限制；射线监测器或射线摄像机设备昂贵、操作较复杂，这使得该方法无法得到广泛的应用。
常规的颗粒示踪方法对于测量气固流化床特别是稠密气固流化床内复杂的颗粒混合已经变得愈加困难。随着流化床技术日益广泛的工业应用，流化床颗粒混合特性的测量问题逐渐受到重视，国内外众多流化床研究开发机构正研制一些新的、可靠的、投资小且容易实现的测量方法及装置。
发明内容
技术问题：本发明旨在提供一种测量效果好的气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法，该方法可用于流化床颗粒快速运动过程中颗粒混合测量。
技术方案：本发明提出了一种气固流化床颗粒混合的新测量方法，其基本思路如下：利用微波发生装置产生微波，经天线和波导管的引导向流化床层发射，通过微波反射屏使微波在床层空间来回反射，加热带极性H2O分子的示踪颗粒，使其向外辐射红外线；通过光学成像物镜接受红外辐射能量分布，并将其反映到红外探测器，红外探测器将红外辐射功率信号转换成电信号，经放大器放大处理后送入计算机，转换成标的准视频信号，实时跟踪、显示和存储示踪颗粒的运动轨迹和浓度分布。
本发明的气固流化床颗粒混合的测量装置为：在流化床相对面的两侧分别设置一个微波反射屏；由微波发生装置、发射天线和波导管相串联组成微波发射装置，其中波导管位于一个微波反射屏的中间；由光学成像物镜、红外探测器、放大器、计算机相串联组成微波接收和处理装置，其中光学成像物镜位于两个微波反射屏之间的流化床的另一侧面。微波反射屏由中间一块半径R等于两倍流化床的宽度D、弦长等于流化床床层高度H的弧形微波反射板和上下两块长度为0.5H的微波吸收板连接而成；与微波发生装置同侧的弧形微波反射板中间开有直径与波导管直径相当的孔。
本发明的气固流化床颗粒混合的测量装置的测量方法为：在流化床的一侧设置的微波发生装置产生的微波经发射天线和波导管的引导，向流化床中的床料发射；发射的微波通过安装在流化床两侧的微波反射屏使微波在流化床内的空间来回反射，加热床料中有带极性H2O分子的示踪颗粒，使示踪颗粒向外辐射红外线；置于流化床另一侧面的光学成像物镜接收红外辐射能量分布图形，将其反映到红外探测器，红外探测器将示踪颗粒的红外辐射功率信号转换成电信号，经放大器放大后送入计算机并转换成标准数字视频信号，实时跟踪、显示和存储示踪颗粒的运动轨迹和浓度分布。示踪颗粒由中空下半球和中空上半球通过高温粘合料粘合而成，中空上半球开有极性分子液体注入孔，内注有极性分子液体H2O，其体积小于空腔体积的4/7。
有益效果：本发明提出的气固流化床颗粒混合的测量装置及测量方法具有如下的特色及优点：
1、非接触式测量，测量过程不干扰流化床内的气固流动。
2、经过优化设计的球面波导和微波反射屏，使示踪颗粒在床内的任何位置都能得到均匀的微波辐射，维持在较高的温度水平，稳定地向外辐射红外线。
3、利用了红外线较之可见光具有更好的穿透特性，示踪颗粒即使处于流化床密集的颗粒群中，向外辐射的红外线都能被红外探测器所捕捉，即使用于稠密相气固流化床颗粒混合的测量也能取得较好的效果。
4、实时跟踪床内示踪颗粒的运动轨迹和浓度分布，可用于流化床颗粒快速运动过程中颗粒混合的测量。
附图说明
图1是本发明的气固流化床颗粒混合的测量方法的实施系统示意图，其中有流化床1、床料2、示踪颗粒3、微波发生器4、微波发射天线5、波导管6、微波反射屏7、光学成像物镜8、红外探测器9、放大器10和计算机11。
图2是微波反射屏7的结构简图，由微波反射板12、微波吸收板13和波导安装孔14组成。
图3是示踪颗粒3的放大结构简图，包括中空下半球15、中空上半球16、高温粘合料17、极性液体注入孔18和极性分子液体H2O19。
具体实施方式
以下参照图1来详细说明本发明。
本发明的目标是这样实现的：如图1所示，在流化床1的一侧置有微波发生装置4，产生的微波经发射天线5发射后由波导管6引导，向床层辐射；微波是一种超高频电磁波，每秒振荡上百亿次，当微波辐射到带极性H2O分子的示踪颗粒3，极性H2O分子的排列方向就要每秒钟随之改变上百亿次，使水分子产生高速旋转和震荡，并与周围的水分子发生相互碰撞、挤压和磨擦而产生了大量的热量，使示踪颗粒3能够在很短的时间内温度迅速上升。安装在流化床两侧的微波反射屏7使微波在床层空间来回反射，使处于床层不同位置的示踪颗粒3都可以得到较均匀的微波辐射，维持较高的温度，稳定地向外辐射红外线；由于示踪颗粒3的温度与床料2的温度差别很大，使得红外辐射能量分布差别非常明显。这时利用置于流化床1正面的光学成像物镜8接受红外辐射能量分布图形，将其反映到红外探测器9；红外探测器9将示踪颗粒3的红外辐射功率信号转换成电信号，经放大器10放大后送入计算机11并转换成标准数字视频信号，这样就可实现实时跟踪、显示和存储示踪颗粒3的运动轨迹和浓度分布。
此外，为实现本发明的目标：流化床1的正面用透红外射线材料制作；置于流化床1侧面的微波反射屏12由中间一块半径R等于2D(D为床宽)、弦长为H的弧形微波反射板13和上下两块长度为0.5H的微波吸收板连接而成，与微波发生装置4同侧的微波反射屏12的弧形微波反射板13中间开有直径与波导管6直径相当的孔，以安装波导管，如图2所示；示踪颗粒3由中空下半球15和中空上半球16通过高温粘合料17粘合而成，中空上半球16开有极性分子液体注入孔，如图3所示，注入极性分子液体H2O19后，用高温粘合料17将孔封死，示踪颗粒3中注入的极性分子液体H2O19的体积小于空腔体积的4/7，以防止示踪颗粒3中极性分子液体H2O19在微波加热后气化体积膨胀而炸裂。
具体方法是：将少量的示踪颗粒3均匀铺放在流化床1的底部，再在上面加入床料床料2。流化床1为非金属材料制作，正面采用透红外材料，如透红外玻璃；床料2为石英砂、河沙等；示踪颗粒3为空腔中注入极性分子液体H2O的球形颗粒，粒径和密度与床料2相当，空腔中极性分子液体H2O的体积小于空腔体积的4/7。
开启安放在流化床1侧面的微波发生装置4，产生频率为100GHz～300GHz的微波，经发射天线5和波导管6引导后向床层发射。微波通过安装在流化床两侧的微波反射屏7在床层空间来回反射。微波反射屏12由中间一块半径R等于两倍床宽D、弦长等于床层高度H的弧形微波反射板13和上下两块长度为0.5H的微波吸收板连接而成；与微波发生装置4同侧的微波反射屏12的弧形微波反射板13中间开有直径与波导管6直径相当的孔，以安装波导管6。示踪颗粒3受到微波的辐射后，在很短的时间内温度迅速上升(接近100℃)，稳定地向外辐射红外线。
开启空气A，使流化床处于运行状态；与此同时开启置于流化床1正面的光学成像物镜8(带广角，调节放置的位置，使成像区域覆盖床层)接受红外辐射能量分布图形，将其反映到红外探测器9(取样频率大于50帧/秒)；红外探测器9将示踪颗粒3的红外辐射功率信号转换成0～5V的电信号，经放大器10放大后送入计算机11并转换成标准数字视频信号，实时跟踪、显示和存储示踪颗粒3的运动轨迹和浓度分布。

Claims (4)

1.一种气固流化床颗粒混合的测量装置，其特征在于：在流化床(1)相对面的两侧分别设置一个微波反射屏(7)；由微波发生装置(4)、发射天线(5)和波导管(6)相串联组成微波发射装置，其中波导管(6)位于一个微波反射屏(7)的中间；由光学成像物镜(8)、红外探测器(9)、放大器(10)、计算机(11)相串联组成微波接收和处理装置，其中光学成像物镜(8)位于两个微波反射屏(7)之间的流化床(1)的另一侧面。
2.根据权利要求1所述的气固流化床颗粒混合的测量装置，其特征在于微波反射屏(7)由中间一块半径R等于两倍流化床(1)的宽度D、弦长等于流化床(1)床层高度H的弧形微波反射板(13)和上下两块长度为0.5H的微波吸收板连接而成；与微波发生装置(4)同侧的弧形微波反射板(13)中间开有直径与波导管(6)直径相当的孔。
3.一种如权利要求1所述的气固流化床颗粒混合的测量装置的测量方法，其特征在于在流化床(1)的一侧设置的微波发生装置(4)产生的微波经发射天线(5)和波导管(6)的引导，向流化床(1)中的床料(2)发射；发射的微波通过安装在流化床(1)两侧的微波反射屏(7)使微波在流化床(1)内的空间来回反射，加热床料(2)中有带极性H2O分子的示踪颗粒(3)，使示踪颗粒向外辐射红外线；置于流化床(1)另一侧面的光学成像物镜(8)接收红外辐射能量分布图形，将其反映到红外探测器(9)，红外探测器(9)将示踪颗粒的红外辐射功率信号转换成电信号，经放大器(10)放大后送入计算机(11)并转换成标准数字视频信号，实时跟踪、显示和存储示踪颗粒的运动轨迹和浓度分布。
4.如权利要求3所述的气固流化床颗粒混合的测量装置的测量方法，其特征在于示踪颗粒(3)由中空下半球(15)和中空上半球(16)通过高温粘合料(17)粘合而成，中空上半球(16)开有极性分子液体注入孔(18)，内注有极性分子液体H2O(19)，其体积小于空腔体积的4/7。
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