專利名稱：流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供一種流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置，主要針對氣-固流態(tài)化過程，對流化床內(nèi)顆粒物料的流態(tài)化特性進行在線鑒別與控制的裝置。
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)之間的相對運動以及由此產(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)量是一個重要問題，對于氣-固流態(tài)化過程來說，這個問題表現(xiàn)為在流態(tài)化過程中如何促進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，非但達不到預(yù)期效果反而大大浪費了資源，因此提高流態(tài)化的質(zhì)量問題實際上可以歸結(jié)為流態(tài)化床的優(yōu)化操作問題。由于流態(tài)化是一個動態(tài)瞬變的運動過程，因此在線監(jiān)測、定量分析、圖形描述、回路控制是實現(xiàn)優(yōu)化操作的必要措施。
現(xiàn)有技術(shù)都以床層壓降的檢測為手段，用壓降波動的振蕩狀態(tài)確定流態(tài)化質(zhì)量，預(yù)先確定氣速的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為設(shè)定值來控制流態(tài)化狀態(tài)，如美國專利“流態(tài)化質(zhì)量分析器”(專利號US000543972A)所述。美國專利為了測量流化床中壓差的動態(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變檢測量，為了保證信號可靠，采取了一系列電路上的措施完成信號調(diào)理功能，最后設(shè)定氣速并且輸出控制氣速的電壓信號。這些現(xiàn)有技術(shù)用于流化床上進行流態(tài)化質(zhì)量分析存在以下幾個問題。1．壓力變送器響應(yīng)頻率30Hz以上時所反映的檢測信號可能由三部分組成，即湍流造成的真正壓降信號、信號微分處理時的固有噪聲、以及氣速隨調(diào)過渡過程使物料抖動產(chǎn)生的噪聲?，F(xiàn)有技術(shù)為了濾去噪聲設(shè)計了低通濾波器，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，使輸出信號的可靠性越差；2．事實上流態(tài)化從湍流到混沌這個過程是經(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的幅度上，而且反映在壓差信號的相位上，有些物料流態(tài)化時很快從平穩(wěn)振蕩狀態(tài)轉(zhuǎn)入劇烈振蕩狀態(tài)，一旦進入混沌，輸出信號不會正比于原始信號，而是無規(guī)則地振蕩，整流后電平是波動的，不能控制氣速穩(wěn)定；3．現(xiàn)有技術(shù)只適用于對已知物料的最優(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)化質(zhì)量分析技術(shù)。
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于對各種物料的流態(tài)化質(zhì)量進行在線鑒別與控制的裝置。
為了改進現(xiàn)有技術(shù)僅以床層壓降為唯一檢測手段用來分析流態(tài)化質(zhì)量所帶來的不足，本實用新型的設(shè)計人提出用床層壓降、料面的床高、床內(nèi)氣速三種物理量表示流態(tài)化的特性，檢測它們在流態(tài)化過程中各個時刻的數(shù)值、各變量隨時間變化的趨勢以及它們之間的相應(yīng)關(guān)系，分析和判斷顆粒物料的流態(tài)化質(zhì)量，并且控制在適當(dāng)?shù)牧骰癄顟B(tài)。
本實用新型所提供的裝置包括測示設(shè)備和信號處理設(shè)備兩部分，其中測示設(shè)備主要包括流態(tài)化床、氣體輸送裝置、測量床層壓降的壓力變送器、測量床內(nèi)氣體流量的質(zhì)量流量計以及控制氣體流量的閥門控制器、和測量流態(tài)化床料面的床高的儀器；其中的信號處理設(shè)備既能夠?qū)毫ψ兯推?、質(zhì)量流量計和測量床高儀器所輸出的壓力、氣速和床高信號進行接收調(diào)理、經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、處理、數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出能夠被質(zhì)量流量計接受的控制信號，又具有顯示和存儲功能；它們的連接關(guān)系如下壓力變送器的一個測量端連接于流態(tài)化床的底部分布面板上，另一個測量端連接大氣，壓力變送器的信號輸出端與信號處理設(shè)備的輸入端相接，質(zhì)量流量計的氣體輸出端接到流態(tài)化床底的圓錐形氣體輸入口，質(zhì)量流量計的氣體輸入端與氣體輸送裝置相接，質(zhì)量流量計的信號輸出端與信號處理設(shè)備的輸入端連接，質(zhì)量流量計的信號輸入端與信號處理設(shè)備的輸出端相連。測量床高的儀器的測示部分置于流態(tài)化床中料面上方，該儀器的信號輸出端與信號處理設(shè)備的輸入端相連。
本實用新型所提供的裝置工作原理如下所述當(dāng)流態(tài)化床內(nèi)放置了需要測定流態(tài)化特性的顆粒物料后，給流化床輸送一個足夠大的氣速值，床內(nèi)的表觀氣速從零增大到給定值時會產(chǎn)生一個過渡過程，在這個過程里，當(dāng)氣體向上流過顆粒床層時，氣體在顆粒之間的縫隙中通過，使顆粒松動而縫隙增大，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開始有氣泡從料面中析出，這時流態(tài)化床內(nèi)的物料處在鼓泡起始流態(tài)化狀態(tài)，這是流態(tài)化的第一個階段。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)壓降繼續(xù)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，顆粒物料開始在氣體中自由運動，物料處于臨界流態(tài)化狀態(tài)，這是流態(tài)化的第二個階段。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，整個床層物料開始上下翻騰，達到完全流態(tài)化狀態(tài)，此時壓降的上升趨向于穩(wěn)定，這是流態(tài)化的第三個階段。此時突然切斷氣體輸送，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)，這個過程是第四個階段。流態(tài)化床內(nèi)氣-固二相流動的四個階段示意圖如圖2所示。在整個過程中，測示設(shè)備在線檢測流態(tài)化床內(nèi)的料面床高，床層壓降和表觀氣速的瞬時值，而信號處理裝置在接收、儲存三種信號的同時進行分析比較，判斷四個階段的特性是根據(jù)如下判據(jù)(1)根據(jù)料面床高的突變確定達到第一階段所需的氣速；(2)根據(jù)壓降趨于穩(wěn)定確定達到第三階段所需的氣速；(3)根據(jù)第一階段的氣速上升趨勢和第三階段氣速最大值的交叉點確定第二階段的氣速。對于所需控制的流態(tài)化狀態(tài)只要確定氣速后由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電平信號使流量控制閥固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 采用本實用新型提供的流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置能夠快速在線地得到流態(tài)化床內(nèi)二相流動的鼓泡-起始流態(tài)化，臨界流態(tài)化，完全流態(tài)化和床層塌落4個階段的床高氣速和壓降的時間序列圖形，這三種時間序列圖所描述的是(1)料面運動軌跡，(2)流態(tài)化過程中的流體速度隨時間變化曲線，(3)流態(tài)化過程中的床層壓降隨時間變化曲線，同時通過計算輸出從床層膨脹產(chǎn)生湍流→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，要求其流態(tài)化達到什么程度，所需提供的流體速度可以準(zhǔn)確地被確定，并且控制這一流體速度以保證流態(tài)化的質(zhì)量。根據(jù)上述操作還可以了解顆粒物料是否能夠達到完全流態(tài)化的狀況，對流態(tài)化特性較差的物料可以直接加料改變其組份，從流化床進料口輸送不同物料后再重復(fù)上述操作，從而獲得改善流態(tài)質(zhì)量的定量數(shù)據(jù)；當(dāng)確定了流態(tài)化過程中流體的輸送速度后，信號處理設(shè)備里的微處理器給定氣體速度作為設(shè)定值，流量控制電路按照實際的氣速與設(shè)定值之間的偏差，調(diào)整電磁閥驅(qū)動電流以調(diào)節(jié)閥門位置，改變流體的流量，使輸入流化床的氣體流量能夠被控制在設(shè)定值±1.5％的范圍內(nèi)，所以本實用新型提供的裝置，既能改善流態(tài)化質(zhì)量，又能實現(xiàn)優(yōu)化操作。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。


圖1流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖圖2流化床內(nèi)氣-固二相流動的四個階段示意圖圖中各部分為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-a．控制器；b．過濾器；c．干燥器；5．空氣壓縮機；6．補料輸入口；①、②、③信號調(diào)理電路輸入端；④控制器的輸出端；⑤干燥器的輸入端；⑥氣體輸送口。
作為本實用新型的一個最佳實施例的流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置如圖1所示，它包括測試設(shè)備和信號處理設(shè)備，測試設(shè)備包括流態(tài)化床1、光纖料面跟蹤儀2、壓力變送器3、質(zhì)量流量計4(含有控制器a、過濾器b、干燥器c)、空氣壓縮機5、補料輸入口6；信號處理設(shè)備包括微處理器、信號調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、顯示器、存儲器。各部分的連接關(guān)系為光纖料面跟蹤儀2的光纖探頭置于流態(tài)化床1內(nèi)在料面上1厘米的位置、光纖跟蹤料面時在不同的位置輸出的電壓信號輸入信號調(diào)理電路的輸入端②相連；壓力變送器3的測試部分中一端為大氣壓力，另一端床層壓力測試端連接于流態(tài)化床1的底部，壓力信號的輸出端與信號調(diào)理電路的輸入端①相連；質(zhì)量流量計4的氣體輸出端通過閥門控制器a的的輸出端④與流態(tài)化床的底部氣體輸送口⑥連接，閥門控制器a的氣體輸入端與過濾器b的輸出端連接，過濾器b的輸入端與干燥器c的輸出端相連；干燥器c的輸入端⑤與空氣壓縮機5相連；質(zhì)量流量計4的信號輸出端與信號調(diào)理電路的輸入端③連接；質(zhì)量流量計4的信號輸入端與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接；在信號處理設(shè)備中，微處理器與顯示器互相連接；微處理器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器互相連接；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與微處理器的輸入端連接；數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端與微處理器的輸出端連接；信號調(diào)理電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接；且數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端為信號處理處理設(shè)備的輸出端，信號調(diào)理電路的輸入端為信號處理設(shè)備的輸入端。
光纖料面跟蹤儀2采用中國科學(xué)院化工冶金所開發(fā)的產(chǎn)品，壓差變送器3采用DDZ-Ⅱ型工業(yè)膜式壓力傳感變送器，質(zhì)量流量計4采用SY-9322型質(zhì)量流量計，包括9322型控制器a，過濾器b采用9380型管路過濾器，干燥器c采用9390型管路干燥器。
權(quán)利要求1．一種流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置，包括測示設(shè)備和信號處理設(shè)備；測示設(shè)備包括流態(tài)化床、氣體輸送裝置、測量床層壓降的壓力變送器、測量床內(nèi)氣體流量的質(zhì)量流量計以及控制氣體流量的閥門控制器，信號處理設(shè)備是既能夠?qū)y量儀器的輸出信號進行接收調(diào)理、經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、處理、數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出能夠被質(zhì)量流量計接受的控制信號，又具有顯示和存儲功能的信號處理設(shè)備；壓力變送器的一個測量端連接于流態(tài)化床的底部分布面板上，另一個測量端連接大氣，壓力變送器的信號輸出端與信號處理設(shè)備的輸入端相連，質(zhì)量流量計的氣體輸出端接到流態(tài)化床底的圓錐形氣體輸入口，質(zhì)量流量計的氣體輸入端與氣體輸送裝置相接，質(zhì)量流量計的信號輸入端與信號處理設(shè)備的輸入端相連，其特征在于，它還包含有一個測量流態(tài)化床料面的床高的儀器，該儀器的測示部分置于流態(tài)化床中料面上方，該儀器的信號輸出端與信號處理設(shè)備的輸入端相連。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的氣體輸送裝置是一個空氣壓縮機。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的測示床高的儀器為光纖料面跟蹤儀。
4．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述質(zhì)量流量計和空氣壓縮機之間還接有過濾器。
5．如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，在質(zhì)量流量計和空氣壓縮機之間還接有干燥器。
6．如權(quán)利要求1所示的裝置，其特征在于，所述的信號處理設(shè)備包括微處理器、顯示器、存儲器、信號調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器；微處理器與顯示器互相連接，微處理亦與存儲器互相連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與微處理器的輸入端連接，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端與微處理器的輸出端連接，信號調(diào)理電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；且數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端為信號處理設(shè)備的輸出端，信號調(diào)理電路的輸入端為信號處理設(shè)備的輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種流態(tài)化特性在線鑒別與控制裝置,由測示設(shè)備與信號處理設(shè)備組成,測量設(shè)備包括光纖料面跟蹤儀、壓差變送器、質(zhì)量流量計等,由于對床高、壓降、氣速進行采樣、信號處理和記錄,該裝置能夠?qū)θ魏挝锪显诰€鑒別流態(tài)化特性、改善流態(tài)化質(zhì)量并實現(xiàn)優(yōu)化操作。
文檔編號G01F1/34GK2310310SQ9622251
公開日1999年3月10日 申請日期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, 秦紹宗, 郭慕孫, 李洪鐘 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所