專利名稱：關(guān)于流化床的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含顆粒的流化床中的電容測量，和裝置，其用于處理諸如由顆粒的 流體含量變化引起的顆粒介電常數(shù)變化，同時執(zhí)行流化顆粒的介電常數(shù)分布的電容測量和 電容X線斷層攝影術(shù)(ECT)成像。本發(fā)明還涉及用于測量液體含量的方法，特別地流化顆 粒的液體含量。
背景技術(shù)：
在這個描述中，術(shù)語“流化床”和“流化床裝置”指一種裝置，包括基部，其包括典 型地采用網(wǎng)眼或穿孔板形式設(shè)置的氣體分配器板；和側(cè)壁，該側(cè)壁包圍氣體分配器板上方 的流化罩。典型地，在流化床操作期間，該氣體分配器板被保持在基本水平面中。流化氣體 被吹動經(jīng)過氣體分配器板，以流化出現(xiàn)在流化空間或罩中的顆粒的床。典型地，顆粒直徑小 于4mm，但直徑通常小于1mm。這種流化床已知在制藥、清潔劑和其它工業(yè)中用于顆粒的干 燥或造粒。為了流化顆粒，需要最小表面氣體速度Um，測量作為經(jīng)過氣體分布板的區(qū)域的平 均氣體速度。在更高速度時，將轉(zhuǎn)換為期望的起泡流化狀態(tài)。例如，含殘余溶劑(諸如水)的粒狀顆?？墒褂眉訜釟怏w(諸如加熱空氣)流化， 以從顆粒去除溶劑。流化床也可用于將微粒結(jié)塊或造粒成更大顆粒，例如通過從噴灑噴嘴 將粘合液滴噴灑在流體床中的流化顆粒上。這種過程用于藥物、農(nóng)藥、洗滌劑、咖啡制造和 其它工業(yè)中，例如用于準備顆粒材料的工業(yè)中。通過提供經(jīng)過這種流化床的平面的流化顆粒的介電常數(shù)分布的圖像，ECT已被用 于監(jiān)控流化床中的顆粒密度分布。典型地，這通過將經(jīng)過測量平面的體積元素的測量的介 電常數(shù)映射成兩維圖像的對應(yīng)像素實現(xiàn)，其中介電常數(shù)例如顯示為不同顏色或由輪廓圖 表示。ECT傳感器包括在裝置的側(cè)壁周圍放置的一系列導(dǎo)電電極或?qū)щ婋姌O陣列，其中流化 顆粒將被成像。為了取得圖像，通常，各個電極被順序地供以電勢，同時其它電極保持接地 或通地。因此，電場被施加橫過測量平面中將被測量的區(qū)域。為了取得改進的靈敏度和信噪 比(SNR)，可以將一個以上的電極組合在一起并供以電勢，同時其它保持接地或通地。由于 電極之間具有材料的這種電場的相互作用，材料相(Phase)的分布(對應(yīng)于流化顆粒的高 介電常數(shù)相，和對應(yīng)于流化氣體的低介電常數(shù))能夠在由電極陣列包含(即包圍)的測量 平面中確定。注意高介電常數(shù)隨著流化顆粒的液體含量改變。例如，當流化顆粒包含30% 的水時，典型地，與流化顆粒相關(guān)的高介電常數(shù)值將比它們包括2%的水時高得多。通常，利 用諸如信號發(fā)生器的、提供電壓并具有極低的輸出電阻的高頻電壓源施加用于測量電容的 電場。雖然ECT技術(shù)具有相對低的分辨率，它在評估水壓行為中的快速變化很有用，諸 如當流化床在起泡狀態(tài)中時，各個氣泡經(jīng)過流化顆粒。ECT圖像能夠用于幫助流化床的正確 設(shè)計和操作。對于干燥和成粒的工業(yè)使用，對于流化床，起泡狀態(tài)是優(yōu)選的。ECT 方法已在 Chemical Engineering Science 57，2411-2437 由 Makkawi 等人、 Drying Technology 20，1273—1289 由 Tanfara等人和 Powder Technology 141，137—154 由Sidorenko等人發(fā)表的論文中進行了詳細描述，并且因此在這里不再進行詳細說明。先前將ECT應(yīng)用于流化床的研究通常使用相對干燥的粉末，而由于諸如水的液體 的高相對介電常數(shù)，由于在流化床操作期間(例如由于蒸發(fā))流體含量變化，導(dǎo)致流化顆粒 的介電常數(shù)的變化，所以避免使用濕的或包含液體的顆粒。ECT成像裝置的校準取決于對高 和低介電常數(shù)相兩者的介電常數(shù)值的了解，并且這些通常在流化床操作前被測量，其中高 密集和非流化狀態(tài)的顆粒具有高密度(顆粒)狀態(tài)介電常數(shù)。如果在流化床操作期間，這 種介電常數(shù)改變，則產(chǎn)生的圖像將不被校準，并且透明密度差將是假象。 可以從流化床獲得顆粒樣本，以利用諸如爐干燥的離線技術(shù)測量其液體內(nèi)容，并 且然后通過考慮液體含量變化和其對流化顆粒的介電常數(shù)的影響，校正ECT信號。其缺點 是校正并不是即時可應(yīng)用的，由于它取決于液體含量的離線測量，這會花費幾分鐘。通過停止流化，還可以重新校準ECT信號，使得包含液體的顆粒形成填充床，并 且然后測量填充床的電容，以取得高水平介電常數(shù)的新值，用在X光斷層攝影圖像的計算。 這種方式由 Chaplin 等人在 Measurement Science and Technology，16，1281-1290 中提 出。這在實踐中具有缺點該方法導(dǎo)致流化床的操作不連續(xù)，這在工業(yè)中通常是不允許的。 此外，一旦流化停止，床中的濕顆粒可能在一起結(jié)塊。此外，沒有可靠在線測量流化顆粒中液體含量，不可能實現(xiàn)流化床的最佳控制。因此，對于關(guān)于流化床干燥機和制粒機的兩種監(jiān)控和對于過程控制目的，期望的 是在流化床操作期間，隨著流化顆粒中的液體含量變化，可以應(yīng)對流化顆粒(即高介電常 數(shù)相)的介電常數(shù)的變化。對于這個，還期望通過測量顆粒保持流化狀態(tài)時的介電常數(shù)。此 夕卜，由于工業(yè)過程通常操作以產(chǎn)生特定液體含量的顆粒，期望地提供對流化床裝置(諸如 干燥機或造粒機)中的流化顆粒的液體含量的直接、瞬時可得的測量，無需停止流化過程。 這能夠方便地用于監(jiān)控過程的結(jié)束點，諸如干燥或造粒，或能夠方便地用作流化床過程控 制的反饋參數(shù)。類似地，在測量平面中的ECT圖像顯示不期望的行為的事件中，ECT數(shù)據(jù)能 夠被用作過程控制參數(shù)，例如導(dǎo)致流化氣體速度或分布的調(diào)節(jié)。直到現(xiàn)在，在其中與流化顆 粒相關(guān)的液化含量并且因此高標準介電常數(shù)改變的情況中，這種液化床干燥機的反饋控制 并不可行?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)利用瞬時、在線測量技術(shù)，對于流化床裝置中流化顆粒的ECT測量， 可以直接監(jiān)控高介電常數(shù)相的介電常數(shù)，無需停止顆粒的流化。還已發(fā)現(xiàn)可以取得流化顆 粒中液體含量的精確測量，無需停止顆粒的流化。電容測量在由包含感應(yīng)電極陣列的ECT傳感器產(chǎn)生的圖像的基礎(chǔ)上形成。例如， 對于8電極ECT傳感器陣列，存在28種電極的唯一組合，導(dǎo)致對每個圖像的28個電容測量 的唯一讀數(shù)。為了實現(xiàn)產(chǎn)生斷層X光攝影圖像的重新構(gòu)造技術(shù)，需要使原始電容測量(Cm) 標準化。這種標準化通?；陬w粒/固體的填充床中產(chǎn)生的電容讀數(shù)，或填充傳感器并具 有流化氣體的密集相(Ch)，或填充傳感器(CJ的稀釋相，通常空氣。這些高和低電容測量值 典型地在流化過程前執(zhí)行，并應(yīng)用于所有28次測量。標準化電容在等式I中如下面定義Cn= (Cm-Cl)/(Ch-Cl)只要兩個相的介電常數(shù)保持恒定，則28次測量的標準化有效。本發(fā)明涉及系統(tǒng)， 其中液體含量并且因此密集相的介電常數(shù)(即流化顆粒)改變，同時發(fā)生成像。由于電容 幾乎與介電常數(shù)成比例，并且由于液體能夠經(jīng)常具有比流化顆粒本身的材料更高的介電常數(shù)(例如，與干燥制藥顆粒的近似2到4的相對介電常數(shù)相比，水具有約80的相對介電常 數(shù))，使用流化床裝置，上述校準在整個干燥過程不會保持有效，其中流經(jīng)流化床的氣體 用于使液體從流化顆粒蒸發(fā)。雖然C^的值將保持固定，因為它由流化氣體(典型地空氣) 的介電常數(shù)確定，但是流化顆粒(即密集相)的介電常數(shù)將受到液體含量變化影響。驚奇地，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)沒有必要停止流化床的流化過程，以取得需要重新校準標準化電容的數(shù)據(jù)。即使在強烈起泡流化床中，接近氣體分配板的上表面的鄰近床的側(cè)壁的區(qū) 域被發(fā)現(xiàn)聚集幾乎不起泡的密集流化顆粒相。通過定位電極以測量接近流化床底部的這些 密集流化區(qū)域的電容，可以取得Ch的新值，以代入標準化電容Cn的等式。這些值可以在流 化床仍在操作時取得，允許X光斷層照相成像即時考慮流化顆粒的介電常數(shù)的任何變化， 并且因此，流化床允許繼續(xù)不受妨礙的操作。適合地，ECT傳感器陣列本身的電極可用于進 行校準目的的所需測量，典型地通過測量ECT傳感器陣列的鄰近電極之間的電容，使得僅 使用鄰近側(cè)壁的非起泡、密集流化顆粒材料。相對電極之間的電容測量值會導(dǎo)致不期望的 假像，因為導(dǎo)致測量電容波動的氣體氣泡。例如，8-電極ECT傳感器能夠從鄰近電極對提供 8個電容測量值。在多數(shù)情況中，8個電容值可以取平均值，并且平均電容用于導(dǎo)出顆粒的 介電常數(shù)。如果8個電容測量值的某些發(fā)現(xiàn)與平均電容明顯不同，即大10%，可以猜想到 兩個鄰近電極之間的區(qū)域并未由顆粒完全占用。在這種情況中，這種電容從數(shù)據(jù)中被排除， 并且其它的電容再次取平均值以取得新的平均電容。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在第一方面中，本發(fā)明提供一種通過流化床裝置的ECT產(chǎn)生流化顆粒的顆 粒密度像的方法，所述流化床裝置包括確定流化空間的氣體分配板和一個或多個側(cè) 壁，和圍繞一個或多個側(cè)壁定位的電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列，其中對應(yīng)于具有第一 介電常數(shù)的流化顆粒的第一相和對應(yīng)于具有第二介電常數(shù)的流化氣體的第二相被成像，其 特征在于在計算圖像中使用的第一介電常數(shù)在顆粒的流化期間通過使用一個或多個再校 準電容被重新校準以允許其介電常數(shù)值的變化，所述一個或多個重新校準電容由一對或多 對基準電極測量，所述一對或多對基準電極被定位以測量接近一個或多個側(cè)壁的密集流化 顆粒的電容。本發(fā)明可應(yīng)用的流化床可采用任何形狀，例如可以使用圓形或矩形床形狀。當指 圓形或圓錐流化床時，在下面也使用術(shù)語“側(cè)壁”，即使可能僅存在一個環(huán)繞流化床的連續(xù) 壁。本發(fā)明可適用于批量和連續(xù)流化床干燥過程。它特別地適用于過程，其中流化顆粒的 液體含量隨著過程進展而改變，特別是諸如制藥或洗滌劑顆粒的干燥顆粒的流化床。本發(fā) 明可適用的另一適合過程是流化床制粒，其中液體粘合劑被噴灑在流化顆粒上。由于液體 含量改變，流化顆粒的介電常數(shù)改變。該氣體分配板是流化床與流化床裝置的氣體入口之間的板，其允許流化氣體進 入，同時防止正流化的顆粒落下，它適合采用網(wǎng)眼或穿孔板的形式制作，其中網(wǎng)眼或板中 的孔具有比正流化的顆粒更小的橫斷面。ECT傳感器陣列包括電極陣列，其典型地裝配在圍繞流化床的流化空間周圍的相 同平面中，典型地朝向流化床的底部。本發(fā)明的方法還需要一對或多對基準電極，其被定位 以測量接近流化床底部的一個或多個側(cè)壁上的顆粒的電容。這些電極對實際上可以是ECT傳感器陣列的電極，或者它們可以是分離的基準電極。所有電極需要彼此電絕緣和與任何 外來傳導(dǎo)材料電絕緣。如果流化床的側(cè)壁采用諸如玻璃或丙烯酸樹脂的基本非電傳導(dǎo)材 料，則電極可以被定位在側(cè)壁的外部。然而，電極可以被放置在壁的內(nèi)表面內(nèi)或上面。如果 側(cè)壁為諸如金屬的電導(dǎo)體材料，則電極應(yīng)被放置在壁的內(nèi)部并與壁電絕緣。定位電極以測量接近一個或多個側(cè)壁的密集流化顆粒的電容將取決于應(yīng)用本發(fā) 明的流化床的詳細設(shè)計。已發(fā)現(xiàn)在起泡的流化床中，甚至在劇烈起泡的流化床中，其中流 化速度為最小流化速度的8倍或甚至10倍，或更多，接近流化床的側(cè)壁，尤其是 接近氣體分 配板，即接近流化床的底部處，存在無起泡行為的密集流化顆粒的區(qū)域。對于利用ECT成像 的應(yīng)用本發(fā)明的任何特定流化床過程和裝置，“接近"的意思將取決于床的尺寸，但可被 監(jiān)控和評估。典型地，密集流化區(qū)域?qū)⑹菤怏w分配析上方高達20cm，或高達10cm，或高達 5cm并在側(cè)壁的5cm內(nèi)，或2. 5cm內(nèi)，甚至在Icm內(nèi)的區(qū)域。所有電極對之間的電容將被在 線監(jiān)控。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，如果它們之間的材料包括流化氣體(例如空氣)氣泡，則可以選 擇哪對電極不應(yīng)該使用。為了進一步增加自基準電極的電容測量值的可靠性，優(yōu)選地測量多對鄰近基準電 極之間的電容。如果電容測量值組的任何測量電容與其它測量值明顯不同，例如超過10% 的不同，或甚至超過5%的不同，則該測量值可從用于導(dǎo)出流化顆粒的液體含量的平均電容 的計算中被排除?？梢约僭O(shè)這種異常測量值由于測量位置處存在流化空氣的氣泡引起。因此，多個重新校準電容適合在基準電極對之間測量，并且由多個重新校準電容 進行平均重新校準電容，用于重新校準第一介電常數(shù)。適合地，當重新校準電容在至少3對 基準電極之間測量時，如果特定重新校準電容與其它重新校準電容的平均值實質(zhì)不同，則 該特定重新校準電容從平均重新校準電容的計算中被排除。典型地，平均重新校準電容將為多個重新校準電容的算術(shù)平均值。通過測量這些區(qū)域中密集流化顆粒的介電常數(shù)，使用專門定位以捕獲這些區(qū)域的 電容的電極對，用于采用ECT方法計算圖像顆粒的第一高介電常數(shù)能夠隨著過程進展并隨 著捕獲成像數(shù)據(jù)重新校準。例如，根據(jù)可用的計算能力和流化顆粒的高介電常數(shù)變化的速 度，該介電常數(shù)可在每100或1000圖像后重新校準，或者如果需要在每個成像序列之間。對 應(yīng)于流化氣體相的第二介電常數(shù)無需被重新校準，并且應(yīng)保持相對恒定。在本發(fā)明方法中使用的表面氣體速度適合是最小流化速度的1到10倍，優(yōu)選地1 到8倍，更優(yōu)選地2到5倍。在許多情況中，適合的流化氣體是空氣。優(yōu)選地，該方法適用 于起泡流化床。對于每對基準電極，為了使接近側(cè)壁的顆粒的密集流化區(qū)域能在電容測量中使 用，兩個基準電極基本在流化空間的相同側(cè)上。利用這個，它意味著橫過電極的通路(即 接合其中心)不應(yīng)基本橫過流化空間。此外，這將取決于與本發(fā)明一起使用的流化床的詳 細設(shè)計。對于圓形、圓柱或圓錐床，在確定壁的圓圈的中心處對向的角應(yīng)適合地小于60度， 優(yōu)選地小于45度，更優(yōu)選地小于30度。對于矩形床，應(yīng)用相同的基準，其中角在矩形的中 心點處對向。適合地，對于矩形床，基準電極在相同的側(cè)壁上。適合地，基準電極的中心分 開30cm或更少的距離，優(yōu)選地20cm或更小。基準電極的中心被解釋為其表面區(qū)域的中心， 即實際具有與電極表面相同形狀的兩維形狀的重心。適合地，一對或多對基準電極被定位接近，優(yōu)選地距離氣體分配板的上表面小于20cm，更優(yōu)選地小于10cm。然而，最適合的位置將取決于流化床的詳細設(shè)計。適合地，每對基準電極的每個電極距離氣體分配板的上表面的一定距離，這對于 每個基準電極基本相同?；鶞孰姌O可圍繞流化空間基本均勻地間隔。它可以適合地測量幾對電極之間的電 容，并使用各個電容測量值以測量局部區(qū)域中的顆粒的液體含量，或使用電容測量值的平 均值，以確定流化顆粒的平均液體含量。特別地，基準電極可以是ECT傳感器陣列的電極。當ECT陣列定位在其中接近流 化床的側(cè)壁存在密集流化顆粒的流化床的適合水平處時，這是適合的。這允許ECT電極同 時用于X線斷層攝影術(shù)圖像和傳感器陣列的重新校準的雙重用途。每對基準電極的基準電極適合鄰近ECT傳感器陣列中的基準電極，意味著沒有 其它測量電極就位在基準電極對之間。可以使用任何適合的電極布置，例如電極可前排定 位在側(cè)壁上。另一適合配置可以是由環(huán)形、同心第二電極包圍的中央圓形電極。在本發(fā)明的一個版本中，該流化床裝置包括定位在不同位置處的兩個或多個ECT 傳感器陣列，即在距離氣體分配板的上表面的不同距離處，從而可以形成在不同距離的流 化顆粒的圖像。該基準電極可以是與ECT傳感器陣列的那些分開的電極，或者可以是最低 ECT傳感器陣列的電極。由于液體的介電常數(shù)(特別地水的介電常數(shù))是溫度的一個函數(shù)，液體含量測量 可能受到顆粒的溫度影響。優(yōu)選地，流化顆粒的溫度被測量，并且流化顆粒的液體含量與測 量電容之間的函數(shù)關(guān)系被考慮為流化顆粒的溫度與基準溫度之間差的效果。因此，液體的 介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系能夠加入測量電容與液體含量之間的函數(shù)關(guān)系。多階度多項式 模型可用于補償溫度對每對電極的液體測量值的影響。本發(fā)明的第二方面提供一種用于測量流化床裝置中的流化顆粒的液體含量的方 法，流化床裝置包括確定流化空間的氣體分配板和一個或多個側(cè)壁，其特征在于利用定位 以測量接近一個或多個側(cè)壁的密集流化顆粒的電容的一對或多對基準電極，在流化期間測 量校準電容，其中流化顆粒的液體含量通過流化顆粒的液體含量與測量電容之間的函數(shù) 關(guān)系由校準電容導(dǎo)出。顆粒的液體含量與測量電容之間的函數(shù)關(guān)系由下述方式適合地導(dǎo)出a)當使用大于或等于顆粒的最小流化速度的氣體流，以基準溫度流化具有已知液 體含量的顆粒時，測量一對或多對基準電極之間的電容，b)重復(fù)多個已知液體含量的步驟(a)；和c)建立顆粒的平均液體含量與一對或多對基準電容之間測量電容之間的函數(shù)關(guān) 系，用于測量接近流化床的側(cè)壁的顆粒的密集流化區(qū)域的電容。對于本發(fā)明的第二方面，涉及基準電極的本發(fā)明第一方面詳細描述的優(yōu)選特性和 實施例也適用于本發(fā)明第二方面。本發(fā)明的第二方面的基準電極優(yōu)選地定位，用于測量接 近流化床的側(cè)壁的密集流化顆粒的區(qū)域的電容。這意味著經(jīng)過流化床的氣泡不會導(dǎo)致從 基準電極的電容測量值的不準確。為了進一步增加利用基準電容的電容測量值的可靠性， 優(yōu)選地測量多對鄰近基準電極之間的電容。如果電容測量值組的任何測量電容與其它測量 值明顯不同，則該測量值可從用于導(dǎo)出流化顆粒的液體含量的平均電容的計算中被排除。 可以假設(shè)這種異常測量值由測量位置處存在流化氣體的氣泡引起。本發(fā)明的第二方面不需要存在ECT傳感器陣列，但適合地，本發(fā)明的第二方面的基準電極可以是ECT傳感器陣列 的電極，其將被適合地定位以使其電極用作基準電極。該液體適合為水，但其它液體或液體的混合物可與本方法一起使用。本發(fā)明的第二方面的液體含量測量值能夠受顆粒的溫度影響，由于液體的介電常 數(shù)，特別地水的介電常數(shù)，是溫度的一個函數(shù)。優(yōu)選地，流化顆粒的溫度被測量，并且流化顆 粒的液體含量與測量電容之間的函數(shù)關(guān)系考慮流化顆粒的溫度與基準溫度之間差的效果。 因此，液體的介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系能夠包括測量電容與液體含量之間的函數(shù)關(guān)系。 諸如Maxwell模型的適合電容模型可用于考慮溫度對液體電容分布的影響。多階度多項式 模型用于補償溫度對每對電極的液體測量值的影響。本發(fā)明第三方面提供一種根據(jù)本發(fā)明第二方面的方法，其中流化顆粒的液體含 量用作過程控制器的反饋值，該過程控制器用于控制液體在顆粒流化期間從流化顆粒去 除，其中該過程控制器控制流化顆粒的流化氣體的溫度與/或流速。本發(fā)明的這個方面允 許諸如制藥造粒干燥的流化床干燥過程的控制，實現(xiàn)加熱流化氣體的更有效利用，并減小 可能由于干燥過程期間過熱引起的損壞藥品成份的危險。為了按照預(yù)定干燥曲線，與本發(fā) 明的方法導(dǎo)出的液體含量信息結(jié)合，可以使用諸如P1 (比例積分)或PID(比例積分微分) 的傳統(tǒng)過程控制設(shè)備。本發(fā)明的第三方面也可應(yīng)用于流化床過程，其中液體被增加到流化顆粒，諸如在 流化床造粒中。因此，本發(fā)明提供一種根據(jù)本發(fā)明第二方面的方法，其中流化顆粒的液體 含量用作過程控制器的反饋值，該過程控制器用于控制液體在顆粒流化期間添加到流化顆 粒，其中該過程控制器控制液體的添加速度與/或流化氣體的溫度與/或流速。特別地， 由本發(fā)明的方法測量的液體含量可用于指示造粒結(jié)束點，使在流化床中過度造粒和形成結(jié) 塊或凝聚的危險最小。此外，流化氣體的表面速度和溫度可被調(diào)節(jié)以適合具有測量液體含 量的顆粒所需的流化行為。例如，具有高液體含量的顆?？尚枰蟊砻嫠俣鹊牧骰瘹怏w。本發(fā)明的第四方面提供一種用于形成流化顆粒的床的流化床裝置，流化床裝置包 括確定流化空間的氣體分配板和一個或多個側(cè)壁，一對或多對基準電極定位接近流化空間 并適合測量接近一個或多個側(cè)壁的密集流化顆粒的電容；和一種從一對或多對基準電極之 間的一個或多個測量電容計算流化狀態(tài)的流化顆粒的液體含量的裝置。該從一對或多對基準電極之間的一個或多個測量電容計算流化狀態(tài)的流化顆粒 的液體含量的裝置將典型地是計算機運行的計算機程序。典型地，本發(fā)明的第一方面的方法將產(chǎn)生作為正成像的平面中的流化顆粒密度的 圖的圖像，即顆粒密度圖像包括對應(yīng)于流化床裝置中的多個成像體積元素的每個的多個介 電常數(shù)圖像像素；每個圖像像素顯示或展示每個對應(yīng)體積元素的相同介電常數(shù)。例如，其中 介電常數(shù)在一個特定具體范圍內(nèi)的像素可顯示具有與其中介電常數(shù)在第二不同具體范圍 內(nèi)的像素不同的顏色。因為顆粒可以在任何特定時間被處理為每個具有相同液體含量(基于重量/重量 測量)，并且因為流化氣體可認為在任何特定時間具有統(tǒng)一液體(蒸汽)含量(也基于重量 /重量測量)，介電常數(shù)分布在任何時間有效地鏡像顆粒分布，并且這是顯示ECT圖像的傳 統(tǒng)方式。換言之，圖像傳統(tǒng)地顯示為橫過成像平面的介電常數(shù)圖，其中介電常數(shù)與任何特定 時間的流化顆粒密度相關(guān)，而且包括流化氣體和蒸汽形式的液體的介電常數(shù)分布。
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在其中流化顆粒的液體含量隨著時間改變(并且因此流化氣體的液體含量也將 隨著時間改變)的過程中，高度期望產(chǎn)生顯示實際流化固體顆粒分布的圖像或圖。理想地， 可產(chǎn)生顯示總液體分布的另一圖像(即，顯示每個成像體積元素的液體含量，其是由流化 顆粒中的液體提供的液體含量和流化氣體中蒸汽形式的液體提供的液體含量的總和，流化 空氣的每個體積元素映射到ECT圖像的相應(yīng)像素。)因此，本發(fā)明的第一方面的方法也可用于產(chǎn)生固體分布圖像，包括多個固體分布 圖像像素，其對應(yīng)于流化床裝置中的多個成像體積元素的每個；每個固體分布圖像像素顯 示每個對應(yīng)體積元素的固體含量。適合地，該方法還可包括液體分布圖像，包括對應(yīng)于流化床裝置中的多個成像體 積元素的每個的多個液體分布圖像像素；每個濕度分布圖像像素顯示每個對應(yīng)的體積元素 的總液體含量。.導(dǎo)出這種圖像的優(yōu)選方法是在任何特定時間對于經(jīng)過流化空間的氣體ma處理 為具有平均液體含量的流化氣體(表示為每單位重量的流化氣體的蒸汽形式的液體重 量)。適合地，在任何具體時間，對流化氣體測量入口液體含量和出口液體含量，從而可以導(dǎo) 出流化氣體的平均液體含量。當液體是水，并且在任何具體時間為流化氣體測量入口溫度、入口相對濕度、出口 濕度和出口相對濕度，流化氣體的平均液體含量可以使用在氣體的相對濕度與其溫度之間 建立的關(guān)系導(dǎo)出。類似的方法也可在液體不是水時使用。當流化過程為干燥過程時，流化氣體將具有比入口流化氣體的液體含量更高的出 口液體含量。為了簡化計算，流化氣體的平均液體含量可取流化氣體的入口與出口的液體 含量的平均值。類似地，為了簡化，在任何特定時間，流化顆粒可處理為在整個流化空間內(nèi)具有流 化顆粒的平均含量(雖然在顆粒中，可存在圍繞這個平均值的較小波動)。關(guān)于流化氣體溫度，這還可從入口流化氣體溫度和出口流化氣體溫度的測量值導(dǎo) 出，或可通過流化床內(nèi)的溫度探針直接測量。這些測量值也可用于導(dǎo)出流化顆粒的平均溫 度，其可被假設(shè)具有與流化床內(nèi)的流化氣體相同的平均溫度。為導(dǎo)出流化顆粒的平均液體含量的適合方法如同在上面詳細描述的本發(fā)明的第 二方面。在這里，適合時，第二方面的優(yōu)選特性也適用。利用流化顆粒的液體含量與測量電 容之間的函數(shù)關(guān)系，在任何具體時間的平均流流化顆粒的液體含量由該時間的重新校準電 容導(dǎo)出。這可以如上對于本發(fā)明第二方面的詳細描述導(dǎo)出。如上說明，還可能需要測量流 化顆粒的溫度以導(dǎo)出其液體含量，尤其當液體的介電常數(shù)是溫度的函數(shù)。換言之，使用在任 何特定溫度時流化顆粒的測量電容與液體含量之間已知、先前確定的關(guān)系，流化顆粒的平 均液體含量可從基準電極之間測量的電容導(dǎo)出。在任何特定體積元素中的測量介電常數(shù)￡是￡ s、體積元素中固體濃度和流 化氣體％的介電常數(shù)的函數(shù)，其中、是流化固體的介電常數(shù)(由本發(fā)明的第二方面的基 準電極之間測量的電容導(dǎo)出)。諸如Maxwell等式的簡單模型能夠用于指示￡ s，￡ a和小之間的關(guān)系 因此，如果空氣的介電常數(shù)￡a已知，固體濃度 可導(dǎo)出。然而，￡ a的值將取決于流化氣體中作為蒸汽存在的液體量?，F(xiàn)在，再次使用Maxwell等式 其中ma是氣體的液體含量，e ^是干燥氣體的介電常數(shù)，并且￡ ,是液體的介電常 數(shù)。如上提及，ma的值可以從測量的入口流化氣體和出口氣體的液體(蒸汽)含量估計。 例如，可以假設(shè)為入口和出口液體含量的算術(shù)平均。ma的已知允許導(dǎo)出每個體積元素的￡ a，并且因此小。這可以被映射到ECT圖像 的相應(yīng)像素以給出固體分布圖像。類似地，可以導(dǎo)出每個體積元素的液體含量?；鶞孰姌O之間的測量電容產(chǎn)生流化 固體的介電常數(shù)％，并從流化固體的液體含量與固體介電常數(shù)之間的已知關(guān)系，可以導(dǎo)出 流化固體的液體含量ms。 其中￡3(|是干燥固體的介電常數(shù)，并且fw是固體中存在的液體的比例。ms的值 將是$xfw。高頻電阻分析器可用于測量電極對之間的電容。例如，適合的分析儀是Hewlett Packard HP4128。關(guān)于結(jié)合本發(fā)明使用的頻率，在任何適合的頻率處進行測量。典型地，可 以使用50kHz與13MHz之間的頻率。本發(fā)明的其它方面包括如下，其中本發(fā)明的先前方面的優(yōu)選特性應(yīng)用于這些方 面使用來自流化床裝置的ECT傳感器陣列的電容測量值以提供流化床裝置中的流 化氣體經(jīng)歷流化的顆粒的液體含量的測量。使用來自流化床裝置的ECT傳感器陣列的電容測量值以提供流化床裝置中經(jīng)歷 流化的顆粒的成像平面中的固體顆粒分布的圖像。使用來自流化床裝置的ECT傳感器陣列的電容測量值以提供流化床裝置中的流 化氣體經(jīng)歷流化的顆粒的成像平面中的液體分布的圖像。


本發(fā)明將參照附圖通過實例更詳細地進行描述，其中圖1顯示了裝配有ECT傳感器陣列的流化床干燥裝置的示意圖。圖2顯示了經(jīng)過ECT傳感器陣列的平面的橫斷面。圖3顯示了通過離線取樣測量和通過本發(fā)明的第二方面的方法測量時，對于濕粗 粒的流化床，固體濕度含量(重量百分比)與干燥時間(分鐘)之間關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式流化床干燥機1包括氣體分配器板2 ；和包圍流化空間4的側(cè)壁3。氣體出口 5 在干燥機1的頂部。ECT傳感器陣列9被安裝在側(cè)壁3上。這種圓錐側(cè)壁由玻璃制成，以便允許利用安裝在壁的外部上的ECT電極7進行電容測量?？刂茊卧?控制發(fā)送到ECT傳感器陣列的電極7的信號，并測量電極之間的電容， 將對應(yīng)于這些的信號發(fā)送到計算機12。接地接點8安裝在12個電極7的每個之間。電極 7和接地接點8被保持在形成ECT傳感器陣列的支撐件9中，并安裝以與玻璃側(cè)壁3的外部 相接觸。注意在圖2中未顯示出到接點和電極的電連接。該支撐件9還設(shè)有接地屏蔽以 消除外部干擾。采樣器10被裝配到側(cè)壁3，以允許從流化空間4取得流化顆粒的樣本。在側(cè)壁3 中安裝的熱電偶11允許流化空間中的溫度測量，并且該值被發(fā)送給計算機12。流化氣體(在這種情況中，空氣)通過鼓風(fēng)機13的方式被吹送經(jīng)過氣體分配板2。 空氣經(jīng)過加熱器14和流量控制閥15。該氣體分配板是具有20 y m間隙的金屬絲網(wǎng)。使用的 ECT 系統(tǒng)基于如 Yang and York (1999) I EE Proc-Sci. Meas. Technology 146 pages 47_53中描述的具有每秒120幀的數(shù)據(jù)捕獲率的AC電容測量電路。然而， 本發(fā)明并不局限于使用特殊的ECT系統(tǒng)。例如，Songming Huang(1988) IEEE Trans, on Instrumentationand Measurement 37 (3)pages 368-373 設(shè)計的充電 / 放電 ECT 系統(tǒng)或任 何其它ECT系統(tǒng)也適用。壁3的圓柱部分直徑為16cm，高度為40cm。該圓錐區(qū)的底部直徑為10cm并且頂 部為16cm，具有10cm的圓錐高度。流化用的空氣是周圍空氣，其中通過使用加熱器14獲得 15-85°C范圍內(nèi)的溫度。該表面空氣速度在0.2-2. 4m/s的范圍內(nèi)。表面空氣速度被確定為 橫過入口到氣體分配板2處的圓錐區(qū)的平均速度。對于作為模型流化顆粒的試驗，在下面 詳細描述的實例使用粗粒，其中平均顆粒直徑為380 u m并且容積密度是760kg/m3。通過將水噴灑在粗粒上，同時在低剪切食品攪拌機混合10分鐘，準備濕粗粒顆 粒。這些粗粒顆粒被過濾以去除尺寸大于1. 5mm的大塊，并且約2kg的濕顆粒材料用在流 化實驗中。顆粒典型為Geldart B顆粒。諸如圖2中的7A-7B，在具有恒定的濕度含量時，相鄰電極對之間的電容測量值顯 示在從最小流化速度(Umf)提高到約最小流化速度8倍的范圍中，該測量的電容實質(zhì)獨立 于流化氣體速度。這并不是諸如圖2中的7B-7D的相對的電極對之間測量的電容的情況， 其中大概由于經(jīng)過相對的電極之間的低介電常數(shù)相的氣泡的原因，電容隨著增加流化速度 而下降。因此，已發(fā)現(xiàn)通過測量相鄰的電極之間，或在其中電極之間的測量通路不橫穿流 化床的中央的電極之間的電容，可以測量鄰近流化床裝置的側(cè)壁的密集流化相的電容，并 且發(fā)現(xiàn)這種測量獨立于寬范圍操作條件的流化速度。然后，這允許ECT成像測量的重新校準，典型地在相鄰電極之間進行。當由于濕度 改變，顆粒的介電常數(shù)改變時，通過測量相鄰或接近相鄰的電極之間的變化電容，隨著實驗 進展，可以使用這種測量以重新校正ECT系統(tǒng)，無需停止流化，以便重新校準高介電常數(shù)相 的介電常數(shù)(即，濕顆粒)。當流化繼續(xù)時，ECT傳感器陣列的相鄰或接近相鄰的電極之間 的電容測量值導(dǎo)出的介電常數(shù)可以用于調(diào)節(jié)用在標準化介電常數(shù)計算的(^值(參見上面 的等式I)。還可以發(fā)現(xiàn)通過測量干燥實驗期間的顆粒的濕度含量，可以取得顆粒濕度含量 與在ECT傳感器陣列的相鄰或接近相鄰電極之間測量的電容之間的函數(shù)關(guān)系。這是因為濕
13顆粒的介電常數(shù)高度取決于其濕度含量。為了測量實驗期間的顆粒的濕度含量，使用采樣 器10取2. 5g的樣本，并且使用Mettler Toledo HB43濕度表用于測量濕度含量。從由這 些測量值導(dǎo)出的函數(shù)關(guān)系，則可以運行類似干燥實驗，并且從相鄰或鄰近相鄰的電極之間 測量的電容預(yù)測在實驗任何階段的濕度含量，無需取樣或停止流化，以測量濕度含量。
表3顯示了這種實驗的結(jié)果。在圖3中，作為以分鐘為單位的干燥時間的函數(shù)，y 軸顯示了粗粒顆粒(Xp%)的重量百分比濕度含量。使用的裝置和顆粒如上詳細描述。圖3 中的誤差條顯示的數(shù)據(jù)點對應(yīng)于利用濕度表測量的關(guān)于提取樣本進行的離線濕度測量值。 使用本發(fā)明的第二方面的方法，填充圓顯示的數(shù)據(jù)點對應(yīng)于從ECT陣列中的相鄰電極對之 間的在線電容測量和測量的電容之間的關(guān)系的知識取得的濕度值和粗粒顆粒的濕度含量。 離線與在線值之間的校正是優(yōu)異的。
權(quán)利要求
一種在流化床裝置中通過電容X線斷層攝影術(shù)產(chǎn)生流化顆粒的顆粒密度像的方法，所述流化床裝置包括確定流化空間的氣體分配板和一個或多個側(cè)壁，和圍繞所述一個或多個側(cè)壁定位的電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列，其中對應(yīng)于具有第一介電常數(shù)的流化顆粒的第一相和對應(yīng)于具有第二介電常數(shù)的流化氣體的第二相被成像，其特征在于在計算圖像中使用的第一介電常數(shù)在顆粒的流化期間通過使用一個或多個再校準電容被重新校準，以允許其介電常數(shù)值的變化，所述一個或多個重新校準電容由一對或多對基準電極測量，所述一對或多對基準電極被定位以測量接近所述一個或多個側(cè)壁的密集流化顆粒的電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對于每對基準電極，兩個基準電極大致在所述流 化空間的相同側(cè)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述一對或多對基準電極被定位 為接近氣體分配板的上表面，優(yōu)選地離開氣體分配板的上表面小于20cm。
4.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中每對基準電極的每個基準電極在距 離氣體分配板的上表面的一定距離處，該距離對于每個基準電極基本相同。
5.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中所述基準電極圍繞流化空間基本均 勻地間隔開。
6.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中每對基準電極的基準電極為相鄰電極。
7.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中多個重新校準電容在基準電極對之 間被測量，并且由所述多個重新校準電容進行平均重新校準電容的計算，所述平均重新校 準電容用于重新校準第一介電常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中重新校準電容在至少3對基準電極之間被測量， 并且如果特定重新校準電容與其它重新校準電容的平均值實質(zhì)不同，則所述特定重新校準 電容從所述平均重新校準電容的計算中被排除。
9.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中所述基準電極是電容X線斷層攝影 術(shù)傳感器陣列的電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述流化床裝置包括定位在距離氣體分配板的 上表面不同距離的位置處的兩個或更多個電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列，由此形成距離 氣體分配板的上表面的不同距離處的流化顆粒的圖像。
11.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中所述顆粒密度像是包括多個 介電常數(shù)圖像像素的圖像，所述多個介電常數(shù)圖像像素對應(yīng)于流化床裝置中的多個成像體 積元素的每個，每個介電常數(shù)圖像像素顯示了每個對應(yīng)體積元素的總介電常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對應(yīng)于流化床裝置中的多個成像體積元素的 每個，產(chǎn)生包括多個固體分布圖像像素的固體分布圖像，每個固體分布圖像像素顯示每個 對應(yīng)體積元素的固體含量。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的方法，其中對應(yīng)于流化床裝置中的多個成 像體積元素的每個，產(chǎn)生包括多個液體分布圖像像素的液體分布圖像，每個濕度分布圖像 像素顯示每個對應(yīng)體積元素的總液體含量。
14.根據(jù)權(quán)利要求11到13的任意一項所述的方法，其中在任何具體時刻，流化氣體被處理為在整個流化空間中具有平均液體含量。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14的任意一項所述的方法，其中在任何具體時刻，測量流化 氣體的入口液體含量和出口液體含量，從而可以導(dǎo)出流化氣體的平均液體含量。
16.根據(jù)權(quán)利要求11到15的任意一項所述的方法，其中在任何具體時刻，流化顆粒 被處理為在整體流化空間中的流化顆粒具有平均液體含量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中利用流化顆粒的液體含量與測量的電容之間 的函數(shù)關(guān)系，在任何具體時刻，流化顆粒的平均液體含量由重新校準電容導(dǎo)出。
18.一種用于測量流化床裝置中的流化顆粒的液體含量的方法，流化床裝置包括確定 流化空間的氣體分配板和一個或多個側(cè)壁，其特征在于通過一對或多對基準電極在流化 期間測量校準電容，所述一對或多對基準電極被定位以測量接近所述一個或多個側(cè)壁的密 集流化顆粒的電容，其中流化顆粒的液體含量通過流化顆粒的液體含量與所測量的電容 之間的函數(shù)關(guān)系由所述校準電容導(dǎo)出。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述顆粒的液體含量與所測量的電容之間的 函數(shù)關(guān)系由下述方式導(dǎo)出a)當使用大于或等于所述顆粒的最小流化速度的氣體流在基準溫度下流化具有已知 液體含量的顆粒時，測量一對或多對基準電極之間的電容，b)對于多個已知液體含量重復(fù)步驟(a)；和c)建立所述顆粒的平均液體含量與所述一對或多對基準電極之間的測量的電容之間 的函數(shù)關(guān)系。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的方法，其中對于每對基準電極，兩個基準 電極大致在流化空間的相同側(cè)上，從而測量的電容用于在所述一個或多個側(cè)壁附近的密集 流化顆粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求18到20的任意一項所述的方法，其中每對基準電極的每個基準電 極在距離氣體分配板的上表面的一定距離處，該距離對于每個基準電極基本相同。
22.根據(jù)權(quán)利要求18到21的任意一項所述的方法，其中基準電極圍繞流化空間基本 均勻地間隔開。
23.根據(jù)權(quán)利要求18到22的任意一項所述的方法，其中基準電極是電容X線斷層攝 影術(shù)傳感器陣列的電極。
24.根據(jù)權(quán)利要求18到23的任意一項所述的方法，其中流化顆粒的溫度被測量，并 且流化顆粒的液體含量與測量電容之間的函數(shù)關(guān)系考慮流化顆粒的溫度與基準溫度之間 的溫度差的影響。
25.根據(jù)權(quán)利要求18到24的任意一項所述的方法，其中流化顆粒的液體含量用作過 程控制器的反饋值，用于控制液體在顆粒流化期間從流化顆粒的去除，其中所述過程控制 器控制流化顆粒的流化氣體的溫度與/或流速。
26.根據(jù)權(quán)利要求18到25的任意一項所述的方法，其中流化顆粒的液體含量用作過 程控制器的反饋值，用于控制在顆粒流化期間將液體添加到流化顆粒，其中所述過程控制 器控制液體的添加速度與/或流化顆粒的流化氣體的溫度與/或流速。
27.一種用于形成流化顆粒的床的流化床裝置，所述流化床裝置包括確定流化空間 的氣體分配板和一個或多個側(cè)壁；一對或多對基準電極，所述一對或多對基準電極接近流化空間定位并適合測量接近所述一個或多個側(cè)壁的密集流化顆粒的電容；和從在所述一對 或多對基準電極之間測量的密集流化顆粒的電容計算流化狀態(tài)的流化顆粒的液體含量的裝置。
28.使用來自流化床裝置的電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列的電容測量值，以提供在 流化床裝置中通過流化氣體經(jīng)歷流化的顆粒的液體含量的測量。
29.使用來自流化床裝置的電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列的電容測量值，以提供在 流化床裝置中經(jīng)歷流化的顆粒的成像平面中的固體顆粒分布的圖像。
30.使用來自流化床裝置的電容X線斷層攝影術(shù)傳感器陣列的電容測量值，以提供在 流化床裝置中通過流化氣體經(jīng)歷流化的顆粒的成像平面中的液體分布的圖像。
全文摘要
一種在流化床裝置中利用電容X線斷層攝影術(shù)(ECT)生產(chǎn)流化顆粒的顆粒密度像的方法和裝置，實現(xiàn)在流化過程期間在線測量流化顆粒的液體含量，并實現(xiàn)在流化期間流化顆粒介電常數(shù)的重新校準，當顆粒的液體含量變化時，諸如對于流化床干燥或造粒過程，允許ECT系統(tǒng)在線重新校準。使用定位以測量流化床的側(cè)壁附近的密集流化顆粒的電容的基準電極，進行重新校準測量。ECT傳感器陣列的電極可用于對流化顆粒進行重新校準測量，其能夠用于在線液體含量測量，諸如液體含量，不用停止流化。該液體含量信息可用于過程控制。該方法也可用于分別提供經(jīng)過成像平面的固體分布和總體液體分布的圖像。
文檔編號G01N27/22GK101842694SQ200880114470
公開日2010年9月22日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月3日
發(fā)明者楊五強, 王海剛 申請人:曼徹斯特大學(xué)