專利名稱：一種循環(huán)流化床固體通量測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
[0001]本實用新型涉及氣固兩相流測量技術領域，具體地說，本實用新型涉及ー種循環(huán)流化床固體通量測量系統(tǒng)。
背景技術：
循環(huán)流化床反應器廣泛應用于石油冶煉、化工、冶金、電カ等過程エ業(yè)，在國民生產(chǎn)中產(chǎn)生著巨大作用。只有準確判斷反應器內(nèi)流場系統(tǒng)所處流域，才能有效的對反應器的傳質(zhì)傳熱進行調(diào)節(jié)，從而提高反應器的整體效率。在反映循環(huán)流化床運行狀態(tài)的眾多參數(shù)中，固體通量Gs是確定系統(tǒng)所處流域最重要的參數(shù)。固體通量，又稱為固體循環(huán)流率，指單位時間內(nèi)通過反應器単位截面積的固體質(zhì)量。現(xiàn)有的循環(huán)流化床固體通量測量方法包括I)閥門法。閥門法是在反應器的測量段安裝閥門(如蝶閥、滑閥、翻板閥等)，測量時，關閉閥門，切斷物料正常的循環(huán)回路，通過稱重、測量壓差變化或觀察累積物料高度的方法計算一段時間內(nèi)物料累積質(zhì)量，從而得到系統(tǒng)的固體循環(huán)流率，即固體通量。例如中國專利CN200810117401. X(循環(huán)流化床物料循環(huán)流率測量方法與裝置)采用翻板閥，測量時，啟動翻板閥，將固體物料轉(zhuǎn)移到計量段。中國專利CN200810198396. X(—種應用于循環(huán)流化床的循環(huán)流率測量裝置及測量方法)采用絲網(wǎng)擋板法，測量時使絲網(wǎng)擋板來阻斷固體流動，測量一定時間內(nèi)檔板上累積的固體物料質(zhì)量，實際上這也是閥門法的ー種。2)探頭法。探頭法是將測量探頭插入反應器內(nèi)部，通過測量一系列局部固體通量，然后進行積分求和計算，得到系統(tǒng)整體的固體通量。常用的探頭包括光纖探頭、動量探頭以及抽取探頭等。探頭法的詳細測量方法可參考Ye, S. , X. B. Qi, and J. Zhu, DirectMeasurements of Instantaneous Solid Flux in a Circulating Fluidized Bed Riserusing a Novel Multifunctional Optical Fiber Probe. Chemical Engineering &Technology, 2009. 32(4) p. 580-589.3)示蹤粒子法。示蹤粒子法是將示蹤粒子加入到反應器內(nèi)部,通過測量示蹤粒子的運動速度，計算得到反應器的全局固體通量。示蹤粒子法的具體內(nèi)容可參考Bhusarapu,
，et al.，Measurement of overall solids mass flux in a gas-so_Lid circulatingf luidized bed. Powder Technology, 2004. 148(2-3) :p. 158-171.此外，還有研究者嘗試使用旋轉(zhuǎn)葉輪、壓電傳感器等方法對循環(huán)流化床的固體通量進行測量。上述方法的共同特點是均為介入式測量。介入式測量過程會不同程度的干擾流場，甚至造成物料流動中斷，嚴重的會干擾流動系統(tǒng)的物料平衡和壓カ平衡，造成人為的間隙操作；而且，介入式測量的測量部件直接與流動物料接觸，物料摩擦產(chǎn)生的靜電會干擾儀器采樣，影響測量結(jié)果的真實性和可靠性；再者，由于エ業(yè)反應器內(nèi)往往是高溫高壓甚至有毒的極端環(huán)境，因此對密封性有很高要求，現(xiàn)有的介入式測量方法很難推廣應用于此類反應器。固體通量的無干擾測量，一直是循環(huán)流化床研究領域的ー個難點。綜上所述，當前迫切需要ー種非介入式的循環(huán)流化床固體通量無干擾原位測量系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供ー種非介入式的循環(huán)流化床固體通量無干擾原位測量系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供了一種循環(huán)流化床固體通量測量系統(tǒng)，包括第一射線源、第一準直器、第一探測器陣列、第二射線源、第二準直器和第二探測器陣列；所述第一射線源位于第二射線源上方，第一射線源和第一準直器設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管的ー側(cè)，第一射線源通過第一準直器生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所述下降管的軸線垂直，第一探測器陣列設置于所述下降管的另ー側(cè)且位于所述第一射線源所生成的扇束射線所在平面內(nèi)；第二射線源和第二準直器設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管的ー側(cè)，第二射線源通過第二準直器生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所 述下降管的軸線垂直，第二探測器陣列設置于所述下降管的另ー側(cè)且位于所述第二射線源所生成的扇束射線所在平面內(nèi)。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有下列技術效果I、本實用新型在測量時不會干擾反應器內(nèi)的流場，不會造成物料流動中斷，不會破壞流動系統(tǒng)的物料平衡和壓カ平衡造成人為的間隙操作。2、本實用新型中無測量部件直接與流動物料接觸，測量結(jié)果的真實可靠。3、本實用新型能夠在高溫高壓甚至有毒的極端測量環(huán)境中應用。

圖1(a)示出了本實用新型一個實施例中的循環(huán)流化床的測量段和測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)示出了本實用新型一個實施例中的支架平臺的立體示意圖；圖2示出了本實用新型一個實施例的流程圖；圖3示出了不同像素點對應的X射線穿透反應器內(nèi)部路徑長度圖；圖4示出了上下兩處測量面測得的截面平均固體體積分率的時間序列圖；圖5示出了對圖4中的兩個時間序列的互相關分析圖；圖6示出了ー個具體實例中所測得的固體通量時間序列。
具體實施方式
為便于理解，首先介紹本實用新型對循環(huán)流化床固體通量進行無干擾測量的原理。眾所周知，X射線穿透物質(zhì)會發(fā)生衰減，通過標定，可在穿透物質(zhì)厚度與射線衰減程度之間建立對應關系，從而可以根據(jù)扇束X射線穿透物質(zhì)的衰減程度計算得到測量截面的物料平均體積分率^7，同時使用X射線在反應器的兩個截面進行測量，可以得到物料通過這兩個測量面的截面平均體積分率的時間函數(shù)(需注意的是，實際測量時是以一定頻率進行采樣測出的截面平均體積分率的時間序列)。另ー方面，研究表明反應器下降管中顆粒群作為一個整體以相近的速度運動(參考Bhusarapu, S. , et al. , Measurement of overallsolids mass ilux in a gas-solid circulating fluidized bed. Powder Technology,2004. 148(2-3) p. 158-171.)。固體物料經(jīng)過循環(huán)流化床的下降管段吋，除因串氣等極端情況下會引起部分物料逆重力向上運動外，固體物料的運動方向總體為順反應器向下，且顆粒運動狀態(tài)接近于移動床。也就是說，顆粒群在通過前文中所述的第一測量面后，會在一定時間后通過第二測量面。該顆粒群在通過第一測量面的第一時刻所測得的第一測量面的截面平均體積分率與該顆粒群在通過第二測量面的第二時刻所測得的第二測量面的截面平均體積分率是大致一致的。因此，在測出兩個測量面的截面平均體積分率的時間函數(shù)后，通過互相關分析，可以得出物料的顆粒群從第一測量面運動至第二測量面的時間，進而得到物料的運動速度！^。再與截面平均體積分率結(jié)合，加上已知的物料密度與反應器截面積，即可計算得到物料通過反應器單位截面積的質(zhì)量Gs，即反應器的固體通量。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進ー步地描述。根據(jù)本實用新型的一個實施例，提供了一種對循環(huán)流化床固體通量進行無干擾測量的方法。該測量需要使用到扇束射線測量系統(tǒng)，所使用的射線是能夠穿透反應器內(nèi)固體物料的射線，例如X射線或Y射線。本實施例使用的是X射線。圖1(a)示出了循環(huán)流化床的測量段和測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。測量系統(tǒng)包括第一射線源2、第一準直器3、第一探測器陣列4、第二射線源5、第二準直器6、第二探測器陣列7、エ控機8和數(shù)據(jù)采集計算機9。第一射線源2位于第二射線源5上方。第一射線源2和第二射線源5均用于生成扇束X射線。第一探測器陣列4和第二探測器陣列7均為線列陣。每個探測器陣列包括多個探測器単元，探測器單元又稱為像素點，探測器陣列檢測到的ー幀X射線信號數(shù)據(jù)稱為ー個投影，本實施例采用的探測器陣列均包括1280個像素點，因此每個投影包括1280個原始數(shù)據(jù)。第一射線源2和第一準直器3設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管I的ー側(cè)，第一 射線源2通過第一準直器3生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所述下降管I的軸線垂直，第一探測器陣列4設置于所述下降管I的另ー側(cè)且位于所述第一射線源2所生成的扇束射線所在平面內(nèi)，以便各探測器單元接收X射線從而獲得關于下降管I的第一測量面的投影數(shù)據(jù)。類似的第二射線源5和第二準直器6設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管I的ー側(cè)，第二射線源5通過第二準直器6生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所述下降管I的軸線垂直，第二探測器陣列7設置于所述下降管I的另ー側(cè)且位于所述第二射線源5所生成的扇束射線所在平面內(nèi)，以便各探測器單元接收X射線從而獲得關于下降管I的第二測量面的投影數(shù)據(jù)。エ控機8與第一射線源2和第二射線源5連接，用于第一射線源2和第二射線源5同步或分時工作。同步工作指的是兩個射線源在同一時間段內(nèi)按相同的頻率發(fā)出X射線。分時工作指的是兩個射線源分別在不同時間段內(nèi)各自發(fā)出X射線。數(shù)據(jù)采集計算機9分別與第一探測器陣列4和第二探測器陣列7連接，用于接收第一探測器陣列4和第二探測器陣列7所采集到的投影數(shù)據(jù)。所述第一射線源2、第一準直器3、第一探測器陣列4、第二射線源5、第二準直器6、第二探測器陣列7均固定于具有升降功能的支架平臺上。如圖1(b)所示，支架平臺10包括基座101和安裝在基座101上的立式導軌102，立式導軌102上安裝移動懸臂103，該移動懸臂103可沿著立式導軌102移動。所述移動懸臂103的兩端分別固定安裝第一支臂104和第二支臂105。第一支臂104上安裝第一箱體106，第二支臂105上安裝第一探測器陣列
4。第一箱體106內(nèi)安裝所述第一射線源2和第一準直器3，且第一箱體106上開有通孔以便扇束X射線通過。第一箱體106和第一探測器陣列4的安裝位置使得第一探測器陣列4與所述第一射線源2所生成的扇束射線恰好在同一平面內(nèi)，且該平面垂直于被測量段(即下降管I)的軸線。所述基座101具有第一延伸部107和第二延伸部108，第一延伸部107上固定有第一安裝板109，第一安裝板109上安裝第二箱體110，第二箱體110內(nèi)安裝所述第二射線源5和第二準直器6，且第二箱體110上開有通孔以便扇束X射線通過。第二延伸部108上固定有第二安裝板111，第二安裝板111上安裝第二探測器陣列7。第二箱體110和第二探測器陣列7的安裝位置使得第二探測器陣列7與所述第二射線源5所生成的扇束射線恰好在同一平面內(nèi)，且該平面垂直于被測量段(即下降管I)的軸線。射線檢測的基本流程是位于上測量面的第一射線源2發(fā)射出X射線，通過第一前置準直器3后形成扇形X射線束，該X射線扇束完全包覆住循環(huán)流化床下降管測量段I的上 截面，第一探測器陣列4檢測到該射線束的強度，將測量信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集計算機9供分析計算使用，位于下測量面的第二射線源5與第二探測器陣列7的檢測流程與此相同。本測量系統(tǒng)的時間分辨率取決于探測器陣列的射線光子積分時間，本實施例采用的積分時間參數(shù)為1ms，因此，本測量系統(tǒng)的采樣頻率為1000Hz。本實施例中，所測量的循環(huán)流化床反應器的提升管內(nèi)徑 為411mm,下降管內(nèi)徑Φ d為316mm,反應器內(nèi)固體物料為玻璃珠,密度Ps* 2500kg/m3。以上測量系統(tǒng)和循環(huán)流化床反應器的參數(shù)均是示例性的，本實用新型并不限于此，這是本領域技術人員易于理解的。圖2示出了本實用新型的一個實施例的流程圖，參考圖2，循環(huán)流化床固體通量測量過程包括下列步驟步驟I、在循環(huán)流化床反應器的下降段選取兩個橫截面作為測量面。本實施例中，上下兩測量面間距d為900mm。但需說明的是，兩測量面的間距d并無固定值，可以根據(jù)測量環(huán)境和所測的反應器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物料種類等情況靈活選擇。間距d的優(yōu)選范圍是IOOmm至1500mm。間距d的確定原則是應使上下兩測量面的截面平均固體體積分率序列的相關性(相關系數(shù))最大。當然，間距d的取值即使不能滿足上述原則，只要偏差不大，也不會明顯影響本實用新型測量結(jié)果的準確性。步驟2、對于每個測量面，利用扇束射線在一段時間內(nèi)連續(xù)測量該測量面的固體截面平均體積分率。根據(jù)本實用新型的一個實施例，本步驟可包括下列子步驟步驟21、循環(huán)流化床反應器未運行吋，即下降管測量段為空吋，エ控機8發(fā)出指令，上下兩測量面的X射線掃描檢測裝置同時工作，采集空反應器上下兩處測量面的投影信號ん1⑷和ん2(り，i代表探測器陣列的像素編號。步驟22、將下降管測量段堆滿固體物料，與步驟21類似，上下兩測量面的X射線掃描檢測裝置同時工作，測量物料緊密堆積狀態(tài)下所述兩個截面的射線衰減信號む和/f2C0。同時測量出堆滿物料時的固體體積分率εν，本實施例中，堆滿物料時的固體體積分率eSf.為 O. 62。步驟23、循環(huán)流化床反應器正常運行吋，上下兩測量面的X射線掃描檢測裝置同時工作，測量正常運行狀態(tài)下所述兩個截面的射線衰減信號4(0和ム2(り。[0037]步驟24、計算上下兩測量面的截面平均固體體積分率^和其中， 的計算公式如下
權利要求1.一種循環(huán)流化床固體通量測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括第一射線源(2)、第一準直器(3)、第一探測器陣列(4)、第二射線源(5)、第二準直器(6)和第二探測器陣列(7);所述第一射線源(2)位于第二射線源(5)上方，第一射線源(2)和第一準直器(3)設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管(I)的ー側(cè)，第一射線源(2)通過第一準直器(3)生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所述下降管(I)的軸線垂直，第一探測器陣列(4)設置于所述下降管(I)的另ー側(cè)且位于所述第一射線源(2)所生成的扇束射線所在平面內(nèi)；第ニ射線源(5)和第二準直器(6)設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管(I)的ー側(cè)，第二射線源(5)通過第二準直器￠)生成的扇束射線，該扇束射線所在平面與所述下降管(I)的軸線垂直，第二探測器陣列(7)設置于所述下降管(I)的另ー側(cè)且位于所述第二射線源(5)所生成的扇束射線所在平面內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括エ控機(8)和數(shù)據(jù)采集計算機(9)，エ控機(8)與第一射線源(2)和第二射線源(5)連接，數(shù)據(jù)采集計算機(9)分別與第一探測器陣列(4)和第二探測器陣列(7)連接。
3.根據(jù)權利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括支架平臺(10)，支架平臺(10)包括基座(101)和安裝在基座(101)上的立式導軌(102)，立式導軌(102)上安裝移動懸臂(103)，該移動懸臂(103)可沿著立式導軌(102)移動，所述移動懸臂(103)的兩端分別固定安裝第一支臂(104)和第二支臂(105)，第一支臂(104)上安裝第一箱體(106)，第二支臂(105)上安裝第一探測器陣列(4)，第一箱體(106)內(nèi)安裝所述第一射線源(2)和第一準直器(3)。
4.根據(jù)權利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述基座(101)具有第一延伸部(107)和第二延伸部(108)，第一延伸部(107)上固定有第一安裝板(109)，第一安裝板(109)上安裝第二箱體(110)，第二箱體(110)內(nèi)安裝所述第二射線源(5)和第二準直器(6)，第二延伸部(108)上固定有第二安裝板(111)，第二安裝板(111)上安裝第二探測器陣列⑵。
專利摘要本實用新型提供一種循環(huán)流化床固體通量測量系統(tǒng)，包括第一射線源、第一準直器、第一探測器陣列、第二射線源、第二準直器和第二探測器陣列；第一射線源和第一準直器設置于被檢測的循環(huán)流化床下降管的一側(cè)，第一射線源通過第一準直器生成的扇束射線，第一探測器陣列設置于下降管的另一側(cè)且位于所述第一射線源所生成的扇束射線所在平面內(nèi)；同理，第二射線源和第二準直器設置于下降管的一側(cè)、第二探測器陣列設置于下降管的另一側(cè)且位于所述第二射線源所生成的扇束射線所在平面內(nèi)。利用本實用新型測量固體通量，不會干擾反應器內(nèi)的流場，不會造成人為的間隙操作，且測量結(jié)果的真實可靠，還能夠在高溫高壓甚至有毒的極端測量環(huán)境中應用。
文檔編號G01F1/76GK202403745SQ20112056114
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者孟凡勇, 李靜海, 王維 申請人:中國科學院過程工程研究所