本發(fā)明涉及噴動床技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的裝置和方法。

背景技術(shù)：

噴動床(Spouted Bed)是一種處理流態(tài)化的裝置，其研究始于上世紀(jì)50年代，最初用于農(nóng)作物干燥。目前廣泛應(yīng)用在很多工業(yè)領(lǐng)域中，包括石油的催化裂解、煤的氣化或燃燒、核燃料的包覆等。

獲取穩(wěn)定的噴動狀態(tài)能夠有效地提高氣固傳熱效率和氣固接觸效率。噴動狀態(tài)的影響因素眾多，包括：氣體的種類和流量，顆粒的直徑和表面形貌、裝料量、床體結(jié)構(gòu)、溫場分布等因素。在低溫下通?？赏ㄟ^直觀觀察并改變上述條件獲得穩(wěn)定的噴動狀態(tài)，在床體不透明或者床體溫度較高而無法直接觀察時，通常通過監(jiān)控床層壓差的時域信號獲得穩(wěn)定的噴動狀態(tài)。

在石催化裂解、煤氣化或燃燒、核燃料包覆等應(yīng)用領(lǐng)域，需最大程度地追求氣固傳熱效率和氣固接觸效率。由于噴動床內(nèi)的氣體成分在高溫下隨反應(yīng)不斷變化，顆粒的直徑或密度也在不斷的變化，因此其噴動狀態(tài)也時時變化，若此時繼續(xù)通過監(jiān)控床層壓差的時域信號獲取穩(wěn)定的噴動狀態(tài)則非常困難，需要長期的工藝摸索和繁雜的數(shù)值模擬計算，且若其中某一影響因素稍作改變，則壓降的時域信號需要重新分析。因此需要開發(fā)一種實用性更強的基于床層壓差的頻域信號自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的技術(shù)方案。

功率譜是描述頻域中時間序列的相關(guān)性函數(shù)，其是采用傅里葉分析和統(tǒng)計分析相結(jié)合的手段，按信號所含不同頻率的波動能量大小將其分解，將各種動態(tài)信號變換到頻域上進行分析，得到波動信號的功率譜密度函數(shù)(Power spectra of density簡稱PSD)，通過頻譜分析可以求得動態(tài)信號的各個頻率成分和頻率分布范圍，以及動態(tài)信號中各個頻率成分的幅值分布和能量分布。噴動床床層各相的不均勻性源于氣泡的形成和運動，其中氣泡的合并和破碎導(dǎo)致了床層局部壓力發(fā)生變化。當(dāng)氣體噴動速度超過最小噴動速度以后，多于最小噴動速度的這部分氣體量將形成幾乎不含固體的氣泡，氣泡尺寸在沿床層上升的過程中逐漸變大，速度也會因氣泡尺寸的變大而加快，從而在床層中形成一個下部密相區(qū)、上部稀相區(qū)、頂部為噴射區(qū)的流型。因此，噴動床中最主要的壓力波動源來自噴射區(qū)氣泡的形成、上升和破裂，對應(yīng)于頻域信號上的主峰。當(dāng)然不可避免地，在噴動床內(nèi)由于噴動速度過大或過小、環(huán)隙區(qū)顆粒的振動、溫場變化、顆粒和床內(nèi)壁的噴撞等因素的存在，在頻域信號上會有上述壓力波動源的峰。為了達(dá)到穩(wěn)定的噴動狀態(tài)，獲取最大化的氣固傳熱效率和氣固接觸效率，噴射區(qū)顆粒振動的主峰所含的能量占整體壓力波動源能量的比例越大越好。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于床層壓差的頻域信號自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的裝置和方法，以使噴動床不斷獲得相對穩(wěn)定的噴動狀態(tài)，從而獲得最大化的氣固傳熱效率和氣固接觸效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的裝置，其包括一壓差測量模塊、一噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊、一信號采集模塊、一控制模塊和一噴動狀態(tài)調(diào)整模塊，其中：

所述壓差測量模塊用于測量噴動床的床層壓差；

所述噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊用于監(jiān)測噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)參數(shù)，所述噴動狀態(tài)參數(shù)與所述床層壓差一一對應(yīng)；

所述信號采集模塊與所述壓差測量模塊和所述噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊分別連接，用于采樣并輸出所述床層壓差及所述噴動狀態(tài)參數(shù)；

所述控制模塊連接在所述信號采集模塊與所述噴動狀態(tài)調(diào)整模塊之間，用于接收所述床層壓差及所述噴動狀態(tài)參數(shù)，并對所述床層壓差進行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號，而后對所述頻域信號進行歸一化處理以得到該頻域信號主峰的峰值和峰位，然后控制所述噴動狀態(tài)調(diào)整模塊對噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)進行調(diào)整，直至所述控制模塊接收到的噴動狀態(tài)參數(shù)為前后兩個頻域信號中主峰的峰值和峰位較大的一個所對應(yīng)的噴動狀態(tài)參數(shù)。

進一步地，所述壓差測量模塊為壓差傳感器，所述壓差傳感器的兩個測壓端分別連接所述噴動床的進氣端和出氣端。

進一步地，所述噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊為流量計或熱電偶。

進一步地，所述信號采集模塊為信號采集卡。

優(yōu)選地，所述信號采集模塊的采樣頻率為500-1500Hz。

優(yōu)選地，所述傅里葉變換的變換時間為20-60s，變換間隔為1-60s。

本發(fā)明另一方面提供一種自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的方法，該方法包括以下步驟：

步驟S1，測量噴動床的床層壓差；

步驟S2，監(jiān)測噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)參數(shù)，所述噴動狀態(tài)參數(shù)與所述床層壓差一一對應(yīng)；

步驟S3，采樣并輸出所述床層壓差及所述噴動狀態(tài)參數(shù)；

步驟S4，接收所述床層壓差及所述噴動狀態(tài)參數(shù)，并對所述床層壓差進行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號，而后對所述頻域信號進行歸一化處理以得到該頻域信號主峰的峰值和峰位，然后對噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)進行調(diào)整，直至所述噴動狀態(tài)參數(shù)為前后兩個頻域信號中主峰的峰值和峰位較大的一個所對應(yīng)的噴動狀態(tài)參數(shù)。

通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明通過不斷對比前后兩次床層壓差頻域信號主峰的峰值和峰位，并根據(jù)該峰值和峰位的大小不斷調(diào)整噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)，以使噴動狀態(tài)參數(shù)保持在該峰值和峰位較高時對應(yīng)的值，從而使噴射區(qū)顆粒振動的主峰所含的能量占整體壓力波動源能量的比例保持在較大的比例值。因此，采用本發(fā)明的噴動床能夠不斷獲得相對穩(wěn)定的噴動狀態(tài)，從而獲取最大化的氣固傳熱效率和氣固接觸效率。而且，本發(fā)明可以實現(xiàn)顆粒噴動狀態(tài)的調(diào)控自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而可以減少手工操作過程中存在的誤操作，提高工藝的可重復(fù)性，在石油催化裂解、煤氣化或燃燒、核燃料包覆等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例中床層壓差隨時間的變化曲線；

圖3為本發(fā)明一個實施例中歸一化處理后床層壓差的功率譜密度函數(shù)曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細(xì)說明。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的裝置如圖1所示，包括一壓差測量模塊1、一噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊2、一信號采集模塊3、一控制模塊4和一噴動狀態(tài)調(diào)整模塊5。

下面分別對各個模塊進行詳細(xì)說明：

壓差測量模塊1用于測量氣體經(jīng)過噴動床床層的床層壓差。在本發(fā)明中，壓差測量模塊1采用壓差傳感器實現(xiàn)，其兩個測壓端分別連接噴動床的進氣端和出氣端。

噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊2可以是流量計或熱電偶等，用于監(jiān)測噴動床內(nèi)的流量或溫度等噴動狀態(tài)參數(shù)，噴動狀態(tài)參數(shù)和床層壓差在時間上一一對應(yīng)。

信號采集模塊3與壓差測量模塊1和噴動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測模塊2分別連接，用于不斷采樣并輸出前述床層壓差及噴動狀態(tài)參數(shù)。在本發(fā)明中，信號采集模塊3優(yōu)選采用信號采集卡實現(xiàn)。其中，信號采集模塊3的采樣頻率需根據(jù)具體的噴動床床型等參數(shù)確定，太低的采樣頻率會丟失信息，分析結(jié)果不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)特性，過高則會采集過多的無效數(shù)據(jù)，并占用系統(tǒng)內(nèi)存空間。綜合考慮下，采樣頻率一般取500-1500Hz。

控制模塊4連接在信號采集模塊3與噴動狀態(tài)調(diào)整模塊5之間，用于接收信號采集模塊3輸出的床層壓差及噴動狀態(tài)參數(shù)，并對床層壓差進行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號，而后進一步對頻域信號進行歸一化處理以得到該頻域信號主峰的峰值和峰位，比較前后兩個頻域信號主峰的峰值和峰位大小，然后控制噴動狀態(tài)調(diào)整模塊5對噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)(如流量或溫度等)進行調(diào)整，以使信號采集模塊3采樣到的噴動狀態(tài)參數(shù)達(dá)到前后兩個床層壓差頻域信號中主峰的峰值和峰位較大的一個所對應(yīng)的噴動狀態(tài)參數(shù)值?？梢?，本發(fā)明通過對流量或溫度等的持續(xù)反饋控制，不斷獲得相對穩(wěn)定的顆粒噴動狀態(tài)，從而獲得最大化的氣固接觸效率和傳熱效率。在本發(fā)明中，傅里葉變換的變換時間需足夠大，這樣頻域信號才有一定的穩(wěn)定性，另一方面，變換時間不可過大，過大會降低頻域信號的實時性，并增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。綜合考慮，優(yōu)選變換時間為20-60s，變換間隔為1-60s。例如，轉(zhuǎn)換時間為40s，轉(zhuǎn)換間隔為1s，則第一次轉(zhuǎn)換的時間為0-40s，第二次轉(zhuǎn)換的時間為1-41s，以此類推。

本發(fā)明另一方面提供一種自動控制噴動床內(nèi)顆粒噴動狀態(tài)的方法，在執(zhí)行該方法之前，需首先保證床型尺寸，裝料量、顆粒直徑、顆粒密度等參數(shù)符合噴動床的要求，使床層在一定的氣體流量下，能形成噴動床。在本發(fā)明一個實施例中，噴動床床體內(nèi)徑為2英寸，噴口直徑為4mm，錐體角度為60°，靜止床層高度為0.7m，床體溫度加熱至1500℃；噴動顆粒選擇直徑500μm的氧化鋯顆粒(替代燃料核芯)，顆粒密度為6.05g/cm³，經(jīng)丙酮、去離子水和乙醇超聲波清洗后，在干燥箱烘干，稱取54g；在噴動床開始工作時，在其沉積爐內(nèi)通入10L/min氫氣和三氯甲基硅烷(體積分?jǐn)?shù)1.5％)的混合氣體，隨著SiC層的包覆，顆粒的直徑和質(zhì)量會隨著時間發(fā)生變化。針對該噴動床，本發(fā)明采用如下步驟自動控制其內(nèi)部的顆粒噴動狀態(tài)：

步驟S1，測量氣體經(jīng)過噴動床床層的床層壓差。

步驟S2，監(jiān)測噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)參數(shù)，該噴動狀態(tài)參數(shù)與床層壓差在時間上一一對應(yīng)。

步驟S3，采樣并輸出前述床層壓差及噴動狀態(tài)參數(shù)，取采樣頻率為1000Hz，從圖2中可以得到床層壓差隨時間的變化過程。

步驟S4，接收步驟S3輸出的床層壓差及噴動狀態(tài)參數(shù)，并對床層壓差進行傅里葉變換以將其實時轉(zhuǎn)換為頻域信號(在本實施例中，每采集40s的信號進行一次傅里葉變換，轉(zhuǎn)換間隔為1s)；而后進一步對頻域信號進行歸一化處理以得到該頻域信號主峰的峰值和峰位，歸一化處理后的床層壓差的功率譜密度函數(shù)曲線如圖3所示，其中主峰表示噴射區(qū)氣體壓力波動源(氣泡的形成，生長和破裂)；隨著反應(yīng)進行，溫度、顆粒直徑質(zhì)量等因素發(fā)生變化，床層壓差頻域信號主峰的峰值和峰位產(chǎn)生變化，通過不斷比較前后兩個頻域信號主峰的峰值和峰位的大小，然后對噴動床內(nèi)的噴動狀態(tài)進行調(diào)整，直到采樣到的噴動狀態(tài)參數(shù)(如流量或溫度等)達(dá)到前后兩個床層壓差頻域信號中主峰的峰值和峰位較大的一個所對應(yīng)的噴動狀態(tài)參數(shù)值，從而不斷獲得相對穩(wěn)定的顆粒噴動狀態(tài)，以最大化氣固接觸效率和傳熱效率。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，此處所描述的實例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，這里應(yīng)該被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于此文中的特別陳述和實施實例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)及原理啟示做出各種不脫離本發(fā)明的其它各種具體變形和組合，所做的變形和組合仍在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。