專利名稱：流態(tài)化特性快速定量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種快速鑒別氣-固流態(tài)化床內(nèi)顆粒物料流態(tài)化特性的方法。
流態(tài)化技術(shù)是研究各種工藝過程中氣-固、液-固、氣-液-固相態(tài)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及由此產(chǎn)生的混合、離析、接觸、傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)的一門學(xué)科。近年來隨著流態(tài)化技術(shù)在石油催化裂化過程中取得的顯著成果，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到冶金、產(chǎn)礦選礦和各種各業(yè)中，其中氣-固流態(tài)化技術(shù)在輕工業(yè)和食品工業(yè)中被用來生產(chǎn)具有特殊物理性能的顆粒材料，如磁性材料、速溶粉劑、防水建筑材料等。在流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用中，提高流態(tài)化質(zhì)量是一個(gè)重要問題，對(duì)于氣-固流態(tài)化過程來說，這個(gè)問題表現(xiàn)為在流態(tài)化過程中如何促進(jìn)固體與氣體之間的良好接觸，使傳質(zhì)效果滿足產(chǎn)品指標(biāo)，同時(shí)節(jié)約能源，防止粉塵等有害物質(zhì)逃逸而造成環(huán)境污染。例如，對(duì)某些物料的流態(tài)化最好處在一定的鼓泡速度下，只要保證顆粒物料不聚團(tuán)結(jié)塊，鼓泡太少氣固傳質(zhì)不充分，而鼓泡太激烈，則造成氣泡短路，物料逃逸，非但達(dá)不到預(yù)期效果反而大大浪費(fèi)了資源，因此提高流態(tài)化的質(zhì)量問題實(shí)際上可以歸結(jié)為流態(tài)化床的優(yōu)化操作問題。由于流態(tài)化是一個(gè)動(dòng)態(tài)瞬變的運(yùn)動(dòng)過程，因此在線監(jiān)測(cè)、定量分析、圖形描述、回路控制是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作的必要措施。
現(xiàn)有對(duì)流態(tài)化特性進(jìn)行判斷的方法，都以床層壓降的檢測(cè)為手段，用壓降波動(dòng)的振蕩狀態(tài)確定流態(tài)化質(zhì)量，預(yù)先確定氣速的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為設(shè)定值來控制流態(tài)化狀態(tài)，如美國(guó)專利“流態(tài)化質(zhì)量分析器”(專利號(hào)US000543972A)所述。美國(guó)專利為了測(cè)量流化床中壓差的動(dòng)態(tài)變化，采用響應(yīng)頻率大于30Hz的壓力變送器以獲得高靈敏度的時(shí)變檢測(cè)量，為了保證信號(hào)可靠，采取了一系列電路上的措施完成信號(hào)調(diào)理功能，最后設(shè)定氣速并且輸出控制氣速的電壓信號(hào)。這些現(xiàn)有技術(shù)用于流化床上進(jìn)行流態(tài)化質(zhì)量分析存在以下幾個(gè)問題。1.壓差變送器響應(yīng)頻率30Hz以上時(shí)所反映的檢測(cè)信號(hào)可能由三部分組成，即湍流造成的真正壓降信號(hào)、信號(hào)微分處理時(shí)的固有噪聲、以及氣速隨調(diào)過渡過程使物料抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲?，F(xiàn)有技術(shù)為了濾去噪聲設(shè)計(jì)了低通濾波器，由于不同的物料流態(tài)化條件差別較大，因此濾波器頻帶不能適用于各種物料，壓力變送器越靈敏，噪聲越大，使輸出信號(hào)的可靠性越差；2.事實(shí)上流態(tài)化從湍流到混沌這個(gè)過程是經(jīng)過周期→倍周期→分岔發(fā)生→混沌。從平穩(wěn)振蕩狀態(tài)到劇烈振蕩狀態(tài)的變化不僅反映在壓差信號(hào)的幅度上，而且反映在壓差信號(hào)的相位上，有些物料流態(tài)化時(shí)很快從平穩(wěn)振蕩狀態(tài)轉(zhuǎn)入劇烈振蕩狀態(tài)，一旦進(jìn)入混沌，輸出信號(hào)不會(huì)正比于原始信號(hào)，而是無規(guī)則地振蕩，整流后電平是波動(dòng)的，不能控制氣速穩(wěn)定；3.現(xiàn)有技術(shù)只適用于對(duì)已知物料的最優(yōu)流態(tài)化操作(已知的優(yōu)化流態(tài)化速度是10～20％的鼓泡床速度)，而不是通用普適性的流態(tài)化特性分析技術(shù)。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種適用于任何物料、通過多種參數(shù)的檢測(cè)、能夠更快速和準(zhǔn)確地定量流態(tài)化特性的方法。
流態(tài)化過程中，流態(tài)化床內(nèi)氣-固二相的運(yùn)動(dòng)過程可以分為四個(gè)階段，即膨脹和開始湍流、臨界流態(tài)化、完全流態(tài)化和床層塌落四個(gè)階段。當(dāng)流態(tài)化床內(nèi)放置了需要測(cè)定流態(tài)化特性的顆粒物料后，給流化床輸送一個(gè)足夠大的氣速值，床內(nèi)的表觀氣速從零增大到給定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過渡過程，在這個(gè)過程里，當(dāng)氣體開始向上流過顆粒床層時(shí)，氣體在顆粒之間的縫隙中通過，使顆粒松動(dòng)而縫隙增大，氣速上升引起床面膨脹，床內(nèi)壓降開始上升，氣速上升到一定值時(shí)開始有氣泡從料面中析出，這時(shí)流化床內(nèi)的物料處在鼓泡和開始湍流狀態(tài)，這是流態(tài)化的第一個(gè)階段。當(dāng)氣速繼續(xù)上升，大量氣泡從顆粒中析出，湍流使床內(nèi)壓降直線上升，當(dāng)氣速上升到使床層的壓降等于床層截面上的粒子重力時(shí)，顆粒物料開始在氣體中自由運(yùn)動(dòng)，物料處于臨界流態(tài)化狀態(tài)，這是流態(tài)化的第二個(gè)階段。當(dāng)氣速上升趨于穩(wěn)定，而床層壓降大于床層粒子的重力時(shí)，整個(gè)床層物料開始上下翻騰，達(dá)到完全流態(tài)化狀態(tài)，此時(shí)壓降的上升趨向于穩(wěn)定，這是流態(tài)化的第三個(gè)階段。此時(shí)突然切斷氣體輸送，流態(tài)化床內(nèi)料面從翻騰狀態(tài)突然停止，開始床層塌落，經(jīng)過濃相壓縮逐漸回復(fù)到固定床狀態(tài)，這個(gè)過程是第四個(gè)階段。流化床內(nèi)氣-固二相流動(dòng)的四個(gè)階段示意圖如圖2所示。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的。用床層壓降、料面床高、床內(nèi)氣速三種時(shí)變物理量的時(shí)間序列來描述流態(tài)化特性，根據(jù)床高的突變確定膨脹和開始湍流所需的氣速，根據(jù)壓降從指數(shù)上升趨于穩(wěn)定確定完全流態(tài)化所需氣速，根據(jù)氣速變化的過渡過程中氣速的拐點(diǎn)確定臨界流態(tài)化所需的氣速。具體步驟如下當(dāng)流態(tài)化床內(nèi)放置了需要測(cè)定流態(tài)化特性的顆粒物料后，給流態(tài)化床輸送一個(gè)足夠大的氣速值，至物料達(dá)到完全流態(tài)化狀態(tài)時(shí)，突然切斷氣體輸送，物料將逐漸回復(fù)到固定床狀態(tài)。在開始輸送氣體到物料回復(fù)到固定床狀態(tài)的過程中，記錄床高L(t)、床層壓降ΔP(t)和床內(nèi)氣速U(t)三個(gè)時(shí)變參數(shù)的圖形和數(shù)據(jù)，在起始時(shí)刻t0床高L(t)，壓降ΔP(t)和床內(nèi)氣速U(t)這3個(gè)時(shí)間序列的起始值均為零，隨著氣速增加床層膨脹L(t)直線上升，當(dāng)開始鼓泡(即出現(xiàn)湍流時(shí))，直線軌跡產(chǎn)生一個(gè)突變，將發(fā)生的時(shí)刻設(shè)為t1，U(t1)就是起始流態(tài)化速度。當(dāng)氣速進(jìn)一步增加，料面軌跡從周期振蕩變?yōu)椴灰?guī)則振蕩，此時(shí)床層壓降ΔP(t)從指數(shù)上升逐漸趨向平穩(wěn)，當(dāng)壓降基本不變的時(shí)刻設(shè)為t3，U(t3)是完全流態(tài)化速度。從t0-t1時(shí)間，過ΔP(t0)與ΔP(t1)二點(diǎn)作直線1，在壓降基本不變的t3時(shí)刻過ΔP(t3)作與時(shí)間軸平行的直線2，直線1與直線2的交點(diǎn)為[t2，ΔP(t2)]，U(t2)為臨界流態(tài)化速度。
由于采用了上述技術(shù)方案，能夠快速在線地得到流態(tài)化床內(nèi)二相流動(dòng)的4個(gè)階段的三種時(shí)間序列圖形即料面運(yùn)動(dòng)軌跡，流體速度在流態(tài)化過程中的變化曲線，床層壓降在流態(tài)化過程中的變化曲線。同時(shí)通過計(jì)算獲得從床層膨脹產(chǎn)生喘流→起始流態(tài)化→完全流態(tài)化的特征數(shù)據(jù)，因此任何物性參數(shù)未知的顆粒物料，使其流態(tài)化達(dá)到什么程度，所需提供的流體速度可以準(zhǔn)確地被確定。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置示意2流化床內(nèi)氣-固二相流動(dòng)的四個(gè)階段示意3流態(tài)化過程床高隨時(shí)間變化軌跡圖4床層壓降隨時(shí)間變化規(guī)律圖5床內(nèi)氣速變化的過渡過程圖6流態(tài)化過程的流化曲線圖7流態(tài)化過程的膨脹曲線圖1中各部分為1.流態(tài)化床；2.光纖料面跟蹤儀；3.壓力變送器；4.質(zhì)量流量計(jì)-a.控制器；b.過濾器；c.干燥器；5.空氣壓縮機(jī)；6.補(bǔ)料輸入口。
本發(fā)明所提供的方法的實(shí)施是通過圖1所示的流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置來實(shí)現(xiàn)的。需要測(cè)定流態(tài)化特性的物料通過補(bǔ)料輸入口6送入流態(tài)化床1中，空氣通過空氣壓縮機(jī)5的作用，經(jīng)干燥器c和過濾器b，在含有控制器a的質(zhì)量流量計(jì)4的控制下以一定的氣速進(jìn)入流態(tài)化床1中，光纖料面跟蹤儀用來測(cè)量料面的床高，壓力變送器用來測(cè)量床層壓降，信號(hào)處理設(shè)備用來對(duì)測(cè)示設(shè)備輸出的有關(guān)床高、床層壓降、床內(nèi)氣速的信號(hào)進(jìn)行記錄、處理、顯示和存儲(chǔ)，并可以輸出控制信號(hào)給質(zhì)量流量計(jì)4，控制床內(nèi)氣速。
信號(hào)處理設(shè)備給質(zhì)量流量計(jì)4輸出控制信號(hào)，使具有足夠大氣速值的空氣輸入流態(tài)化床1中，并開始記錄床高、床層壓降和床內(nèi)氣速的變化，并根據(jù)壓降從指數(shù)上升趨于穩(wěn)定的變化判斷完全流態(tài)化階段的開始，此時(shí)突然關(guān)閉氣體輸送。
信號(hào)處理設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄和處理后，可以給出如圖3所示的流態(tài)化過程床高隨時(shí)間變化軌跡、圖4所示的床層壓降隨時(shí)間變化規(guī)律、圖5所示的床內(nèi)氣速變化的過渡過程、圖6所示的流態(tài)化過程的流化曲線和圖7所示的流態(tài)化過程的膨脹圖線等數(shù)據(jù)，并按照前述的本發(fā)明的技術(shù)方案中所提供的方法，經(jīng)過計(jì)算給出起始流態(tài)化速度U(t1)、完全流態(tài)化速度U(t3)和臨界流態(tài)化速度U(t2)等流態(tài)化特性參數(shù)。這些操作都可以通過計(jì)算機(jī)程序在信號(hào)處理設(shè)備中的進(jìn)行來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說，在本發(fā)明所提供的方法的基礎(chǔ)上，編制此類程序是完全可以做到的。
權(quán)利要求
1.一種流態(tài)化特性快速定量方法，其特征在于，它用床層壓降、料面床高和床內(nèi)氣速三種時(shí)變物理量的時(shí)間序列來描述流態(tài)化特性，根據(jù)床高的突變確定膨脹和開始湍流所需的氣速，根據(jù)壓降從指數(shù)上升趨于穩(wěn)定確定完全流態(tài)化所需的氣速，根據(jù)氣速變化的過渡過程中氣速的拐點(diǎn)確定臨界流態(tài)化所需的氣速；具體體現(xiàn)為如下步驟(1)當(dāng)流態(tài)化床內(nèi)放置了需要測(cè)定流態(tài)化特性的顆粒物料后，給流態(tài)化床輸送一個(gè)足夠大的氣速值，至物料達(dá)到完全流態(tài)化時(shí)，突然切斷氣體輸送，物料將逐漸回復(fù)到固定床狀態(tài)；(2)在此過程中，記錄床高L(t)、床層壓降ΔP(t)和床內(nèi)氣速U(t)三個(gè)時(shí)變參數(shù)的圖形和數(shù)據(jù)；(3)在起始時(shí)刻t0，床高L(t)、壓降ΔP(t)和床內(nèi)氣速U(t)這3個(gè)時(shí)間序列的起始值為零，隨著床內(nèi)氣速增加，床層膨脹，L(t)直線上升，當(dāng)開始鼓泡，即出現(xiàn)湍流時(shí)，直線軌跡產(chǎn)生一個(gè)突變，將發(fā)生的時(shí)刻設(shè)為t1，對(duì)應(yīng)于t1的U(t1)就是起始流態(tài)化速度；(4)當(dāng)氣速進(jìn)一步增加，料面軌跡從周期振蕩變?yōu)椴灰?guī)則振蕩，此時(shí)床層壓降ΔP(t)從指數(shù)上升趨向平穩(wěn)，將壓降基本不變的時(shí)刻設(shè)為t3，相應(yīng)的U(t3)是完全流態(tài)化速度；(5)從t0-t1時(shí)間，過ΔP(t0)與ΔP(t1)二點(diǎn)作直線1，在壓降基本不變的t3時(shí)刻過ΔP(t3)作與時(shí)間軸平行的直線2，直線1與直線2的交點(diǎn)為[t2，，ΔP(t2)]，相對(duì)應(yīng)的U(t2)為臨界流態(tài)化速度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種流態(tài)化技術(shù)中用于快速定量流態(tài)化特性的方法，它通過流態(tài)化過程中床層壓降、料面床高、床內(nèi)氣速三個(gè)時(shí)變物理量的圖形和數(shù)據(jù)來判斷起始流態(tài)化速度、臨界流態(tài)化速度和完全流態(tài)化速度等流態(tài)化特性參數(shù)，適用于各種物理參數(shù)未知的顆粒物料。
文檔編號(hào)B01J8/24GK1142982SQ9610961
公開日1997年2月19日 申請(qǐng)日期1996年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月6日
發(fā)明者錢梓文, 郭慕孫, 李洪鐘 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所