CN1831494A - 一种流化床反应器的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床反应器声波检测方法，通过接收流化床反应器内部的声发射信号；分析接收到的声发射信号，选取声波信号的特征参数确定流化床内料位高度、起始流化速度、起始湍动流化速度以及流化床内颗粒的流动模式。并通过计算机分析，求出声信号混沌特性参数中的关联维数和K熵，与正常状态下声信号的关联维数和K熵相比较，定义颗粒团聚的故障系数，设定故障系数的阈值，当故障系数大于所设定的阈值时，可判断流化床内出现结块。本发明方法具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，对流化床料位高度能及时准确的在线分析，对起始流化速度、起始湍动流化速度、流化床内颗粒的流动模式和结块能准确地测定，并通过分析结果对生产参数进行控制。

Description

一种流化床反应器的检测方法

技术领域

本发明涉及流化床反应器的检测，尤其涉及流化床反应器的声波检测。

背景技术

气固流化床的料位高度、起始流化速度、起始湍动速度和颗粒的流动模式是流化床的重要参数。例如，气固流化床的料位高度是流化床的一个基本参数。在聚乙烯流化反应器中，床高直接影响到流化反应产品的质量和产量，及时、准确地检测料位高度，可维持流化床稳定优化的流化质量，确保流化床在最佳流化高度下进行操作，从而获得高产量。气固流化床反应器的起始流化速度和起始湍动速度是流化床反应器设计和生产操作的基础参数。起始流化速度和初始湍动速度的准确检测不但对于提高气固流化床的监控能力、优化生产具有重要意义，而且对于新反应器和新工艺的开发具有非常重要的作用。颗粒的流动模式是流态化最基本的问题之一。在乙烯流化床聚合反应器中，颗粒流动模式的测定可以清晰流化床颗粒的流动状况，继而优化操作、解决流化床反应器中的死区，获得高产量。

目前工厂中广泛应用压力、电容、重锤、温度、超声、伽马射线对流化床反应器内料位进行在线监测，应用压差法和压力脉动法对起始流化速度进行检测，而对起始湍动速度则至今尚未有任何方法进行检测。对流动模式，目前采用多普勒和核磁共振仪器进行测量，或由计算机模拟得到，但还停留在小试阶段。

通过以上设备或仪器在工厂中的应用，我们发现现有在线检测的装置和方法存在以下不足：

1)对于流化床反应器料位的监测，压力监测在监测过程中容易被堵塞，并且维修难；电容监测则安装难、易坏损；重锤监测自动化程度低；温度监测误差大；而且都存在时间上的不敏感性，即往往当信号出现显著变化时，床层流化质量已无法通过改变操作条件来改善；超声监测则价格高、干扰多而且需要电源；伽马射线则是对人体危害大。

2)压力、电容、重锤和温度监测以及压差法和压力脉动法都是插入式的，安装时候都要在流化床壁面上打孔，不仅不方便，而且可能影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应造成一定的影响。

3)对环境要求比较高，对于比较恶劣的工厂环境，例如：高温、高压、粉尘等环境下可能造成信号的失真，无法真实反映流化床内部的动态信息。

4)更为主要的是现在的各种信号分析手段还未能进行通过信号的分解得到料位高度、流化状态和流型。料位、流化状态和流型的测量对于流化床反应器来说具有非常重要的意义：首先它能反映流化床内部流动状况和反应程度，其次通过测定的结果能更好的调整流化床的操作参数，再次有利于控制产品的性能，节约加工成本。

因此，发展基于无接触测试技术、瞬态实时分析技术的简易快捷、安全环保的声波检测方法，对提高流化床内部参数检测灵敏度、精确度，特别是对于料位高度、起始流化速度、起始湍动速度和颗粒流动模式的测定具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种声波监测流化床反应器的方法，对流化床料位高度能及时准确的在线分析，对起始流化速度、起始湍动速度和颗粒流动模式能准确的测定，并通过分析结果对生产参数进行控制。

一种流化床反应器声波监测的方法，包括以下步骤：

a、接收流化床反应器内部的声发射信号；

b、分析接收到的声发射信号，选取声波信号的频率f、振幅A、能量E、各小波尺度或/和小波包尺度内的能量分率E_i(i为尺度数)、时间t作为特征值；

c、通过沿流化床轴向检测出在特定频率f或特定频率段的特征值E或特征值振幅A的均方差极大值确定流化床内料位高度；通过特征值E_i的变化所对应的气速确定起始流化速度和起始湍动速度；通过沿流化床轴向检测出在特定频率f或特定频率段的特征值E和/或特征值振幅A的差异确定流化床内颗粒的流动模式；

d、求出声信号混沌特性参数中的关联维数C_D2，a和K熵C_K2，a，与正常状态下声信号的关联维数C_D2，0和K熵C_K2，0相比较，定义颗粒团聚的故障系数：

$C_{D2}=\left|\frac{C_{D2,a}-C_{D\mathrm{2,0}}}{C_{D\mathrm{2,0}}}\right|,C_{K2}=\left|\frac{C_{K2,a}-C_{K\mathrm{2,0}}}{C_{K\mathrm{2,0}}}\right|$

设定故障系数C_D2，C_K2的阈值，当故障系数C_D2，C_K2大于所设定的阈值时，可判断流化床内出现结块。

声波信号的接收频率范围为0Hz～20MHz，其最优接收频率范围为0Hz～1MHz，接收位置为流化床反应器的分布板以上的壁面处。

本发明方法可用于流化床反应器的类型包括：气固流化床反应器、液固流化床反应器和气液固三相流化床反应器。

流化床反应器内部的动态声波信号通过设置在流化床反应器分布板以上的壁面处的声波接收装置进入放大装置进行信号的放大，以保证在长距离内信号不衰减，然后进入声信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声波信号处理装置(计算机)进行处理和分析。

采集得到流化床料位上方、料位附近和料位下方的声波信号随时间t变化，在料位上方，声波信号的振幅很小，且较为稀疏，这是因为在料位上方属于流化床稀相，颗粒稀少且粒径相对较小，使得颗粒碰撞壁面产生的振幅较小。而在料位附近，由于气泡逸出床面时的弹射作用和夹带作用，致使来自气泡顶部和来自气泡尾涡的颗粒因气泡破碎被抛入流化床的自由空域，此处颗粒运动最为活跃，即颗粒碰撞壁面产生的声能量和声波信号的波动也就越大，致使声信号振幅较大，且大小变化剧烈。在料位下方，声波信号的振幅总体较料位附近低，且振幅较均匀、稳定，同时由于颗粒浓度较大，因此信号十分密集，表明该区域属于颗粒活动相对不活跃的密相区。

采用平均粒径为460μm的聚乙烯粉料在直径150mm的流化床中流化，其声能量随床高的增加(密相段内)存在着2个最小值。在近分布板处，由于存在分布板射流作用，颗粒迅速被加速向上运动，因而分布板上颗粒具有较大的能量，声波能量较高。随着床高的增加，虽然颗粒浓度基本没有变化，但气体射流的动能迅速衰减，射流蜕化为许多向上运动的小尺寸气泡，颗粒速度相应下降，声波能量随之减少。至分布板以上0.16m处，声波能量第一次达到最小值。此时，声信号的均方差也进入第一次最小值，说明在此处颗粒运动变得不活跃，存在着所谓的“滞留区”或者“死区”。由于重力的作用，被提升到滞流区的颗粒还会随机地从两个射流股之间的空间回流，在分布板形成堆积，堆积的颗粒还会继续被气体射流再次加速，由此形成床内的短程循环区。随着床高的继续增加，部分颗粒运动脱离滞留区进入主循环区。在主循环区，壁面颗粒继续恢复活跃的运动状态，声波能量沿床高增加并达到稳定值。从流体力学方面分析，气泡在上升过程中相互聚并，尺寸不断长大，并且向床中心区域运动，由于颗粒上升是依靠气泡的夹带，当气泡携带着固体颗粒在床面爆破时，上流的颗粒将沿边壁区回流，以补充向上流动的颗粒造成的空缺，再次进入滞流区，由此形成颗粒在床内的主循环区。由声波能量的测量数据可以明显地区分出大小循环的分界线，在床层界面处，虽然颗粒的速度没有很大的变化，但由于颗粒浓度迅速减少，床高附近的声波能量再次处于最小值。当至0.82m处，声波能量降至第二个能量最低点，而此时声信号的均方差也进入第二次相对最小值。随着床高的继续升高，声能量和声信号均方差都达到最大，说明床层已经处于料位高度，这是因为料面由于气泡逸出床面时的弹射作用和夹带作用，致使来自气泡顶部和来自气泡尾涡的颗粒因气泡破碎被抛入流化床的自由空域，因而此处的颗粒运动最为活跃，声波信号的波动很大，反映为声信号波动性的均方差最大，而此时虽然颗粒浓度较低，但颗粒的速度极大，致使声能量很高。最后，料面以上为流化床的稀相，虽有颗粒以极大的速度撞击壁面，但颗粒浓度大为降低，因而声波能量将迅速下降。可见，料位附近的声信号均方差明显大于料位下方的声信号均方差。因此，声信号的均方差比达到最大时的床高即为料位高度。当沿流化床轴向不同位置处获得的声波信号能量E出现最小值的位置，可以判定为流化床内大小循环的分界线。

测定平均粒径为0.64mm颗粒的声信号。通过对声波信号进行小波包分析得到8个尺度的能量分率E₁-E₈，其中从E₁到E₈频率是从低到高变化，所代表的粒径是从大到小变化。在颗粒流化的过程中，随着速度的增加，能量分布从静态开始变化，E₈先于E₁开始变化，当气速到达起始流化速度时，能量分布暂时趋于稳定，即能量分率E₁-E₈趋于稳定，随着气速再增加，能量分率又开始波动变化，而当气速到达初始湍动速度时，能量分布又趋于稳定，即能量分率E₁-E₈再次趋于稳定。起始流化速度的判断基准为最后流化的大颗粒所对应的能量分率(E₂)随气度的变化曲线的拐点即为起始流化速度。与经典的压差法测定的结果相比较，平均相对误差仅为5.18％，说明利用声波能量的多尺度解析来获取起始流化速度是可行的。初始湍动速度的判断基准为当能量分率E₁-E₈再次趋于稳定时的流化速度。

混沌特性参数中经典的关联维数和K熵能揭示结块对流态化作用的规律性及其本质机理，实现流化床的有效监控。一般认为，当关联维数比较小时，表示参与输出信号系统的调节因素减少，系统的复杂性降低，也表示系统中点与点之间关联程度增加，系统更加紧密。维数越大，系统运动的复杂程度越大。同时K熵在混沌的度量中是非常有用的一个量。对于规则运动，K＝0；对于随机系统，K为无穷大；若系统表现为确定性混沌，则K是大于零的常数。K越大，信息损失速度越大，系统的混沌程度越大，或者说，系统越复杂。为此，定义颗粒团聚的故障系数C如下：

$C_{D2}=\left|\frac{C_{D2,a}-C_{D\mathrm{2,0}}}{C_{D\mathrm{2,0}}}\right|,C_{K2}=\left|\frac{C_{K2,a}-C_{K\mathrm{2,0}}}{C_{K\mathrm{2,0}}}\right|$

式中：

C_D2，C_K2——故障系数；

C_D2，a，C_K2，a——声信号的关联维数和K熵；

C_D2，0，C_K2，0——正常状态下声信号的关联维数和K熵。

容易知道，结块状况下的故障系数普遍大于正常流化状况下的故障系数，因此，可以设定一故障阈值α，当故障系数大于α时，可认为有结块产生。反之，则认为处于正常流化状况。先将正常操作时的混沌特征参数作为标准值C_D2，0和C_K2，0，再设定故障阀值，最后计算结块流化状态下的故障系数，以判断流化床内是否出现了结块。

本发明与现有的方法相比有如下优点：

1)对于流化系统的故障监测非常灵敏，能够随着流化系统的变化在特征物理量出现较大变化甚至突变，并且对这些变化存在空间或时间上的高敏感性。

2)声波监测装置是非插入式的，安装时候只要直接贴于流化床反应器壁面上就可以了，简易方便，因此不会影响流化床内部的流场，对系统内部的流动和反应不会造成影响。

3)对环境要求比较低，能在比较恶劣的工厂环境全天候工作，即使在高温、高压、粉尘等苛刻环境下仍能保持信号的真实程度，真实反映流化床料位高度、流化状态和流型的动态信息。

4)声波信号能直接反映流化床料位高度、流化状态和流型的动态信息，是通过流化床料位附近的物质与反应器壁之间的碰撞直接接收的。

5)是一种安全、绿色、环保的方法，对人体无害，并且采用无源或/和有源声发射原理，对于具有易燃易爆物质的流化床反应器也是安全的，不会由于静电等原因造成反应器的爆炸。

具体实施方式

实施例1

在高1000mm、内径150mm，分布板为多孔平板，孔径为2.0mm，开孔率为2.6％的有机玻璃建造的气固流化床中，以空气作为流化气体，表观气速为0.6m/s，静床高为500mm，无源声发射换能器贴于离分布板上方20mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、970mm、1000mm、1050mm、1100mm处，采样频率为500kHz，每次采样时间为10s。

保持流化床内颗粒流化状况及其它实验条件不变，通过流化床整床壁面上不同位置的若干个无源声发射换能器对线性低密度聚乙烯粒子的碰撞壁面的声波信号进行了测定来确定料位位置和流化床内颗粒流化状况。

当声信号的能量E或振幅A的均方差达到最大时的床高即为料位高度。当声波信号的能量E沿流化床轴向的最小值小于所有检测点获得的信号的平均能量的80％时，最小值出现的位置所对应的床高，为流化床内颗粒运动大小循环流动模式的分界线，即滞留区位置，相应的颗粒运动模式为双循环流动模式。

当声波信号的能量E沿流化床轴向的最小值大于等于所有检测点所获得的信号的平均能量的80％，则流化床内颗粒运动为单循环的流动模式。通过对声波信号进行小波包分析得到8个尺度的能量分率E₁～E₈，其中从E₁到E₈的频率是从低到高变化，所代表的粒径是从大到小变化，起始流化速度的判断准则为最后流化的大颗粒所对应的能量分率(E₁)随气速的变化曲线的拐点所对应的气速即为起始流化速度。初始湍动速度的判断准则为当大颗粒所对应的能量分率(E₁)再次趋于稳定时所对应的气速即为起始湍动速度。

实施例2

在流化床反应器气体分布板上方壁面处设置无源声发射换能器，将其接收到的信号进行A/D转换之后进行采集，采样频率为500kHz，每次采样时间为10s。将采集到的声信号进行计算，求出声信号混沌特性参数中的关联维数C_D2，a和K熵C_K2，a以及正常状态下声信号的关联维数C_D2，0和K熵C_K2，0，并按照下式计算颗粒团聚的故障系数：

$C_{D2}=\left|\frac{C_{D2,a}-C_{D\mathrm{2,0}}}{C_{D\mathrm{2,0}}}\right|,C_{K2}=\left|\frac{C_{K2,a}-C_{K\mathrm{2,0}}}{C_{K\mathrm{2,0}}}\right|$

设定故障系数C_D2，C_K2的阈值，当故障系数C_D2，C_K2大于所设定的阈值时，可判断流化床内出现结块。

Claims (4)

1.一种流化床反应器的检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

a、接收流化床反应器内部的声发射信号；

b、分析接收到的声发射信号，选取声波信号的频率f、振幅A、能量E、各小波尺度或/和小波包尺度内的能量分率E_i(i为尺度数)、时间t作为特征值，所述i为尺度数；

c、通过沿流化床轴向检测出在特定频率f或特定频率段的特征值E或特征值振幅A的均方差极大值确定流化床内料位高度；通过特征值E_i的变化所对应的气速确定起始流化速度和起始湍动速度；通过沿流化床轴向检测出在特定频率f或特定频率段的特征值E和/或特征值振幅A的差异确定流化床内颗粒的流动模式；

d、求出声信号混沌特性参数中的关联维数G_D2，a和K熵G_K2，a，与正常状态下声信号的关联维数G_D2，0和K熵G_K2，0相比较，定义颗粒团聚的故障系数：

$C_{D2}=\left|\frac{C_{D2,a}-C_{D\mathrm{2,0}}}{C_{D\mathrm{2,0}}}\right|,C_{K2}=\left|\frac{C_{K2,a}-C_{K\mathrm{2,0}}}{C_{K\mathrm{2,0}}}\right|$

设定故障系数G_D2，G_K2的阈值，当故障系数G_D2，G_K2大于所设定的阈值时，可判断流化床内出现结块。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器声波监测方法，其特征在于：所述的声波信号的接收频率范围为0Hz～20MHz。

3.根据权利要求1所述的流化床反应器声波监测方法，其特征在于：所述的声波信号的接收频率范围为0Hz～1MHz。

4.根据权利要求1所述的流化床反应器声波监测方法，其特征在于：所述的接收流化床反应器内部的声发射信号的位置为流化床反应器的分布板以上的壁面处。