丝网波纹填料塔液泛水力学特征

在炼油、石油化工、精细化厂、食品及医药等部门,塔器均属量大面广的重要单元设备,其投资-般占投资总额的20%左右,有些甚至高达50%,塔器广泛应用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。因此塔器的研究一直受到国内外学者普遍关注。由于规整填料塔具有效率高、压降低、放大效应不明显等优点,使其应用越来越广泛^[1-2]。同时填料塔也是过程工业中能量消耗最大的单元操作之一。在设计填料塔时,一般按液泛气速的60%~70%确定载点气速,按液泛气速的50%~60%确定操作气速。尤其在工业实际应用中,大部分操作都是依据长期积累的操作经验使填料塔工作在所谓的"最优化"操作状态,因此填料塔的操作状态都比较保守,目的都是为了避免塔器在长周期运行过程中发生液泛而停产,给企业带来经济损失。液泛现象一直以来都是制约填料塔设计和提高填料塔能量利用率的瓶颈问题,所以关于预测控制填料塔液泛性能的研究是填料塔优化节能研究的关键^[3-4]。只要能对填料塔的操作状态进行实时监控,根据填料塔工作监控的特征参数,可以实时和及时地调整填料塔的操作性能,从而避免填料塔发生液泛,同时根据工艺和生产的需要实时改变填料塔的操作性能,使得填料塔工作在最优化的状态,也符合节能减排的目的。有关填料塔液泛水力学方面的研究已经有很长一段时间。早期的很多研究者都是从散堆填料的研究推广到规整填料的研究,Sherwood等^[5-6]在测定填料塔水力学压降实验的基础上,讨论了填料塔的载液和液泛现象,并提出了压降通用关联图(GDPC)。Eckert等^[7-9]得到了不同填料类型填料塔水力学压降液泛曲线图。Kuzniewska-Lach^[10]以量纲1方法对填料塔流体物性和填料几何参数进行了分析,提出了基于填料类型的泛点预测。Ondracek等^[11]通过填料塔气体或液体入口速度周期性波动操作,进行了液泛滞后效应的实验研究,对工业塔操作更接近液泛点有一定的指导作用。根据上面的这些研究,分析预测填料塔液泛特征的规律,需要从不同方面进行深入的研究。本文以空气和水为实验介质,研究了规整填料塔在各个操作阶段的水力学特征及区别,得到了填料塔液泛水力学压降离散特征分布规律和压降频率分布规律,为预测控制填料塔液泛现象提供了指导。     

交错型开窗导流填料的流体力学性能

为了提高规整填料通量,对传统开窗导流填料结构进行改善,提出一种新型交错式开窗导流填料。在不同喷淋密度下,采用空气-水系统对3种不同交错高度的开窗导流填料进行冷模实验,研究分析了其流体力学性能,并与传统开窗导流填料进行对比。实验结果表明:新型交错规整填料的压降随着喷淋密度的增加而增大,填料盘的交错式结构有效降低塔压降,提高通量,改善气液分布。与传统开窗导流填料相比,3种新型填料盘的干塔压降、湿塔压降显著降低,液泛气速显著提高。其中180-20型填料的压降降低最为显著,220-20型填料的液泛气速最低。同时,在LEVA模型和Bain-Hougen模型的基础上,获得了实验条件下干塔压降、湿塔压降和液泛气速的关联式,其计算结果与实验数据吻合较好。     

一种新型催化精馏填料的流体力学性能

填料的流体力学性能数据是填料塔设计的基础,通过实验对一种新型催化精馏填料的流体力学性能进行了测量.实验首先观测了不同气速和喷淋密度下的气液流动状况,然后对压降,泛点气速和持液量等基础数据进行了系统的测量.利用实验数据回归了不同喷淋密度下压降与气相F因子的计算关系式,给出了泛点气速的计算表达式.     

声波信号多尺度分解与固体颗粒质量流率的测定

利用声发射检测技术，根据不同速度的颗粒撞击壁面产生不同能量的声发射信号，结合小波分析，建立了单粒径颗粒质量流率预测模型，该模型可以定量描述颗粒质量流率随特征频段的声发射信号能量与表观气速的变化规律。以空气-聚乙烯颗粒体系为例，分别考察了0.84、0.59、0.42、0.21 mm 4种线性低密度聚乙烯颗粒，在表观气速为4.62～6.35 m·s-1条件下的声发射信号。在考察的气速范围内，在0～500 kHz频率范围内对声发射信号做7尺度的小波分解，发现特征频段的声发射信号能量与表观气速平方之比和固体颗粒的质量流率呈线性关系。同时，基于单粒径颗粒质量流率预测模型，根据混合颗粒声发射能量为各单一粒径颗粒声发射能量的线性叠加，得到混合颗粒的质量流率预测模型，模型的计算值与称重法获得的质量流率相比，平均相对误差为4.15%，表明声发射检测技术能便捷、快速、准确、环保地实现循环管内颗粒质量流率的在线检测。     

气液鼓泡塔液体流动状态的声发射检测

提出一种基于声发射气液鼓泡塔液相流动状态检测方法,将多通道声发射传感器等距地置于鼓泡塔轴向壁面,提取不同表观气速下的各通道声发射信号,对其做经验模态分解(EMD),根据每个imf的Hurst指数值,提取和重构相应的imf,求其每个信号的平均能量。实验结果表明:鼓泡塔壁处液体轴向流速随着表观气速的增加而增大,当表观气速为14 m/min时,塔壁处液体轴向环流速度最大,当表观气速大于18 m/min时,液体轴向完全变为湍流,出现严重返混。声发射检测法能够有效检测出液体流动状态。     

错流填料吸收塔吸收率的测定

填料塔是一种常用的气液传质设备,通过对传统填料塔内气液二相流动行为的研究,提出了一种带折流挡板的新型填料塔——错流填料塔。实验表明,错流填料塔能更好地消除壁流,改善气液二相的接触状况;错流填料塔的吸收率明显大于普通填料塔,在气液二相流量一定时,吸收率随着H/D(板间距与塔径之比)的减小而逐渐增大,当H/D=0.8时,吸收率最大;当H/D<0.8时,随着气量的增加,吸收率逐渐减小,仅在小气速下,吸收率较大,在气速较大时,由于压降过大,导致吸收操作无法正常进行。     

聚丙烯锥鞍形填料的液泛、压降及传质特性

在直径为800mm的塔中用空气-水对50mm、76mm两种新型的锥鞍填料作液泛、压降试验。提出了计算乱堆填料液泛气速的通用关联式: 对锥鞍填料,液泛填料因子为 φ_f=990/d_p~(0.45) 两种填料的压降填料因子分别为104m~(-1)与68m~(-1). 用富氧水的解吸测定了锥鞍填料的传质单元高度。每个传质单元高度的压降随流体流率增大而增高,但与填料大小无关。提出(Ho_L/u)与每立方米填料价格的乘积作为选用填料尺寸的依据。     

填料吸收塔操作性能的综合研究

合理的操作是优化设计的保证,本文从这一角度对填料吸收塔作了一些探讨。分别采用空气-水系统和空气-氨-水系统对16mm×16mm×2mm瓷拉西环填料塔的流体力学性能和传质性能进行了综合实验研究。研究结果表明:若填料层内存有污垢,相同气速下的压降增加40％～260％;接近泛点气速下进行传质操作效率最佳;泛点气速的实测值与计算值相比偏差在5％以内。此外,本文还提出合理确定传质操作过程稳定时间的方法。     

填料塔液泛气速,压力降计算方法的讨论

使用部分Ｄｇ５０瓷质填料在水－空气实验系统中测得的填料塔液泛气速和压力降,根据所确定的液泛气速,压力降的计算方法,推算出９３％Ｈ２ＳＯ４－空气９３％Ｈ２ＳＯ４－ＳＯ２烟气,９８％Ｈ２ＳＯ４－ＳＯ３烟气等操作系统中,填料塔采用不同填料的液泛气和压力降。     

错流填料塔SO_2吸收率的测定

研究了SO2在错流填料塔中的吸收率,结果表明,错流填料塔能更好地消除壁流,改善气液两相的接触状况;错流填料塔的吸收率明显大于普通填料塔,在气液两相流量一定时,吸收率随着板间距与塔径之比(H/D)的变化而变化,当H/D=0.8时,吸收率最大;当H/D<0.8时,随着气量的增加,吸收率逐渐减小,仅在小气速下,吸收率较大,在气速较大时,由于压降过大,导致吸收操作无法正常进行。     

基于聚类方法的运动气泡声发射信号分析

利用自行开发的采集处理程序采集3 mm喷嘴释放的连续气泡上升阶段的声发射信号,提取声信号波包并计算声信号参数。基于k-均值聚类分析方法对孔口气速1.42 m/s时的声信号波包进行分类处理,分析各分类声信号参数统计规律。通过快速傅里叶变换和小波分析方法分析各分类声信号的时频特征,结合气泡运动图像对声信号进行有效识别,研究了多个气速下的分类规律。结果表明,基于k-均值聚类分析的时频分析方法得到的各分类声信号具有一定的相似度,结合高速摄像技术,可以有效分析气泡上升运动声信号,识别气泡振荡、破碎、聚并等运动形态。     

基于盲目反卷积算法的X90管线钢腐蚀声发射信号分析

油气管道腐蚀具有随机性,且腐蚀声发射源信号在传播过程中还会发生一定的衰减和畸变,致使管道腐蚀声发射信号的特征提取与准确识别相当困难。本文通过构建X90钢腐蚀声发射监测实验系统,采集腐蚀声发射原位信号和衰减信号进行对比分析。并通过时频分析,小波分解与重构以及盲目反卷积复原对信号进行进一步的分析。结果表明,盲目反卷积算法对于小波变换处理后的腐蚀声发射的复原十分有效,信号频率主要集中在130~170kHz,部分高频频率峰值在200kHz和250kHz,衰减的高频信号得到较好的恢复,从而使检测信号更加逼近X90钢腐蚀源信号的特征。信号复原对现场油气管道腐蚀声发射检测与评价具有重要的指导意义。     

Resolution of structure characteristics of AE signals in multiphase flow system—From data to information

This investigation was performed to study the underlying structure characteristics of acoustic emission (AE) signals, which could be helpful not only to understand a relatively complete picture of hydrodynamics in multiphase flow systems, but also to extract the most useful information from the original signals with respect to a particular measurement requirement. However, due to AE signals are made up of emission from many acoustic sources at different scales, the resolution of AE signals is often very complicated and appears to be relatively poorly researched. In this study, the structure characteristics of AE signals measured both in gas–solid fluidized bed and liquid–solid stirred tank were researched in detail by resorting to wavelet transform and rescaled range analysis. A general criterion was proposed to resolve AE signals into three physical‐related characteristic scales, i.e., microscale, mesoscale, and macroscale. Multiscale resolution of AE signals implied that AE signals in microscale represented totally the dynamics of solid phase and could be applied to measure particle‐related properties. Furthermore, based on the structure characteristics of AE signals, useful features related to particles motion were extracted to establish two new prediction models, one for on‐line measurements of particle size distribution (PSD) and average particle size in gas–solid fluidized bed and the other for on‐line measurement of the suspension height in liquid–solid stirred tank. The prediction results indicated that (1) measurements of PSD and average particle size using AE method showed a fairly good agreement with that using sieve method both for laboratory scale and plant scale fluidized beds, and (2) measurements of the suspension height using AE method showed a fairly good agreement with that using visual method. The results thus validated that the extracted features based on analyses of structure characteristics of AE signals were very useful for establishing effective on‐line measurement models with respect to some particular applications. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009     

Acoustic emission detection of slag performance in coal gasifiers

This work first investigated the detection of slags, slag pool liquid level, and slag accumulation height in laboratory scale based on acoustic emission (AE) detection, and further tried the feasibility of this method in an industrial scale coal gasifier. Results show that the energy and variance of acoustic signals can realize the accurate detection of large slag (criterion: E > 1.5E₀, S > 1.2S₀), and the average relative error is only 0.28%. The acoustic energy in the frequency range of 20-40 kHz is defined as the characteristic energy, which can realize the accurate detection of slag accumulation height and slag pool liquid level, and the average relative error is only 3.94%. Furthermore, AE detection also realize accurate detection of large slag in an industrial scale gasifier and the acoustic signals at slag screen can be used to realize the early warning of the slag collapse (5 h earlier).     

固定床内压降的CFD分析

采用CFD法分析填充单一粒径和不同粒径颗粒固定床内的压降。分别采用PFC3D和Fluent软件建立固定床模型和模拟计算压力场,床层内颗粒流动雷诺数Re_p介于1~2 200之间。将床层空隙率、压降等模拟结果分别与已发表文献中的半经验公式的计算结果进行了比较,发现当Re_p小于120左右时压降的模拟结果与半经验公式计算结果基本吻合;而当Re_p较高时,二者之间的偏差较大;大颗粒使床层内空隙率分布的峰位置向固定床中心移动,第1个峰的位置与固定床壁面之间的距离和颗粒的质量平均直径（d₄₃）值基本相同;采用d₄₃代替半经验公式中的粒径参数,得到的压降计算结果与模拟结果更加吻合。     

基于离散小波分析的城市燃气管道泄漏检测定位

声发射(AE)是一种极好的检测和定位埋地管道泄漏的工具,它所具有的实时连续检测的优势,极大地提高了诊断的方便性和正确性。文章运用声发射技术,模拟城市天然气管道运行状态,进行管道小泄漏检测试验,结合互相关理论和离散小波变换,提出一种提高定位精度的AE检测定位分析算法,提高了泄漏信号的识别率。应用于燃气管道实地检测,结果证实该算法在燃气管道不停止运行、开挖检查被限制的情况下,能够发现管道小泄漏,并有效提高了定位精度。     

CALCULATION PROCEDURE FOR FLOODING IN PACKED COLUMNS USING A CHANNEL MODEL

The combined effect of a channel-based approach for dry pressure drop and the Buchanan equation for wet pressure drop in packed beds has been numerically evaluated within the flooding region. The flooding point is an important design parameter since it establishes the maximum hydrodynamic capacity at which a packed column can operate. Upon analyzing the aforementioned approach, it was found that the usual practice of fixing a “reasonable” wet pressure drop at the flooding point (e.g., 1025 Pa/m) may not yield the correct flooding velocity of the gas, particularly at higher liquid loads. In fact, numerical evaluations of the aforementioned model showed a rather “retrograde” non-monotonic behavior of pressure drop with respect to the f factor of the gas near flooding at different liquid loads. A calculation procedure was therefore devised in this work to correctly compute the flooding point for a given liquid load when using the aforementioned modeling approach. Interestingly, it was found that the correct flooding velocity can be directly computed from liquid holdup below the gas loading point. To illustrate the use of the procedure, maximum capacity calculations were performed for a well-known random packing, a conventional structured packing, and a novel catalytic structured packing.     

气液搅拌釜泛点转速的声波测量

通过对采集的搅拌釜中声信号的频谱分析、小波分解和R/S分析,获得了代表气液体系运动的特征信号频段（d₄、d₅、d₆频段）,针对声波特征信号频段能量随搅拌转速的规律性变化,提出了搅拌釜泛点转速的声波测量判据,即声能量分率快速增加并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速为泛点转速。以空气-水体系为例,考察了不同通气量和静液位高度下的泛点转速,发现泛点转速随通气量的增加而增加,随静液位高度的增加而减小。与目测法相比,声波法测量值的平均相对误差为2.62%,优于传统的功耗法。由此获得了一种快速、准确、安全的搅拌釜反应器泛点转速测量技术,具有良好的工业应用前景。     

喷嘴释放单气泡的声发射特性

利用声发射技术在单气泡发生实验装置中研究了气液两相流中单气泡的动力学特性,使用自行开发的采集处理程序进行气泡声信号的参数提取,采用统计分析、小波变换和快速傅里叶变换对声信号进行时域和频域范围的分析。分析结果表明,声发射技术可以检测到管内气泡的声信号,具有较高的信噪比,且声信号随着喷嘴尺寸的增大而增大,随着液相表面张力的减小而减小。比较不同喷嘴直径下气泡的频率谱,发现喷嘴释放气泡发出的声信号频率为150～200 kHz,且随着喷嘴直径的增大,峰值频率相应增大,提出了声信号峰值频率与气泡尺寸之间的关联式。同时得到了气泡上升过程中的连续形态变化,分析了气泡产生声音的机理。研究表明,声发射技术是一种灵敏度高、测量手段方便的方法,可用于气液两相流气泡运动特性的检测。