專利名稱：一種測(cè)量液固兩相體系局部濃度的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種新型測(cè)量液固兩相體系局部濃度的方法，可以應(yīng)用于石油化工、 生化制藥、環(huán)保和濕法冶金等領(lǐng)域中的液固體系中固體濃度測(cè)量，特別適用于攪拌槽、結(jié)晶 反應(yīng)器等化工反應(yīng)器中液固分散體系、結(jié)晶體系，以及液固多相分散混合、相間接觸及多相 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。
背景技術(shù)：
液固體系是過(guò)程工業(yè)中的一類重要體系，已廣泛運(yùn)用于結(jié)晶、聚合等化工操作中。 目前，攪拌槽等化工反應(yīng)器內(nèi)分散相局部濃度的測(cè)量方法包括取樣法、電導(dǎo)法、光學(xué)方法、 CT和超聲波技術(shù)等。取樣法(S. Roy，et al. AIChE Journal, 2005, 51 =802-835)由于不易做 到“等動(dòng)力”取樣，而且取樣管的型式和取樣條件都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以使測(cè)量精 度和準(zhǔn)確性受到很大的限制。電導(dǎo)法通過(guò)測(cè)量不導(dǎo)電的固體顆粒對(duì)體系電導(dǎo)性質(zhì)的影響來(lái) 確定固體顆粒的相含率(H. A. Nasr-El-Din，et al. International Journal of Multiphase Flow, 1987,13 :365-378)，其測(cè)量結(jié)果明顯優(yōu)于取樣法，但實(shí)驗(yàn)中所用的水相的純度和實(shí) 驗(yàn)溫度等條件的改變都會(huì)對(duì)體系的電導(dǎo)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，此外該方法是接觸式測(cè)量，電 導(dǎo)探針的型式也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。目前有關(guān)工業(yè)CT和超聲波技術(shù)測(cè)量固體顆粒濃度的 報(bào)道僅限于流化床反應(yīng)器中(R.Angst，et al. Chemical Engineering Science, 2006,61 ^64-2870)，而且這類設(shè)備比較昂貴，離大規(guī)模的應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的距離。對(duì)結(jié)晶過(guò)程體系固 體顆粒變化在線原位表征測(cè)量方法目前主要是光學(xué)法，如濁度法(濁度計(jì))、在線顆粒濃度 儀(如Lasentec公司的PVM-FBRM系統(tǒng))等。濁度法由于對(duì)干擾非常敏感，并且只能用于 很稀的懸浮體系(G Crawley, et al. Powder Technology，1997，91 197-208)，而實(shí)際的工 業(yè)結(jié)晶反應(yīng)體系都是高濃度體系，因此，濁度一般應(yīng)用于超細(xì)顆粒體系或者沉淀反應(yīng)開(kāi)始 階段測(cè)量，較長(zhǎng)時(shí)間的在線測(cè)量需要采用其它的方法和儀器。另外，在線顆粒濃度儀價(jià)格昂 貴，限制其應(yīng)用范圍。在以往對(duì)液固體系顆粒濃度的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法的研究中，大多數(shù)專利和研 究集中在采用超聲波技術(shù)的儀器和測(cè)量方法的發(fā)明，比如“液固兩相體超聲濃度儀”(中 國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)朲L93216203. 7)，“固液兩相流濃度超聲測(cè)試方法”(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?200310106214. 9)，或是采用光脈動(dòng)相關(guān)頻譜法的設(shè)備和測(cè)量方法的發(fā)明，比如“透過(guò)率相 關(guān)頻譜法顆粒測(cè)量方法及其裝置”(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?007100似874)，沒(méi)有關(guān)于采用基于紅 外發(fā)射與接收的粉體濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量液固體系顆粒濃度的專利和文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種液固體系中顆粒濃度的新型測(cè)量方法，在不影響體系的情況下， 能同步、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)地測(cè)出體系中的固體顆粒濃度，同時(shí)具有不易受外界電場(chǎng)、溫度場(chǎng) 干擾、測(cè)量濃度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用光學(xué)方法對(duì)攪拌槽內(nèi)固體顆粒的局部相含率分布進(jìn)行測(cè)量，選用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研制的粉體濃度測(cè)量?jī)x，該儀器采用光導(dǎo)纖維傳感 器作測(cè)量探頭，測(cè)量系統(tǒng)包括發(fā)散和接收兩部分。先由發(fā)散光源發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外光，當(dāng) 紅外光遇到固體顆粒后進(jìn)行反射，由接收系統(tǒng)得到反射光的信號(hào)，然后處理系統(tǒng)根據(jù)反射 光的強(qiáng)弱與被測(cè)體系濃度的關(guān)系得到測(cè)量體系的濃度。測(cè)量過(guò)程采用配套軟件由計(jì)算機(jī)完 成，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，即時(shí)得到測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明的有益效果是，可以測(cè)量出攪拌槽、結(jié)晶器等化工容器中待測(cè)液固兩相體 系濃度，并且測(cè)量濃度范圍寬，可以同步得到測(cè)量結(jié)果。由于使用了直徑僅為3mm的紅外探 針，測(cè)量設(shè)備對(duì)體系的影響基本可忽略不計(jì)。通過(guò)與計(jì)算機(jī)的連接，能夠得到待測(cè)體系的瞬 時(shí)濃度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因?yàn)榉垠w濃度測(cè)量?jī)x能夠測(cè)量顆粒濃度高的體系，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間短，能 夠應(yīng)用于較高顆粒濃度的反應(yīng)結(jié)晶體系中。同時(shí)相對(duì)于其他測(cè)量方法中采用的CT、超聲波 等設(shè)備，紅外探針更經(jīng)濟(jì)。


附圖1是本發(fā)明實(shí)施例1和2的測(cè)量裝置示意圖。其中1.攪拌槽，2.攪拌槳，3.電機(jī)，4.探針，5.粉體濃度測(cè)量?jī)x，6.計(jì)算機(jī)。附圖2是實(shí)施例1和2中無(wú)擋板攪拌槽示意圖。附圖3是實(shí)施例1和2的測(cè)量點(diǎn)位置分布圖。附圖4是C = 8cm時(shí)不同攪拌轉(zhuǎn)速下的顆粒濃度徑向分布(h = 35cm)。附圖5是C = 8cm時(shí)不同攪拌轉(zhuǎn)速下的顆粒濃度徑向分布(h = 6cm)。附圖6是C = 16cm時(shí)不同攪拌轉(zhuǎn)速下的顆粒濃度徑向分布(h = 35cm)。附圖7是在實(shí)施例1和實(shí)施例2不同操作條件下的測(cè)量結(jié)果比較圖。附圖8是實(shí)施例3和4的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。其中1.攪拌槽，2.攪拌槳，3.電機(jī)，4.探針，5.粉體濃度測(cè)量?jī)x，6.計(jì)算機(jī)，7.恒 溫水浴。附圖9是21°C和50°C下粉體濃度測(cè)量?jī)x輸出電壓與時(shí)間關(guān)系(NaOH快速加入) 結(jié)果圖。附圖10是50°C下粉體濃度測(cè)量?jī)x輸出電壓與時(shí)間關(guān)系(NaOH在7 內(nèi)恒速加入) 結(jié)果圖。附圖1和8為本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，本發(fā)明提供的方 法可以應(yīng)用的體系，包括攪拌槽(實(shí)際可以是任何一種液固體系)；一個(gè)紅外探針，用于發(fā) 射并接收經(jīng)固體顆粒反射后的紅外光；一臺(tái)粉體濃度測(cè)量?jī)x，用來(lái)將光學(xué)信號(hào)與電壓信號(hào) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換；一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用來(lái)在線連續(xù)記錄測(cè)量結(jié)果。測(cè)量裝置的安裝順序依是首先固定 好攪拌槽，按照離底高度要求固定好攪拌槳，然后按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)(見(jiàn)附圖3)固 定好紅外探針，并將計(jì)算機(jī)與粉體濃度測(cè)量?jī)x正確連接。在結(jié)晶體系局部濃度的測(cè)量中，攪 拌槽、粉體濃度測(cè)量?jī)x、探針和計(jì)算機(jī)的連接順序與附圖1 一致。不一樣的是，攪拌槽采用 的是平底攪拌槽，攪拌槽置于恒溫水浴中，攪拌槳為六葉斜葉槳，轉(zhuǎn)速在實(shí)驗(yàn)中恒定，轉(zhuǎn)速 大小由結(jié)晶反應(yīng)條件和要求確定。光纖探頭測(cè)量點(diǎn)的選擇不要太靠近攪拌槽壁和攪拌軸這 些顆粒濃度變化較大的區(qū)域，而選擇比較能代表平均顆粒濃度的測(cè)量點(diǎn)。使用前要對(duì)粉體濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行校正，得到已知分散相濃度與電壓間的關(guān)系。校正實(shí)驗(yàn)在容積為IL的攪拌槽中進(jìn)行，通過(guò)保持高攪拌轉(zhuǎn)速使得顆粒在攪拌槽中分布均勻。 為防止可見(jiàn)光對(duì)光線探頭的影響，在攪拌槽外面包裹上黑幕，然后按照0. 004-0. 2的體積 濃度進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 本實(shí)施例中的攪拌槽示意圖分別由附圖2給出。攪拌槽直徑T = 300mm,高Hl = 450mm，液位高H = 420mm，底部的橢球形長(zhǎng)短軸分別為300mm和MOmm。攪拌槳為70°下推 折葉透平槳，槳葉片數(shù)為3，直徑D = T/2，攪拌軸直徑dl = 30mm。實(shí)驗(yàn)體系為球形二氧化 硅顆粒和水，二氧化硅顆粒粒度d分布為63-80 μ m,密度為1970kg/m3。固體顆粒的總體相 含率選用0. 005(體積濃度)。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，在攪拌槽外部包一層防透光的黑色幕布，防 止槽外光線干擾。實(shí)驗(yàn)步驟如下先確定攪拌槳離底高度為C = 8cm，安裝固定攪拌槳；然 后按照設(shè)定好的各相質(zhì)量依次向攪拌槽中加入二氧化硅顆粒和水至液位42cm處，開(kāi)動(dòng)電 機(jī)對(duì)液固兩相進(jìn)行攪拌。本實(shí)施例采用的攪拌轉(zhuǎn)速分別為N = 113rpm、142rpm和173rpm， 采用轉(zhuǎn)速均大于或等于該臨界轉(zhuǎn)速。在指定轉(zhuǎn)速條件下攪拌10分鐘后，固相懸浮與液固兩 相流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)將測(cè)量探頭放入槽內(nèi)，置于預(yù)先選定的測(cè)量點(diǎn)，稍后開(kāi)始運(yùn)行采樣軟 件，進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量的采樣時(shí)間為32s，采樣頻率為2000Hz，計(jì)算機(jī)可同步顯示瞬時(shí)所 測(cè)的顆粒濃度曲線，將所得測(cè)量值進(jìn)行平均，即為該點(diǎn)的時(shí)均相含率值，每一位置點(diǎn)重復(fù)測(cè) 量3次，每次測(cè)量所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存于計(jì)算機(jī)中，然后改變探頭位置進(jìn)行下一位置點(diǎn) 的測(cè)量。在測(cè)量完一個(gè)攪拌轉(zhuǎn)速下的所有位置的濃度后，可以改變攪拌轉(zhuǎn)速，進(jìn)行下一組的 測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)攪拌槽中液固體系達(dá)到攪拌穩(wěn)定后，測(cè)量所得到的電壓值非常 穩(wěn)定，顯示出測(cè)量點(diǎn)的濃度值，重復(fù)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的濃度，發(fā)現(xiàn)誤差可以控制在5%以內(nèi)。附 圖4和附圖5分別是在軸向離底h = 35cm和h = 6cm的測(cè)量結(jié)果。對(duì)不同測(cè)量點(diǎn)以及不 同攪拌轉(zhuǎn)速條件下的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道中采用其他方法的結(jié)果一致。實(shí)施例2 本實(shí)施例中攪拌槳離底高度為C = 16cm，攪拌槳和攪拌槽其余參數(shù)同實(shí)施例1。實(shí) 驗(yàn)條件和測(cè)量步驟同實(shí)施例1。測(cè)量結(jié)果顯示，與實(shí)施例1相同，當(dāng)液固體系達(dá)到攪拌穩(wěn)定，固定好測(cè)量探針的位 置后，在計(jì)算機(jī)中顯示得到的電壓值比較平穩(wěn)，也說(shuō)明測(cè)量探針對(duì)液固體系的流場(chǎng)影響較 小。隨著離底高度的變化，測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映出這一變化。附圖6是在實(shí)施例2的操 作條件下的測(cè)量結(jié)果圖，附圖7是在實(shí)施例1和實(shí)施例2不同操作條件下的測(cè)量結(jié)果比較 圖。實(shí)施例3 結(jié)晶反應(yīng)實(shí)施例實(shí)驗(yàn)所用攪拌槽為IL玻璃燒杯，直徑T = 113mm，攪拌槳直徑D = 50mm，槳中心平面離燒杯底部2. 8cm，為減小外部光源對(duì)紅外探頭測(cè)量結(jié)果的影響，燒杯外 部進(jìn)行了防透光處理。轉(zhuǎn)速N = 550rpm。250ml濃度為1. 5mol/L的NiS04溶液置于燒杯 中，燒杯置于恒溫水浴中，將138ml (質(zhì)量濃度25% )氨水加入燒杯中，攪拌充分混合。啟動(dòng) 預(yù)熱粉體濃度測(cè)量?jī)x，將紅外探頭固定好，測(cè)量點(diǎn)選取在槳上方1cm，距離燒杯壁面1. 5cm,快速加入300ml濃度為2. 5mol/L NaOH溶液，反應(yīng)開(kāi)始，同時(shí)電腦開(kāi)始采樣，連續(xù)采樣多組， 采樣頻率50Hz，每組數(shù)據(jù)量32768個(gè)，反應(yīng)時(shí)間45min。附圖9為21°C和50°C恒溫下粉體濃度測(cè)量?jī)x輸出電壓值隨反應(yīng)時(shí)間變化關(guān)系，圖 中給出的是頻率為5Hz的數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)果顯示了氫氧化鎳快速結(jié)晶反應(yīng)過(guò)程體系顆粒濃度 的實(shí)時(shí)變化過(guò)程，同時(shí)也反映了該反應(yīng)的微觀過(guò)程-快速成核、生長(zhǎng)、團(tuán)聚、消融與重結(jié)晶。實(shí)施例4 本實(shí)施例中結(jié)晶反應(yīng)恒溫50°C，NaOH溶液利用輸液泵在72s內(nèi)恒速加入，其余實(shí) 驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)步驟同實(shí)施例3。連續(xù)采樣多組，采樣頻率100Hz，每組數(shù)據(jù)量32768個(gè)，反應(yīng) 時(shí)間22min。附圖10為50°C恒溫下粉體濃度測(cè)量?jī)x輸出電壓值隨反應(yīng)時(shí)間變化關(guān)系，圖中給 出的是頻率為5Hz的數(shù)據(jù)結(jié)果。由反應(yīng)初始階段局部放大圖可知，輸出電壓值隨NaOH溶液 的恒速加入上升，加料完成的同時(shí)輸出電壓達(dá)到局部極大值，說(shuō)明了該結(jié)晶反應(yīng)成核過(guò)程 為瞬間反應(yīng)過(guò)程，并且本發(fā)明的測(cè)量方法能響應(yīng)快反應(yīng)中顆粒濃度變化。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量液固兩相體系局部濃度的新方法，具體實(shí)施步驟為將測(cè)量探針固定在待 測(cè)體系中的某一局部位置上，通過(guò)調(diào)節(jié)粉體濃度測(cè)量?jī)x的采樣頻率和設(shè)定采樣時(shí)間，對(duì)液 固體系的局部濃度進(jìn)行在線測(cè)量，用計(jì)算機(jī)處理和得到測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)固體顆粒局部濃度 的在線實(shí)時(shí)測(cè)量與表征。
2.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法其特征在于粉體濃度測(cè)量?jī)x能夠適用于0-60%體積 相對(duì)濃度測(cè)量范圍。
3.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于對(duì)濃度變化響應(yīng)時(shí)間短，采用配套軟件 即時(shí)處理數(shù)據(jù)，可以同步得到測(cè)量結(jié)果。
4.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于采用直徑為3mm的紅外探針發(fā)射和接 收紅外光線，設(shè)備對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響在以下，基本可以忽略。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量液固體系局部濃度的新方法，可以應(yīng)用于攪拌槽、結(jié)晶反應(yīng)器等常用化工反應(yīng)器中固體顆粒在液相中的分散和結(jié)晶過(guò)程中晶體顆粒的局部濃度測(cè)量。通過(guò)接收反射在固體顆粒上的紅外光線，并且將此紅外光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)，然后通過(guò)電壓與濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系得到待測(cè)體系中局部濃度。該方法能適用于不同操作條件下的液固體系的固體顆粒濃度測(cè)量。該方法包括四部分，它是將待測(cè)體系、濃度測(cè)量?jī)x、紅外線探針和計(jì)算機(jī)依次連接，在固定濃度測(cè)量?jī)x的探針后，可以得到待測(cè)體系的局部固相濃度。該方法實(shí)用簡(jiǎn)便，在可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有不受外界因素干擾、測(cè)量濃度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)待測(cè)體系的流場(chǎng)的物理性質(zhì)影響較小。
文檔編號(hào)G01N15/06GK102109455SQ20091024390
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者單賢根, 楊超, 毛在砂, 禹耕之, 程景才, 謝繼亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所, 江蘇省海洋資源開(kāi)發(fā)研究院