流態化特性快速定量方法
2023-05-02 12:32:36 2
專利名稱：流態化特性快速定量方法
技術領域：
本發明提出了一種快速鑑別氣-固流態化床內顆粒物料流態化特性的方法。
流態化技術是研究各種工藝過程中氣-固、液-固、氣-液-固相態之間的相對運動以及由此產生的混合、離析、接觸、傳質、傳熱和化學反應的一門學科。近年來隨著流態化技術在石油催化裂化過程中取得的顯著成果，現已被廣泛應用到冶金、產礦選礦和各種各業中，其中氣-固流態化技術在輕工業和食品工業中被用來生產具有特殊物理性能的顆粒材料，如磁性材料、速溶粉劑、防水建築材料等。在流態化技術的應用中，提高流態化質量是一個重要問題，對於氣-固流態化過程來說，這個問題表現為在流態化過程中如何促進固體與氣體之間的良好接觸，使傳質效果滿足產品指標，同時節約能源，防止粉塵等有害物質逃逸而造成環境汙染。例如，對某些物料的流態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塊，鼓泡太少氣固傳質不充分，而鼓泡太激烈，則造成氣泡短路，物料逃逸，非但達不到預期效果反而大大浪費了資源，因此提高流態化的質量問題實際上可以歸結為流態化床的優化操作問題。由於流態化是一個動態瞬變的運動過程，因此在線監測、定量分析、圖形描述、迴路控制是實現優化操作的必要措施。
現有對流態化特性進行判斷的方法，都以床層壓降的檢測為手段，用壓降波動的振蕩狀態確定流態化質量，預先確定氣速的經驗數據為設定值來控制流態化狀態，如美國專利「流態化質量分析器」(專利號US000543972A)所述。美國專利為了測量流化床中壓差的動態變化，採用響應頻率大於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，採取了一系列電路上的措施完成信號調理功能，最後設定氣速並且輸出控制氣速的電壓信號。這些現有技術用於流化床上進行流態化質量分析存在以下幾個問題。1.壓差變送器響應頻率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、以及氣速隨調過渡過程使物料抖動產生的噪聲。現有技術為了濾去噪聲設計了低通濾波器，由於不同的物料流態化條件差別較大，因此濾波器頻帶不能適用於各種物料，壓力變送器越靈敏，噪聲越大，使輸出信號的可靠性越差；2.事實上流態化從湍流到混沌這個過程是經過周期→倍周期→分岔發生→混沌。從平穩振蕩狀態到劇烈振蕩狀態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，有些物料流態化時很快從平穩振蕩狀態轉入劇烈振蕩狀態，一旦進入混沌，輸出信號不會正比於原始信號，而是無規則地振蕩，整流後電平是波動的，不能控制氣速穩定；3.現有技術只適用於對已知物料的最優流態化操作(已知的優化流態化速度是10～20％的鼓泡床速度)，而不是通用普適性的流態化特性分析技術。
本發明的目的是設計一種適用於任何物料、通過多種參數的檢測、能夠更快速和準確地定量流態化特性的方法。
流態化過程中，流態化床內氣-固二相的運動過程可以分為四個階段，即膨脹和開始湍流、臨界流態化、完全流態化和床層塌落四個階段。當流態化床內放置了需要測定流態化特性的顆粒物料後，給流化床輸送一個足夠大的氣速值，床內的表觀氣速從零增大到給定值時會產生一個過渡過程，在這個過程裡，當氣體開始向上流過顆粒床層時，氣體在顆粒之間的縫隙中通過，使顆粒鬆動而縫隙增大，氣速上升引起床面膨脹，床內壓降開始上升，氣速上升到一定值時開始有氣泡從料面中析出，這時流化床內的物料處在鼓泡和開始湍流狀態，這是流態化的第一個階段。當氣速繼續上升，大量氣泡從顆粒中析出，湍流使床內壓降直線上升，當氣速上升到使床層的壓降等於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，物料處於臨界流態化狀態，這是流態化的第二個階段。當氣速上升趨於穩定，而床層壓降大於床層粒子的重力時，整個床層物料開始上下翻騰，達到完全流態化狀態，此時壓降的上升趨向於穩定，這是流態化的第三個階段。此時突然切斷氣體輸送，流態化床內料面從翻騰狀態突然停止，開始床層塌落，經過濃相壓縮逐漸回復到固定床狀態，這個過程是第四個階段。流化床內氣-固二相流動的四個階段示意圖如圖2所示。
本發明的技術方案是這樣的。用床層壓降、料面床高、床內氣速三種時變物理量的時間序列來描述流態化特性，根據床高的突變確定膨脹和開始湍流所需的氣速，根據壓降從指數上升趨於穩定確定完全流態化所需氣速，根據氣速變化的過渡過程中氣速的拐點確定臨界流態化所需的氣速。具體步驟如下當流態化床內放置了需要測定流態化特性的顆粒物料後，給流態化床輸送一個足夠大的氣速值，至物料達到完全流態化狀態時，突然切斷氣體輸送，物料將逐漸回復到固定床狀態。在開始輸送氣體到物料回復到固定床狀態的過程中，記錄床高L(t)、床層壓降ΔP(t)和床內氣速U(t)三個時變參數的圖形和數據，在起始時刻t0床高L(t)，壓降ΔP(t)和床內氣速U(t)這3個時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，當開始鼓泡(即出現湍流時)，直線軌跡產生一個突變，將發生的時刻設為t1，U(t1)就是起始流態化速度。當氣速進一步增加，料面軌跡從周期振蕩變為不規則振蕩，此時床層壓降ΔP(t)從指數上升逐漸趨向平穩，當壓降基本不變的時刻設為t3，U(t3)是完全流態化速度。從t0-t1時間，過ΔP(t0)與ΔP(t1)二點作直線1，在壓降基本不變的t3時刻過ΔP(t3)作與時間軸平行的直線2，直線1與直線2的交點為[t2，ΔP(t2)]，U(t2)為臨界流態化速度。
由於採用了上述技術方案，能夠快速在線地得到流態化床內二相流動的4個階段的三種時間序列圖形即料面運動軌跡，流體速度在流態化過程中的變化曲線，床層壓降在流態化過程中的變化曲線。同時通過計算獲得從床層膨脹產生喘流→起始流態化→完全流態化的特徵數據，因此任何物性參數未知的顆粒物料，使其流態化達到什麼程度，所需提供的流體速度可以準確地被確定。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1流態化特性在線鑑別與控制裝置示意2流化床內氣-固二相流動的四個階段示意3流態化過程床高隨時間變化軌跡圖4床層壓降隨時間變化規律圖5床內氣速變化的過渡過程圖6流態化過程的流化曲線圖7流態化過程的膨脹曲線圖1中各部分為1.流態化床；2.光纖料面跟蹤儀；3.壓力變送器；4.質量流量計-a.控制器；b.過濾器；c.乾燥器；5.空氣壓縮機；6.補料輸入口。
本發明所提供的方法的實施是通過圖1所示的流態化特性在線鑑別與控制裝置來實現的。需要測定流態化特性的物料通過補料輸入口6送入流態化床1中，空氣通過空氣壓縮機5的作用，經乾燥器c和過濾器b，在含有控制器a的質量流量計4的控制下以一定的氣速進入流態化床1中，光纖料面跟蹤儀用來測量料面的床高，壓力變送器用來測量床層壓降，信號處理設備用來對測示設備輸出的有關床高、床層壓降、床內氣速的信號進行記錄、處理、顯示和存儲，並可以輸出控制信號給質量流量計4，控制床內氣速。
信號處理設備給質量流量計4輸出控制信號，使具有足夠大氣速值的空氣輸入流態化床1中，並開始記錄床高、床層壓降和床內氣速的變化，並根據壓降從指數上升趨於穩定的變化判斷完全流態化階段的開始，此時突然關閉氣體輸送。
信號處理設備對信號進行記錄和處理後，可以給出如圖3所示的流態化過程床高隨時間變化軌跡、圖4所示的床層壓降隨時間變化規律、圖5所示的床內氣速變化的過渡過程、圖6所示的流態化過程的流化曲線和圖7所示的流態化過程的膨脹圖線等數據，並按照前述的本發明的技術方案中所提供的方法，經過計算給出起始流態化速度U(t1)、完全流態化速度U(t3)和臨界流態化速度U(t2)等流態化特性參數。這些操作都可以通過電腦程式在信號處理設備中的進行來實現，對於本領域的專業技術人員來說，在本發明所提供的方法的基礎上，編制此類程序是完全可以做到的。
權利要求
1.一種流態化特性快速定量方法，其特徵在於，它用床層壓降、料面床高和床內氣速三種時變物理量的時間序列來描述流態化特性，根據床高的突變確定膨脹和開始湍流所需的氣速，根據壓降從指數上升趨於穩定確定完全流態化所需的氣速，根據氣速變化的過渡過程中氣速的拐點確定臨界流態化所需的氣速；具體體現為如下步驟(1)當流態化床內放置了需要測定流態化特性的顆粒物料後，給流態化床輸送一個足夠大的氣速值，至物料達到完全流態化時，突然切斷氣體輸送，物料將逐漸回復到固定床狀態；(2)在此過程中，記錄床高L(t)、床層壓降ΔP(t)和床內氣速U(t)三個時變參數的圖形和數據；(3)在起始時刻t0，床高L(t)、壓降ΔP(t)和床內氣速U(t)這3個時間序列的起始值為零，隨著床內氣速增加，床層膨脹，L(t)直線上升，當開始鼓泡，即出現湍流時，直線軌跡產生一個突變，將發生的時刻設為t1，對應於t1的U(t1)就是起始流態化速度；(4)當氣速進一步增加，料面軌跡從周期振蕩變為不規則振蕩，此時床層壓降ΔP(t)從指數上升趨向平穩，將壓降基本不變的時刻設為t3，相應的U(t3)是完全流態化速度；(5)從t0-t1時間，過ΔP(t0)與ΔP(t1)二點作直線1，在壓降基本不變的t3時刻過ΔP(t3)作與時間軸平行的直線2，直線1與直線2的交點為[t2，，ΔP(t2)]，相對應的U(t2)為臨界流態化速度。
全文摘要
本發明提供了一種流態化技術中用於快速定量流態化特性的方法，它通過流態化過程中床層壓降、料面床高、床內氣速三個時變物理量的圖形和數據來判斷起始流態化速度、臨界流態化速度和完全流態化速度等流態化特性參數，適用於各種物理參數未知的顆粒物料。
文檔編號B01J8/24GK1142982SQ9610961
公開日1997年2月19日 申請日期1996年9月6日 優先權日1996年9月6日
發明者錢梓文, 郭慕孫, 李洪鐘 申請人:中國科學院化工冶金研究所