專利名稱：攪拌釜泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到攪拌釜操作參數(shù)的檢測(cè)，具體是涉及一種攪拌釜的泛點(diǎn)轉(zhuǎn) 速的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
攪拌釜反應(yīng)器在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)藥、造紙、食品、化工 以及廢水處理等，其中尤以化學(xué)工業(yè)中使用最多，而氣液體系在攪拌釜操作 中占據(jù)很大比例，具有氣含率和相界面積大，容易換熱和處理量大等特點(diǎn)。 由于氣液兩相混合行為的復(fù)雜性，這類攪拌釜的設(shè)計(jì)和放大比較困難，而泛
點(diǎn)轉(zhuǎn)速iVf是在攪拌槳選型確定后攪拌過(guò)程設(shè)計(jì)和操作的一個(gè)核心點(diǎn)，是考察
攪拌混合效果的一個(gè)重要參數(shù)。 一般定義載氣狀態(tài)與氣泛狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)變的 臨界轉(zhuǎn)速稱為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速，即氣體從攪拌槳所在平面沿軸向直接到達(dá)自由液面 而沒(méi)有徑向分量的狀態(tài)為氣泛狀態(tài)，反之則為載氣狀態(tài)。
目前，公開(kāi)報(bào)導(dǎo)的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法主要分為兩大類， 一類是全局檢測(cè)
方法，如功率曲線、氣含率法等與可視化觀察相結(jié)合的方法；另一類是局部 檢測(cè)方法，如風(fēng)速計(jì)、阻抗探頭、微型螺旋槳等。然而，對(duì)于攪拌釜反應(yīng)器 而言，局部檢測(cè)方法大多為侵入式檢測(cè)方法，不適合苛刻的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境， 全局檢測(cè)方法則各有不足，如觀察法雖然原理簡(jiǎn)單、測(cè)量方便，但是由于其 精度不高，應(yīng)用范圍有限，而且不適用于不透明攪拌裝置內(nèi)；功率曲線方法 雖然是非侵入式測(cè)量手段，但其敏感度不高。因此，尋找一種新型的能快速、 準(zhǔn)確、安全地實(shí)現(xiàn)泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的方法具有重要的理論意義和廣闊的工業(yè)應(yīng) 用前景。
小波分析的特點(diǎn)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行變時(shí)窗分析，即對(duì)信號(hào)中的低頻分量采用較寬的時(shí)窗，對(duì)高頻分量采用較窄的時(shí)窗，這個(gè)特點(diǎn)使得小波分析在時(shí)域和 頻域同時(shí)具有良好的局部分析特性，這就非常適合聲發(fā)射信號(hào)的分析。而二
階Daubechies小波分解技術(shù)是小波分析中常用的一種算法，在科研中有廣泛 的應(yīng)用，如任聰靜等公開(kāi)的《氣固流化床聲發(fā)射信號(hào)的多尺度解析》(浙江大 學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008， 42(7):1255-1260)等。
目前應(yīng)用的分形特征分析方法主要為R/S分析。R/S分析又名Hurst分 析，是以分形布朗運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)(徐緒松，馬莉莉，陳彥斌.R/S分析的理 論基礎(chǔ)分形布朗運(yùn)動(dòng).武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2004.50(5):547-550)，研 究非周期行為的長(zhǎng)期相關(guān)性，對(duì)時(shí)間序列未來(lái)的變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，在信號(hào) 分析中有大量應(yīng)用，如任聰靜等公開(kāi)的《利用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)量攪拌釜的淤漿 懸浮高度》(化工學(xué)報(bào)，2008, 59(6):1383-1389)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種攪拌釜泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法，該方法將水聽(tīng)器探頭放置 于攪拌釜外壁面或內(nèi)部，通過(guò)采集振動(dòng)信號(hào)，可以對(duì)泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效檢測(cè)， 繼而對(duì)生產(chǎn)操作進(jìn)行優(yōu)化。
攪拌釜的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法包括如下步驟
1) 在攪拌釜外壁面或內(nèi)部設(shè)置水聽(tīng)器探頭；
2) 接收來(lái)自于攪拌釜內(nèi)部的振動(dòng)信號(hào)；
3) 以二階Daubechies小波分解技術(shù)解析接收到的振動(dòng)信號(hào)，利用Hurst 分析方法，選取Hurst值均小于0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào)作為特征信號(hào)；
4) 當(dāng)特征信號(hào)的能量分率iV決速增加結(jié)束并開(kāi)始趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的 攪拌轉(zhuǎn)速即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。
所述的水聽(tīng)器探頭優(yōu)選設(shè)置在攪拌釜外壁面靜液位高度以下區(qū)域，最優(yōu) 選為外壁面靠近底部1/4 1/3的靜液位高度區(qū)域。
4所述的水聽(tīng)器探頭為一個(gè)或多個(gè)，設(shè)置多個(gè)探頭時(shí)，可設(shè)置在不同位置。
所述的振動(dòng)信號(hào)的接收頻率范圍為大于0且小于等于100MHz。振動(dòng)信 號(hào)通過(guò)水聽(tīng)器探頭進(jìn)入放大裝置進(jìn)行信號(hào)放大，以保證長(zhǎng)距離信號(hào)輸送，然 后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入信號(hào)處理裝置(計(jì)算機(jī))進(jìn)行處理和分析。
采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)二階Daubechies小波分解技術(shù)解析后得到幾個(gè)尺度的 能量分率，利用Hurst分析方法，選取Hurst值均小于0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào) 作為特征信號(hào)，相應(yīng)頻段能量分率iV決速增加結(jié)束并開(kāi)始趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng) 的攪拌轉(zhuǎn)速即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。本發(fā)明可應(yīng)用的攪拌反應(yīng)器包括固-液兩相混合 攪拌釜、氣-液兩相攪拌釜以及氣-液-固三相混合攪拌釜。
本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比具有如下一些優(yōu)點(diǎn)
1) 振動(dòng)接收裝置可以是插入式的或者是非插入式的，安裝簡(jiǎn)易方便，不會(huì)影 響多相流體的運(yùn)動(dòng)或內(nèi)部的反應(yīng)；
2) 振動(dòng)信號(hào)是流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的，不需要發(fā)射源；
3) 對(duì)測(cè)量條件要求低，能適應(yīng)比較惡劣的條件，甚至是高溫高壓等苛刻環(huán)境;
4) 反應(yīng)靈敏，測(cè)量誤差小，應(yīng)用范圍廣。


圖1是及i隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化曲線其中(a)是攪拌釜外壁面測(cè)量A隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化曲線圖；(b)是攪 拌釜內(nèi)部測(cè)量凡隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化曲線圖2是實(shí)施例1中及i隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律曲線圖； 其中(a)為通氣流量gG-0.011m3's"; (b)為通氣流量gG=0.017 m3's"; (c)為通氣流量g(j-0.022m3's"; (d)為通氣流量^3-0.028m、"；
圖3是聲發(fā)射檢測(cè)裝置示意圖中，攪拌釜l、攪拌槳2、指型擋板兼進(jìn)氣管3、流量計(jì)4、風(fēng)機(jī)5、攪拌電機(jī)6、扭矩傳感器7、數(shù)顯儀表8、水聽(tīng)器探頭9、前置放大器IO、放 大器ll、計(jì)算機(jī)12。
具體實(shí)施例方式
采用如圖3所示的裝置，風(fēng)機(jī)5將氣體通過(guò)流量計(jì)4從指型擋板兼進(jìn)氣 管3鼓入攪拌釜1,攪拌電機(jī)6通過(guò))扭矩傳感器7控制攪拌槳2攪拌，數(shù)顯 儀表8與扭矩傳感器7連接，水聽(tīng)器探頭9接收來(lái)自于攪拌釜1內(nèi)部的振動(dòng) 信號(hào)，水聽(tīng)器探頭9通過(guò)前置放大器10、放大器11接入計(jì)算機(jī)12。保持通 氣量不變，i i隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化存在著規(guī)律性的變化，如圖1所示，其中， 圖1 (a)中水聽(tīng)器探頭設(shè)置在攪拌釜外壁面距底部1/3靜液位高度處，圖1 (b)中，水聽(tīng)器探頭設(shè)置在攪拌釜內(nèi)部距壁面1/2半徑，距底部1/3靜液位 高度處。由圖1可見(jiàn)，無(wú)論測(cè)量位置在攪拌釜外壁面還是內(nèi)部，攪拌速度比 較低時(shí)，氣泡在攪拌釜中下部分散很少，大部分直接沿?cái)嚢栎S上升到自由液 面，體系處于氣泛狀態(tài)。隨著攪拌速度的增大，沿?cái)嚢铇苯由仙揭好娴?比例越來(lái)越小，氣泡的分散趨于均勻，氣泡和液體相互作用以及對(duì)釜壁的撞 擊繼續(xù)增強(qiáng)，反映各種作用耦合強(qiáng)度的能量分率及i也越來(lái)越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 一定值時(shí)，體系內(nèi)大部分氣體分散已經(jīng)完成，氣泡與氣泡之間、氣泡與液體 之間以及液體之間的相互耦合作用達(dá)到極值，體系已經(jīng)由氣泛狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩d 氣狀態(tài)；當(dāng)攪拌速度進(jìn)一步增大，振動(dòng)信號(hào)能量分率基本穩(wěn)定，這是因?yàn)闅?泡在液相主體中分散均勻并趨于穩(wěn)定，振動(dòng)信號(hào)能量完成了重新分配過(guò)程。 由此，獲得體系的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法可在以W為橫坐標(biāo)，A為 縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中作圖，可得到如圖l所示的曲線，兩直線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 的橫坐標(biāo)即為該體系下的泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。
通過(guò)具體的實(shí)施例可以更加清晰地了解對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
6實(shí)施例l
氣-液混合體系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，測(cè)量泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。 攪拌釜的內(nèi)徑為980 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水。攪 拌槳為三層六直葉圓盤(pán)渦輪，槳葉直徑為350 mm，水600 L。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為0.83 3.33r's"，通氣量為0.011-0.028 m3《1，水聽(tīng)器探頭設(shè)置在攪拌釜外壁面靠 近底部1/4靜液位高度處，振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為20 kHz。
將采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行二階Daubechies多尺度小波分解并利用R/S 分形技術(shù)，選取Hurst值均小于0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào)為代表固體粒子運(yùn)動(dòng)的 振動(dòng)信號(hào)能量分率凡。考察i i在不同通氣量時(shí)隨攪拌轉(zhuǎn)速AT的變化如圖2 所示。
圖2上可以看出，代表固體顆粒運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)能量分率A隨攪拌轉(zhuǎn)速 的變化有一定的規(guī)律，在攪拌速度比較低的區(qū)域，A隨攪拌速度有一個(gè)快速 上升的過(guò)程。此時(shí)，作為分散相的氣體在徑向流和軸向流的作用下逐漸向底 部分散進(jìn)而碰撞壁面，壁面處的振動(dòng)信號(hào)代表了氣泡與氣泡之間，氣泡與液 體之間以及與壁面的碰撞，隨著攪拌速度的增加，碰撞壁面的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越多， 特征信號(hào)的能量分率也越來(lái)越大；當(dāng)攪拌速度達(dá)到某一轉(zhuǎn)速后，振動(dòng)信號(hào)能 量分率開(kāi)始穩(wěn)定，這是因?yàn)闅馀菰谝合嘀黧w中分散均勻并趨于穩(wěn)定，振動(dòng)信 號(hào)能量完成了重新分配過(guò)程。這時(shí)的攪拌轉(zhuǎn)速即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。
表l水聽(tīng)器測(cè)定泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速值與目測(cè)法測(cè)定值的比較
測(cè)量高度通氣量■^viusal平均相對(duì)誤差
/mm/mV1/r.s"/r.s-1(%)
0.0112.002.08
7000.0172.322.334.20
0.0222.562.66
0.0282.813.08實(shí)施例2
氣-液-固混合體系，淤漿聚乙烯中試裝置，測(cè)量泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速，水聽(tīng)器探頭 放置在攪拌釜外壁面2/5的靜液位處。
試驗(yàn)釜的體積為10L，材質(zhì)為不銹鋼，以高純度乙烯為主要原料，以小 比例丙烯或l一丁烯為共聚單體，以氫氣為分子量調(diào)節(jié)劑，以已烷為溶劑， 采用四氯化鈦/乙氧基鎂負(fù)載型高效Z—N催化劑，在溫度為87°C、壓力為 0.8 MPa下進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)聚乙烯。反應(yīng)釜中形成由乙烯氣體、正己烷溶劑 和聚乙烯固體組成的氣-液-固三相體系。攪拌槳為盤(pán)式渦輪槳，槳葉直徑為 30cm，采樣頻率為100MHz。
將所得信號(hào)進(jìn)行多尺度分解并利用R/S分形技術(shù)，選取Hurst值均小于 0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào)為代表固體粒子運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)能量分率i i?？疾煺?動(dòng)信號(hào)能量分率A隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，當(dāng)及i趨于穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速 即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速，與傳統(tǒng)方法相比誤差小于3.12%。
權(quán)利要求
1.一種攪拌釜泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟1)在攪拌釜外壁面或內(nèi)部設(shè)置水聽(tīng)器探頭；2)接收來(lái)自于攪拌釜內(nèi)部的振動(dòng)信號(hào)；3)以二階Daubechies小波分解技術(shù)解析接收到的振動(dòng)信號(hào)，利用Hurst分析方法，選取Hurst值均小于0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào)作為特征信號(hào)；4)當(dāng)特征信號(hào)的能量分率快速增加結(jié)束并開(kāi)始趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的水聽(tīng)器探頭設(shè) 置在攪拌釜外壁面靜液位高度以下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的水聽(tīng)器探頭設(shè) 置在攪拌釜外壁面靠近釜底部1/4 1/2的靜液位高度區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的水聽(tīng)器探頭為 一個(gè)或多個(gè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述振動(dòng)信號(hào)的接收頻率大于0且小于等于100MHz。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種攪拌釜泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法。包括如下步驟1)在攪拌釜外壁面或內(nèi)部設(shè)置水聽(tīng)器探頭；2)接收來(lái)自于攪拌釜內(nèi)部的振動(dòng)信號(hào)；3)以二階Daubechies小波分解技術(shù)解析接收到的振動(dòng)信號(hào)，利用Hurst分析方法，選取Hurst值均小于0.5的頻段的振動(dòng)信號(hào)作為特征信號(hào)；4)當(dāng)特征信號(hào)的能量分率R_i快速增加并開(kāi)始趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速即為泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速。采用本發(fā)明方法的振動(dòng)接收裝置可以是插入式的也可以是非插入式的，安裝簡(jiǎn)易方便，不會(huì)影響流體的運(yùn)動(dòng)或反應(yīng)；振動(dòng)信號(hào)是流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的，不需要發(fā)射源，安全環(huán)保；對(duì)測(cè)量條件要求低，能適應(yīng)比較惡劣的條件；反應(yīng)靈敏，測(cè)量誤差小，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)G01P5/24GK101514995SQ20091009589
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者任聰靜, 張雷鳴, 兵 汪, 王云興, 王靖岱, 陽(yáng)永榮, 魏舸裔, 黃正梁 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)