專利名稱：管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于石油、化工、造紙領(lǐng)域中輸送含鹽的液固兩相流體時(shí)因鹽析晶 體在濃度、溫度、速度等條件共同作用下不斷析出，鹽析層厚度連續(xù)增長(zhǎng)而影響流程運(yùn)行的 在線監(jiān)測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
鹽析是以鈉、鉀離子為主要成分的單一溶液或多種物質(zhì)的混合溶液中固體物質(zhì)析出的過 程，伴有鹽析的液固兩相(或多相)流動(dòng)是工業(yè)上常見的現(xiàn)象，尤其集中于石油、化工、造 紙行業(yè)中。在介質(zhì)的輸送中一旦發(fā)生鹽析現(xiàn)象，析出的固相物質(zhì)會(huì)發(fā)生沉降并以不同的速度 粘結(jié)于管道內(nèi)壁，沉積層會(huì)隨著介質(zhì)輸送時(shí)間的加長(zhǎng)而增厚，結(jié)果導(dǎo)致過流通道面積變小， 流程需要的技術(shù)性能參數(shù)改變，影響到流程的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行輸送設(shè)備的清理與更 換，造成不同程度的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。又由于工業(yè)鋼制管路輸運(yùn)的封閉性和非透明性， 通常對(duì)于這種危害人們難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。常規(guī)的作法就是定期拆卸管路進(jìn)行觀測(cè)，如文 獻(xiàn)"管內(nèi)綠液輸運(yùn)過程中結(jié)鹽機(jī)理"(來源江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005, 11(6):514 一516)所述，但這一作法既費(fèi)力又不可靠。
美國(guó)田納西州Oak Ridge National laboratory(ORNL)的Timothy D.Welch在發(fā)布的報(bào)告 "Tank Waste Transport, Pipeline Plugging, and the Prospects for Reducing the Risk of Waste Transfers " (Source: Web site: http:〃www.osti.gov/contact.htm1, Aug 2001.)中提及了管道堵塞 的六種機(jī)理，其中有三種機(jī)理涉及具有結(jié)鹽或化學(xué)反應(yīng)的兩相流動(dòng)，并運(yùn)用多種數(shù)值計(jì)算方 法研究了鹽析過程。這種理論分析及數(shù)值計(jì)算不全面，沒有將濃度、溫度、速度等影響鹽析 速率的因素加以全面考慮，沒有給出管內(nèi)鹽析層厚度隨時(shí)間發(fā)展的趨勢(shì)性分析。
國(guó)內(nèi)也有采用從鹽析機(jī)理出發(fā)，推導(dǎo)出相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)而編制程序的方法來預(yù)測(cè)鹽析 量的方法。這種方法的不足在于一方面由于機(jī)理研究的滯后性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在 較大差異，另一方面其結(jié)果僅僅預(yù)測(cè)出輸送介質(zhì)中的鹽析量，而不能給出管道內(nèi)壁上鹽析層 厚度的具體數(shù)值。這一數(shù)值又是影響到整個(gè)工藝流程正常運(yùn)行的關(guān)鍵性因素。
目前，由于缺少管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置，無法對(duì)輸送鹽類溶液的系 統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也就不能保證其安全、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置，旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸 送鹽類溶液工藝流程中管道內(nèi)壁上由于各種因素影響的鹽析層厚度的變化規(guī)律，以提高系統(tǒng)
運(yùn)行的安全性和相關(guān)設(shè)備的使用壽命。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的， 一種管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法， 該方法包括如下步驟-
(1) 在未發(fā)生鹽析狀態(tài)下，由高精度貼片熱電阻7測(cè)得監(jiān)測(cè)管段2外壁面溫度乙2,由 高精度鎧裝熱電阻3測(cè)得主流溫度7^及由環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻9測(cè)得室內(nèi)環(huán)境溫度re;
(2) 由計(jì)算機(jī)采集五個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)，并分別計(jì)算外壁面因輻射及空氣自然對(duì)流而產(chǎn) 生的熱損失仏、《2，列出主流至外壁面的總散熱速率《；
(3) 由第l、第2步計(jì)算鹽析過程的對(duì)流傳熱熱阻及系數(shù)/z;
(4) 在鹽析狀態(tài)，同樣測(cè)得主流溫度rft、監(jiān)測(cè)管段外管壁面溫度7^及環(huán)境溫度3\， 并由計(jì)算機(jī)連續(xù)采集溫度信號(hào)；
(5) 由第3、第4步的結(jié)果，根據(jù)以下兩式計(jì)算出上述條件下的管內(nèi)鹽析層熱阻/ ,及
其所在圓柱面內(nèi)徑(^
及，二^^lnH;2
<formula>formula see original document page 5</formula>(6)管內(nèi)鹽析層實(shí)時(shí)厚度則為<formula>formula see original document page 5</formula>式中的丄、、.、《分別為監(jiān)測(cè)管段長(zhǎng)度、鹽析層導(dǎo)熱率及監(jiān)測(cè)管段內(nèi)徑。 本發(fā)明還提出了一種實(shí)施上述方法的監(jiān)測(cè)裝置，其包括連接法蘭、監(jiān)測(cè)管段、溫度傳感
器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)釆集器、數(shù)字通訊卡和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示結(jié)果的計(jì)算機(jī)，
其特征在于溫度傳感器為在監(jiān)測(cè)管段上布置的多只高精度熱電阻，其并列連接到濾波器上，
所述的濾波器通過A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器又通過數(shù)字通訊卡與計(jì)算機(jī)
的輸入端相連接。
所述的監(jiān)測(cè)管段(2)的材質(zhì)及管徑與鹽類溶液輸送系統(tǒng)的主管路相一致，并通過連接 法蘭(1)與主管路相連接。
在監(jiān)測(cè)管段(2)中心線上布置了兩只熱電阻測(cè)量主流溫度，在與主流測(cè)溫?zé)犭娮柰?br> 圓周面上布置兩只貼片熱電阻測(cè)量管段外邊壁溫度，四只熱電阻同處于水平面上。對(duì)兩組不
同圓周截面上所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均后的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。且還設(shè)有環(huán)境溫度測(cè)試熱電
阻(9)。 所述的高精度鎧裝熱電阻安裝座6其材質(zhì)與監(jiān)測(cè)管路材質(zhì)一致，下部加工成與監(jiān)測(cè)管路 外徑相匹配的弧度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1. 方法簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。通過測(cè)試鹽析前后的管內(nèi)主流溫度和管壁溫度計(jì)算出管內(nèi)鹽 析層厚度，方法簡(jiǎn)單易行從而保證了監(jiān)測(cè)的可靠性。
2. 監(jiān)測(cè)參數(shù)少，操作簡(jiǎn)便。只需測(cè)試五個(gè)實(shí)時(shí)溫度值，且通過計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，改變 了以往人工拆卸管路以觀測(cè)鹽析層厚度的狀況。
3. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精度高。溫度傳感器采用高精度熱電阻，誤差范圍在正負(fù)0.2'C，并利 用計(jì)算機(jī)在線連續(xù)采集溫度信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控管內(nèi)鹽析層厚度的變化狀況，從而有效地提高了 整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和相關(guān)設(shè)備的使用壽命。
4. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便。監(jiān)測(cè)管道采用與運(yùn)行系統(tǒng)主管路材質(zhì)和口徑一致的鋼管簡(jiǎn)單 加工而成，通過法蘭與其相連接，使得裝置本身制作、安裝方便。


圖1監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖
圖2高精度鎧裝熱電阻安裝圖
圖3安裝座示意圖
圖4不同主流溫度下綠液鹽析層厚度隨時(shí)間的變化 圖5不同主流速度下綠液鹽析層厚度隨時(shí)間的變化
圖l及圖2中
1法蘭 2監(jiān)測(cè)管段 3高精度鎧裝熱電阻 4固定螺母5密封圈 6 安裝座
7高精度貼片熱電阻 8固定磁鐵 9環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻 10
濾波器
11 A/D轉(zhuǎn)換器 12數(shù)據(jù)采集器 13數(shù)字通訊卡 14
計(jì)算機(jī)
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種用于因鹽析層厚度連續(xù)增長(zhǎng)而影響流程運(yùn)行的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置。下面 結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施例，以進(jìn)一步理解本發(fā)明。
圖1為監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖，該裝置包括連接法蘭、監(jiān)測(cè)管段、高精度鎧裝熱電阻、固定
螺母、密封圈、安裝座、高精度貼片熱電阻、固定磁鐵、環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻、濾波器、
A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字通訊卡、計(jì)算機(jī)。所述的監(jiān)測(cè)管段2通過連接法蘭1與鹽
類溶液輸送系統(tǒng)相連接，所述的安裝座6焊接于監(jiān)測(cè)管段2上用于高精度熱電阻3的定位與 安裝，同時(shí)由固定螺母4固定及密封圈5對(duì)固定螺母4與高精度熱電阻3的間隙進(jìn)行密封， 所述的高精度貼片熱電阻7由固定磁鐵8通過磁力吸附于監(jiān)測(cè)管段2的外壁，所述的高精度 熱電阻3、高精度貼片熱電阻7及環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻9并列連接到濾波器10上，所述的 濾波器10通過A/D轉(zhuǎn)換器11與數(shù)據(jù)采集器12連接，該數(shù)據(jù)采集器12又通過數(shù)字通訊卡 13與計(jì)算機(jī)14的輸入端相連接。
在監(jiān)測(cè)管段2中心線上布置了兩只高精度鎧裝熱電阻3測(cè)量主流溫度，在與主流測(cè)溫 高精度熱電阻3同一圓周面上布置兩只高精度貼片熱電阻7測(cè)量監(jiān)測(cè)管段2外邊壁溫度，四 只高精度熱電阻同處于水平面上。對(duì)兩組不同圓周截面上所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均后的數(shù) 據(jù)為有效數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方法如下
在制漿造紙行業(yè)堿回收工藝流程中綠液輸送系統(tǒng)的鹽析現(xiàn)象非常嚴(yán)重，為此，運(yùn)用本發(fā) 明所提供的監(jiān)測(cè)方法和裝置對(duì)管內(nèi)綠液鹽析層厚度的增長(zhǎng)進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)。
1) 將按附圖1所制作的管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)裝置通過連接法蘭1與綠液輸送系 統(tǒng)的主管路相連接。
2) 在未發(fā)生鹽析狀態(tài)下，由高精度貼片熱電阻7測(cè)得監(jiān)測(cè)管段2外壁面溫度rw2，由 環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻9測(cè)得室內(nèi)環(huán)境溫度為re。
3) 由計(jì)算機(jī)采集溫度信號(hào)，按式l 、式2分別求得外壁面因輻射及空氣自然對(duì)流而
產(chǎn)生的熱損失&、《2。
式中&—-輻射產(chǎn)生的熱損失，『 s--黑度，取f = 0.8
C0 —-黑體輻射系數(shù)，取Cq =5.67『/(m2 14)
p- —角系數(shù)，取^ = 1
^ --監(jiān)測(cè)管段外徑，w 丄--監(jiān)測(cè)管段長(zhǎng)度，m
<formula>formula see original document page 7</formula>
(2)
式中《2--空氣自然對(duì)流產(chǎn)生的熱損失，『 & -—自然對(duì)流傳熱系數(shù)，『/(;w2 . C) &由定性溫度7} = (rw2 +Te)/2下的瑞利數(shù)i 。、空氣物性參數(shù)及水平圓管的幾何外形確定。
4) 由高精度鎧裝熱電阻3測(cè)量未結(jié)鹽狀態(tài)下綠液主流溫度7i并結(jié)合第一步獲得的外壁 面溫度7W，由式3列出主流至外壁面的總散熱速率《(由于鋼管壁的導(dǎo)熱率非常大,60。C時(shí)
約為50『/(m'。C義故不計(jì)入管壁的熱傳導(dǎo)熱阻)。
《=￡^1 (3)
式中g(shù)- —總散熱率，『
《一-監(jiān)測(cè)管段內(nèi)徑，W
"-鹽析過程的對(duì)流傳熱系數(shù)，W /(W2 . 'C) 由于總散熱速率等于全部的熱損失，故
《"1+《2 (4)
由式(i)、 (2)、 (3)可求得鹽析過程的對(duì)流傳熱熱阻及系數(shù); 。
5) 在鹽析狀態(tài)，同樣測(cè)得主流溫度7^、監(jiān)測(cè)管段外管壁溫度7;2及環(huán)境溫度乙，此時(shí)
總的散熱速率為
-+-ln二
式中鹽析層導(dǎo)熱率，PF/0n.C)，由相關(guān)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)確定 fl^--鹽析層所在圓柱面內(nèi)徑，w
式(5)中的g、 9l、 &、 r 2、 re分別為鹽析狀態(tài)下的總散熱率、輻射產(chǎn)生的熱損失、
空氣自然對(duì)流產(chǎn)生的熱損失、外管壁溫度、環(huán)境溫度。同時(shí)，鑒于綠液鹽析過程的緩慢性和 實(shí)驗(yàn)工況保持恒定，認(rèn)為鹽析狀態(tài)下綠液的對(duì)流傳熱系數(shù)未變化。
6)由式(6)即可求得綠液鹽析層熱阻i
7)由式(7)求得管內(nèi)鹽析層所在圓柱面內(nèi)徑J,
則管內(nèi)鹽析層厚度^,由式(8)求得
<formula>formula see original document page 9</formula>(6)
<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
<formula>formula see original document page 9</formula>(8)
式中各參數(shù)定義同上。
圖4及圖5分別給出了一段時(shí)間內(nèi)，管內(nèi)不同主流溫度下和不同主流速度下綠液鹽析層 厚度隨時(shí)間的變化狀況。
權(quán)利要求
1.一種管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置，其特征在于監(jiān)測(cè)方法為(1)在未發(fā)生鹽析狀態(tài)下，由高精度貼片熱電阻(7)測(cè)得監(jiān)測(cè)管段(2)外壁面溫度Tw2，由高精度鎧裝熱電阻(3)測(cè)得主流溫度Tb及由環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻(9)測(cè)得室內(nèi)環(huán)境溫度Te；(2)由計(jì)算機(jī)采集五個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)，并分別計(jì)算外壁面因輻射及空氣自然對(duì)流而產(chǎn)生的熱損失q1、q2，列出主流至外壁面的總散熱速率q；(3)由第1、第2步計(jì)算鹽析過程的對(duì)流傳熱熱阻及系數(shù)h；(4)在鹽析狀態(tài)，同樣測(cè)得主流溫度Tb、監(jiān)測(cè)管段外管壁面溫度Tw2及環(huán)境溫度Te，并由計(jì)算機(jī)連續(xù)采集溫度信號(hào)；(5)由第3、第4步的結(jié)果，根據(jù)以下兩式計(jì)算出上述條件下的管內(nèi)鹽析層熱阻Rf及其所在圓柱面內(nèi)徑df
2. 實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的監(jiān)測(cè)裝置，其包括連接法蘭、監(jiān)測(cè)管段、溫度傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字通訊卡和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示結(jié)果的計(jì)算機(jī)，其 特征在于溫度傳感器為在監(jiān)測(cè)管段(2)上布置的多只高精度熱電阻，其并列連接到濾波器 (10)上，所述的濾波器(10)通過A/D轉(zhuǎn)換器(11)與數(shù)據(jù)采集器(12)連接，數(shù)據(jù)采 集器(12)又通過數(shù)字通訊卡(13)與計(jì)算機(jī)(14)的輸入端相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于監(jiān)測(cè)管段 (2)的材質(zhì)及管徑與鹽類溶液輸送系統(tǒng)的主管路相一致，并通過連接法蘭(1)與主管路相
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于在監(jiān)測(cè)管 段(2)中心線上布置了兩只測(cè)量主流溫度的高精度鎧裝熱電阻(3),在與高精度鎧裝熱電 阻(3)同一圓周面上布置兩只測(cè)量監(jiān)測(cè)管段(2)外邊壁溫度的高精度貼片熱電阻(7)，四 只高精度熱電阻同處于水平面上，且還設(shè)有環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻(9)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述的高 精度鎧裝熱電阻的安裝座(6)材質(zhì)與監(jiān)測(cè)管路材質(zhì)一致，其下部加工成與監(jiān)測(cè)管路外徑相 匹配的弧度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述的高 精度貼片熱電阻(7)由固定磁鐵(8)通過磁力吸附于監(jiān)測(cè)管段(2)的外壁。
全文摘要
本發(fā)明提供一種管內(nèi)鹽析層厚度增長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)方法及裝置，所述的裝置由連接法蘭、監(jiān)測(cè)管段、高精度鎧裝熱電阻、固定螺母、密封圈、安裝座、高精度貼片熱電阻、固定磁鐵、環(huán)境溫度測(cè)試熱電阻、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字通訊卡、計(jì)算機(jī)等組成。本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)采集鹽析前后由高精度熱電阻和高精度貼片熱電阻傳輸?shù)男盘?hào)以及計(jì)算相應(yīng)的鹽析層熱阻值，進(jìn)而獲得鹽析層厚度的精確數(shù)值，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送鹽類溶液工藝流程中管道內(nèi)壁上由于各種因素影響的鹽析層厚度的變化狀況，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和相關(guān)設(shè)備的使用壽命。
文檔編號(hào)G01K7/16GK101097134SQ20071002330
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者周洪斌, 楊敏官, 賈衛(wèi)東 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)