氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法
2023-07-25 23:23:06 1
專利名稱：氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法，屬於流化床和多相流測量的技術領域。
背景技術：
氣固流化床顆粒混合行為反應了床內顆粒的運動及傳遞特性，是認識流化床氣固傳熱和傳質機理的關鍵，對於流化床反的設計和結構參數的優化具有重要的意義。正如文獻指出正是由於對顆粒混合特性的研究，認識到提升管較之湍動流化床有效地降低了氣固的返混，使得催化裂化工藝從傳統的流化床過渡到提升管反應器產生了質的飛躍參考文獻《流態化工程原理》.北京清華大學出版社.2001.。
目前，測量氣固流化床顆粒混合的主要方法是顆粒示蹤如磁性顆粒示蹤、熱顆粒示蹤、有色顆粒示蹤、磷光顆粒示蹤和放射性元素示蹤等。這些示蹤方法或多或少都存在不足，使得測量結果的重複性和可靠性均不太理想(1)磁顆粒示蹤一般只適用於單個示蹤顆粒，單個示蹤顆粒在流場中的運動的隨機性很大；若採用較多的示蹤顆粒，示蹤顆粒之間會產生同極相互排斥現象，示蹤顆粒的運動不能反應顆粒真實的運動。
(2)熱顆粒示蹤最大的缺點是熱示蹤顆粒在冷氣流的作用下溫度衰減很快；此外，對於稠密氣固流化床，熱示蹤顆粒往往容易被密集的床料遮擋，導致無法被靈敏熱電偶檢測到。
(3)有色顆粒示蹤最大的缺點在於在稠密氣固流化床中，有色顆粒也容易被密集的床料遮擋，而無法被快速數字圖像採集裝置捕捉。
(4)磷光顆粒示蹤與熱顆粒示蹤、有色顆粒示蹤類似，不太適用於顆粒濃度較大的氣固流化床。
(5)放射性元素示蹤是一種非常規的、公認的最有效的方法。它是一種非接觸式示蹤技術，示蹤和測量過程不幹擾床內的氣固流動，可以形象地獲得示蹤顆粒在氣固流化床中的運動軌跡和濃度分布，且特別適用於顆粒稠密的氣固流化床。但放射性示蹤顆粒的製備、保存和使用過程中涉及的安全問題，受到相關法律法規的嚴格限制；射線監測器或射線攝像機設備昂貴、操作較複雜，這使得該方法無法得到廣泛的應用。
常規的顆粒示蹤方法對於測量氣固流化床特別是稠密氣固流化床內複雜的顆粒混合已經變得愈加困難。隨著流化床技術日益廣泛的工業應用，流化床顆粒混合特性的測量問題逐漸受到重視，國內外眾多流化床研究開發機構正研製一些新的、可靠的、投資小且容易實現的測量方法及裝置。
發明內容
技術問題本發明旨在提供一種測量效果好的氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法，該方法可用於流化床顆粒快速運動過程中顆粒混合測量。
技術方案本發明提出了一種氣固流化床顆粒混合的新測量方法，其基本思路如下利用微波發生裝置產生微波，經天線和波導管的引導向流化床層發射，通過微波反射屏使微波在床層空間來回反射，加熱帶極性H2O分子的示蹤顆粒，使其向外輻射紅外線；通過光學成像物鏡接受紅外輻射能量分布，並將其反映到紅外探測器，紅外探測器將紅外輻射功率信號轉換成電信號，經放大器放大處理後送入計算機，轉換成標的準視頻信號，實時跟蹤、顯示和存儲示蹤顆粒的運動軌跡和濃度分布。
本發明的氣固流化床顆粒混合的測量裝置為在流化床相對面的兩側分別設置一個微波反射屏；由微波發生裝置、發射天線和波導管相串聯組成微波發射裝置，其中波導管位於一個微波反射屏的中間；由光學成像物鏡、紅外探測器、放大器、計算機相串聯組成微波接收和處理裝置，其中光學成像物鏡位於兩個微波反射屏之間的流化床的另一側面。微波反射屏由中間一塊半徑R等於兩倍流化床的寬度D、弦長等於流化床床層高度H的弧形微波反射板和上下兩塊長度為0.5H的微波吸收板連接而成；與微波發生裝置同側的弧形微波反射板中間開有直徑與波導管直徑相當的孔。
本發明的氣固流化床顆粒混合的測量裝置的測量方法為在流化床的一側設置的微波發生裝置產生的微波經發射天線和波導管的引導，向流化床中的床料發射；發射的微波通過安裝在流化床兩側的微波反射屏使微波在流化床內的空間來回反射，加熱床料中有帶極性H2O分子的示蹤顆粒，使示蹤顆粒向外輻射紅外線；置於流化床另一側面的光學成像物鏡接收紅外輻射能量分布圖形，將其反映到紅外探測器，紅外探測器將示蹤顆粒的紅外輻射功率信號轉換成電信號，經放大器放大後送入計算機並轉換成標準數字視頻信號，實時跟蹤、顯示和存儲示蹤顆粒的運動軌跡和濃度分布。示蹤顆粒由中空下半球和中空上半球通過高溫粘合料粘合而成，中空上半球開有極性分子液體注入孔，內注有極性分子液體H2O，其體積小於空腔體積的4/7。
有益效果本發明提出的氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法具有如下的特色及優點1、非接觸式測量，測量過程不幹擾流化床內的氣固流動。
2、經過優化設計的球面波導和微波反射屏，使示蹤顆粒在床內的任何位置都能得到均勻的微波輻射，維持在較高的溫度水平，穩定地向外輻射紅外線。
3、利用了紅外線較之可見光具有更好的穿透特性，示蹤顆粒即使處於流化床密集的顆粒群中，向外輻射的紅外線都能被紅外探測器所捕捉，即使用於稠密相氣固流化床顆粒混合的測量也能取得較好的效果。
4、實時跟蹤床內示蹤顆粒的運動軌跡和濃度分布，可用於流化床顆粒快速運動過程中顆粒混合的測量。
圖1是本發明的氣固流化床顆粒混合的測量方法的實施系統示意圖，其中有流化床1、床料2、示蹤顆粒3、微波發生器4、微波發射天線5、波導管6、微波反射屏7、光學成像物鏡8、紅外探測器9、放大器10和計算機11。
圖2是微波反射屏7的結構簡圖，由微波反射板12、微波吸收板13和波導安裝孔14組成。
圖3是示蹤顆粒3的放大結構簡圖，包括中空下半球15、中空上半球16、高溫粘合料17、極性液體注入孔18和極性分子液體H2O19。
具體實施例方式
以下參照圖1來詳細說明本發明。
本發明的目標是這樣實現的如圖1所示，在流化床1的一側置有微波發生裝置4，產生的微波經發射天線5發射後由波導管6引導，向床層輻射；微波是一種超高頻電磁波，每秒振蕩上百億次，當微波輻射到帶極性H2O分子的示蹤顆粒3，極性H2O分子的排列方向就要每秒鐘隨之改變上百億次，使水分子產生高速旋轉和震蕩，並與周圍的水分子發生相互碰撞、擠壓和磨擦而產生了大量的熱量，使示蹤顆粒3能夠在很短的時間內溫度迅速上升。安裝在流化床兩側的微波反射屏7使微波在床層空間來回反射，使處於床層不同位置的示蹤顆粒3都可以得到較均勻的微波輻射，維持較高的溫度，穩定地向外輻射紅外線；由於示蹤顆粒3的溫度與床料2的溫度差別很大，使得紅外輻射能量分布差別非常明顯。這時利用置於流化床1正面的光學成像物鏡8接受紅外輻射能量分布圖形，將其反映到紅外探測器9；紅外探測器9將示蹤顆粒3的紅外輻射功率信號轉換成電信號，經放大器10放大後送入計算機11並轉換成標準數字視頻信號，這樣就可實現實時跟蹤、顯示和存儲示蹤顆粒3的運動軌跡和濃度分布。
此外，為實現本發明的目標流化床1的正面用透紅外射線材料製作；置於流化床1側面的微波反射屏12由中間一塊半徑R等於2D(D為床寬)、弦長為H的弧形微波反射板13和上下兩塊長度為0.5H的微波吸收板連接而成，與微波發生裝置4同側的微波反射屏12的弧形微波反射板13中間開有直徑與波導管6直徑相當的孔，以安裝波導管，如圖2所示；示蹤顆粒3由中空下半球15和中空上半球16通過高溫粘合料17粘合而成，中空上半球16開有極性分子液體注入孔，如圖3所示，注入極性分子液體H2O19後，用高溫粘合料17將孔封死，示蹤顆粒3中注入的極性分子液體H2O19的體積小於空腔體積的4/7，以防止示蹤顆粒3中極性分子液體H2O19在微波加熱後氣化體積膨脹而炸裂。
具體方法是將少量的示蹤顆粒3均勻鋪放在流化床1的底部，再在上面加入床料床料2。流化床1為非金屬材料製作，正面採用透紅外材料，如透紅外玻璃；床料2為石英砂、河沙等；示蹤顆粒3為空腔中注入極性分子液體H2O的球形顆粒，粒徑和密度與床料2相當，空腔中極性分子液體H2O的體積小於空腔體積的4/7。
開啟安放在流化床1側面的微波發生裝置4，產生頻率為100GHz～300GHz的微波，經發射天線5和波導管6引導後向床層發射。微波通過安裝在流化床兩側的微波反射屏7在床層空間來回反射。微波反射屏12由中間一塊半徑R等於兩倍床寬D、弦長等於床層高度H的弧形微波反射板13和上下兩塊長度為0.5H的微波吸收板連接而成；與微波發生裝置4同側的微波反射屏12的弧形微波反射板13中間開有直徑與波導管6直徑相當的孔，以安裝波導管6。示蹤顆粒3受到微波的輻射後，在很短的時間內溫度迅速上升(接近100℃)，穩定地向外輻射紅外線。
開啟空氣A，使流化床處於運行狀態；與此同時開啟置於流化床1正面的光學成像物鏡8(帶廣角，調節放置的位置，使成像區域覆蓋床層)接受紅外輻射能量分布圖形，將其反映到紅外探測器9(取樣頻率大於50幀/秒)；紅外探測器9將示蹤顆粒3的紅外輻射功率信號轉換成0～5V的電信號，經放大器10放大後送入計算機11並轉換成標準數字視頻信號，實時跟蹤、顯示和存儲示蹤顆粒3的運動軌跡和濃度分布。
權利要求
1.一種氣固流化床顆粒混合的測量裝置，其特徵在於在流化床(1)相對面的兩側分別設置一個微波反射屏(7)；由微波發生裝置(4)、發射天線(5)和波導管(6)相串聯組成微波發射裝置，其中波導管(6)位於一個微波反射屏(7)的中間；由光學成像物鏡(8)、紅外探測器(9)、放大器(10)、計算機(11)相串聯組成微波接收和處理裝置，其中光學成像物鏡(8)位於兩個微波反射屏(7)之間的流化床(1)的另一側面。
2.根據權利要求1所述的氣固流化床顆粒混合的測量裝置，其特徵在於微波反射屏(7)由中間一塊半徑R等於兩倍流化床(1)的寬度D、弦長等於流化床(1)床層高度H的弧形微波反射板(13)和上下兩塊長度為0.5H的微波吸收板連接而成；與微波發生裝置(4)同側的弧形微波反射板(13)中間開有直徑與波導管(6)直徑相當的孔。
3.一種如權利要求1所述的氣固流化床顆粒混合的測量裝置的測量方法，其特徵在於在流化床(1)的一側設置的微波發生裝置(4)產生的微波經發射天線(5)和波導管(6)的引導，向流化床(1)中的床料(2)發射；發射的微波通過安裝在流化床(1)兩側的微波反射屏(7)使微波在流化床(1)內的空間來回反射，加熱床料(2)中有帶極性H2O分子的示蹤顆粒(3)，使示蹤顆粒向外輻射紅外線；置於流化床(1)另一側面的光學成像物鏡(8)接收紅外輻射能量分布圖形，將其反映到紅外探測器(9)，紅外探測器(9)將示蹤顆粒的紅外輻射功率信號轉換成電信號，經放大器(10)放大後送入計算機(11)並轉換成標準數字視頻信號，實時跟蹤、顯示和存儲示蹤顆粒的運動軌跡和濃度分布。
4.如權利要求3所述的氣固流化床顆粒混合的測量裝置的測量方法，其特徵在於示蹤顆粒(3)由中空下半球(15)和中空上半球(16)通過高溫粘合料(17)粘合而成，中空上半球(16)開有極性分子液體注入孔(18)，內注有極性分子液體H2O(19)，其體積小於空腔體積的4/7。
全文摘要
氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法涉及一種氣固流化床顆粒混合的測量裝置及測量方法，在流化床(1)相對面的兩側分別設置一個微波反射屏(7)；由微波發生裝置(4)、發射天線(5)和波導管(6)相串聯組成微波發射裝置，其中波導管(6)位於一個微波反射屏(7)的中間；由光學成像物鏡(8)、紅外探測器(9)、放大器(10)、計算機(11)相串聯組成微波接收和處理裝置，其中光學成像物鏡(8)位於兩個微波反射屏(7)之間的流化床(1)的另一側面。其方法為微波經天線和波導管的引導向流化床層發射，加熱床內帶極性H
文檔編號G01N22/00GK1877294SQ20061008831
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月10日 優先權日2006年7月10日
發明者鍾文琪, 金保升, 章名耀, 肖睿 申請人:東南大學