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

背景技術(shù)：

噴動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)分布等因素。在低溫下通常可通過直觀觀察并改變上述條件獲得穩(wěn)定的噴動(dòng)狀態(tài)，在床體不透明或者床體溫度較高而無(wú)法直接觀察時(shí)，通常通過監(jiān)控床層壓差的時(shí)域信號(hào)獲得穩(wěn)定的噴動(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)也時(shí)時(shí)變化，若此時(shí)繼續(xù)通過監(jiān)控床層壓差的時(shí)域信號(hào)獲取穩(wěn)定的噴動(dòng)狀態(tài)則非常困難，需要長(zhǎng)期的工藝摸索和繁雜的數(shù)值模擬計(jì)算，且若其中某一影響因素稍作改變，則壓降的時(shí)域信號(hào)需要重新分析。因此需要開發(fā)一種實(shí)用性更強(qiáng)的基于床層壓差的頻域信號(hào)自動(dòng)控制噴動(dòng)床內(nèi)顆粒噴動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)方案。

功率譜是描述頻域中時(shí)間序列的相關(guān)性函數(shù)，其是采用傅里葉分析和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的手段，按信號(hào)所含不同頻率的波動(dòng)能量大小將其分解，將各種動(dòng)態(tài)信號(hào)變換到頻域上進(jìn)行分析，得到波動(dòng)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)(Power spectra of density簡(jiǎn)稱PSD)，通過頻譜分析可以求得動(dòng)態(tài)信號(hào)的各個(gè)頻率成分和頻率分布范圍，以及動(dòng)態(tài)信號(hào)中各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布。噴動(dòng)床床層各相的不均勻性源于氣泡的形成和運(yùn)動(dòng)，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(dòng)速度超過最小噴動(dòng)速度以后，多于最小噴動(dòng)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(huì)因氣泡尺寸的變大而加快，從而在床層中形成一個(gè)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(dòng)床中最主要的壓力波動(dòng)源來(lái)自噴射區(qū)氣泡的形成、上升和破裂，對(duì)應(yīng)于頻域信號(hào)上的主峰。當(dāng)然不可避免地，在噴動(dòng)床內(nèi)由于噴動(dòng)速度過大或過小、環(huán)隙區(qū)顆粒的振動(dòng)、溫場(chǎng)變化、顆粒和床內(nèi)壁的噴撞等因素的存在，在頻域信號(hào)上會(huì)有上述壓力波動(dòng)源的峰。為了達(dá)到穩(wěn)定的噴動(dòng)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(dòng)的主峰所含的能量占整體壓力波動(dòng)源能量的比例越大越好。

技術(shù)實(shí)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(hào)自動(dòng)控制噴動(dòng)床內(nèi)顆粒噴動(dòng)狀態(tài)的裝置和方法，以使噴動(dòng)床不斷獲得相對(duì)穩(wěn)定的噴動(dòng)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種自動(dòng)控制噴動(dòng)床內(nèi)顆粒噴動(dòng)狀態(tài)的裝置，其包括一壓差測(cè)量模塊、一噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、一信號(hào)采集模塊、一控制模塊和一噴動(dòng)狀態(tài)調(diào)整模塊，其中：

所述壓差測(cè)量模塊用于測(cè)量噴動(dòng)床的床層壓差；

所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)與所述床層壓差一一對(duì)應(yīng)；

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

所述控制模塊連接在所述信號(hào)采集模塊與所述噴動(dòng)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(dòng)狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)所述床層壓差進(jìn)行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，而后對(duì)所述頻域信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以得到該頻域信號(hào)主峰的峰值和峰位，然后控制所述噴動(dòng)狀態(tài)調(diào)整模塊對(duì)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至所述控制模塊接收到的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)為前后兩個(gè)頻域信號(hào)中主峰的峰值和峰位較大的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述壓差測(cè)量模塊為壓差傳感器，所述壓差傳感器的兩個(gè)測(cè)壓端分別連接所述噴動(dòng)床的進(jìn)氣端和出氣端。

進(jìn)一步地，所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊為流量計(jì)或熱電偶。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)采集模塊為信號(hào)采集卡。

優(yōu)選地，所述信號(hào)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(shí)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(dòng)控制噴動(dòng)床內(nèi)顆粒噴動(dòng)狀態(tài)的方法，該方法包括以下步驟：

步驟S1，測(cè)量噴動(dòng)床的床層壓差；

步驟S2，監(jiān)測(cè)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)與所述床層壓差一一對(duì)應(yīng)；

步驟S3，采樣并輸出所述床層壓差及所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)；

步驟S4，接收所述床層壓差及所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)所述床層壓差進(jìn)行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，而后對(duì)所述頻域信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以得到該頻域信號(hào)主峰的峰值和峰位，然后對(duì)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至所述噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)為前后兩個(gè)頻域信號(hào)中主峰的峰值和峰位較大的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的噴動(dòng)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(duì)比前后兩次床層壓差頻域信號(hào)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(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)，以使噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)保持在該峰值和峰位較高時(shí)對(duì)應(yīng)的值，從而使噴射區(qū)顆粒振動(dòng)的主峰所含的能量占整體壓力波動(dòng)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(dòng)床能夠不斷獲得相對(duì)穩(wěn)定的噴動(dòng)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(shí)現(xiàn)顆粒噴動(dòng)狀態(tài)的調(diào)控自動(dòng)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(jià)值。

附圖說(shuō)明

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

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中床層壓差隨時(shí)間的變化曲線；

圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

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

下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

壓差測(cè)量模塊1用于測(cè)量氣體經(jīng)過噴動(dòng)床床層的床層壓差。在本發(fā)明中，壓差測(cè)量模塊1采用壓差傳感器實(shí)現(xiàn)，其兩個(gè)測(cè)壓端分別連接噴動(dòng)床的進(jìn)氣端和出氣端。

噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊2可以是流量計(jì)或熱電偶等，用于監(jiān)測(cè)噴動(dòng)床內(nèi)的流量或溫度等噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)和床層壓差在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)。

信號(hào)采集模塊3與壓差測(cè)量模塊1和噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)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(dòng)狀態(tài)參數(shù)。在本發(fā)明中，信號(hào)采集模塊3優(yōu)選采用信號(hào)采集卡實(shí)現(xiàn)。其中，信號(hào)采集模塊3的采樣頻率需根據(jù)具體的噴動(dòng)床床型等參數(shù)確定，太低的采樣頻率會(huì)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(huì)采集過多的無(wú)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(hào)采集模塊3與噴動(dòng)狀態(tài)調(diào)整模塊5之間，用于接收信號(hào)采集模塊3輸出的床層壓差及噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)床層壓差進(jìn)行傅里葉變換以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，而后進(jìn)一步對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以得到該頻域信號(hào)主峰的峰值和峰位，比較前后兩個(gè)頻域信號(hào)主峰的峰值和峰位大小，然后控制噴動(dòng)狀態(tài)調(diào)整模塊5對(duì)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)(如流量或溫度等)進(jìn)行調(diào)整，以使信號(hào)采集模塊3采樣到的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)達(dá)到前后兩個(gè)床層壓差頻域信號(hào)中主峰的峰值和峰位較大的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值?？梢?，本發(fā)明通過對(duì)流量或溫度等的持續(xù)反饋控制，不斷獲得相對(duì)穩(wěn)定的顆粒噴動(dòng)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(shí)間需足夠大，這樣頻域信號(hào)才有一定的穩(wěn)定性，另一方面，變換時(shí)間不可過大，過大會(huì)降低頻域信號(hào)的實(shí)時(shí)性，并增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。綜合考慮，優(yōu)選變換時(shí)間為20-60s，變換間隔為1-60s。例如，轉(zhuǎn)換時(shí)間為40s，轉(zhuǎn)換間隔為1s，則第一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為0-40s，第二次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為1-41s，以此類推。

本發(fā)明另一方面提供一種自動(dòng)控制噴動(dòng)床內(nèi)顆粒噴動(dòng)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(dòng)床的要求，使床層在一定的氣體流量下，能形成噴動(dòng)床。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，噴動(dòng)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(dòng)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(dòng)床開始工作時(shí)，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(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。針對(duì)該噴動(dòng)床，本發(fā)明采用如下步驟自動(dòng)控制其內(nèi)部的顆粒噴動(dòng)狀態(tài)：

步驟S1，測(cè)量氣體經(jīng)過噴動(dòng)床床層的床層壓差。

步驟S2，監(jiān)測(cè)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，該噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)與床層壓差在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)。

步驟S3，采樣并輸出前述床層壓差及噴動(dòng)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(shí)間的變化過程。

步驟S4，接收步驟S3輸出的床層壓差及噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)床層壓差進(jìn)行傅里葉變換以將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)(在本實(shí)施例中，每采集40s的信號(hào)進(jìn)行一次傅里葉變換，轉(zhuǎn)換間隔為1s)；而后進(jìn)一步對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以得到該頻域信號(hào)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(dòng)源(氣泡的形成，生長(zhǎng)和破裂)；隨著反應(yīng)進(jìn)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(hào)主峰的峰值和峰位產(chǎn)生變化，通過不斷比較前后兩個(gè)頻域信號(hào)主峰的峰值和峰位的大小，然后對(duì)噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直到采樣到的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)(如流量或溫度等)達(dá)到前后兩個(gè)床層壓差頻域信號(hào)中主峰的峰值和峰位較大的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的噴動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值，從而不斷獲得相對(duì)穩(wěn)定的顆粒噴動(dòng)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(huì)意識(shí)到，此處所描述的實(shí)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(hù)范圍并不局限于此文中的特別陳述和實(shí)施實(shí)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(hù)范圍之內(nèi)。