基于超声波的气相RTD测量技术在气体与气固混合物中的应用外文翻译资料

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基于超声波的气相RTD测量技术在气体与气固混合物中的应用

1. H．G．Cents，S．R．A．Kersten，* and D．W．F．Brilman，化学工程系，屯特大学，邮政信箱217，7500 AE恩斯赫德，荷兰

摘要

本文介绍了气相停留时间分布（RTD）测量技术，它是基于超声波通过不同成分的混合物有不同的速度，以此对二元气体混合物进行快速浓度测量的新方法。它显示出尽管增加的采样频率是可取的，但是系统的保持时间可以低至被解释的0.1秒。技术方法采用单相气体反应器验证（管式反应器和一种强烈的搅拌反应器）。测得的浓度，平均停留时间，在单相气体反应器的混合物浓度与从文献中得到的实验条件和结果相一致。该方法被用来研究了一种新型气固两相循环流化床的流体力学-生物质气化床反应器，使用原型测量单元评估气相RTD测量技术。从这反应器的测量RTD曲线可以看出，它由五个流化床阶段组成，可以得出的结论是，有整体没有死区/低交换速率的主要流场的旁路流。气相流体力学可以通过一系列的cistrs相对于实际流化床阶段的基本情况设计来描述。所采用的超声波检测技术具有几个优点。二元气体混合物的组合物可以在高采样频率的固体中测量，更重要的是，局部的平均固体部分可以同时测定。该测量方法可以完全无侵害的通过反应器壁，甚至将来在工业设施应用也有可能。

1 介绍

在这项工作中，气相流体力学的一种新的生物质气化多段流化床反应器正在研究中，这就需要一种技术，能够使气相停留时间分布（RTD）的测量在固体中的存在是非侵入性的，可以采用最小流量的流动干扰，最好使反应器有保持时间低至0.1秒特性的能力。

大多数关于气相RTD测量技术的报道是以光传输为基础，热传导，或放射性示踪剂。对于单相的系统，所有的这些方法可被应用基于良好的性能特点和高采样频率。以光为基础的技术的主要缺点是他们无法测量通过非透明的反应器和反应器壁。导热系数只能被应用于侵入式探针，这是不可取的，因为会产生流态紊乱的干扰。然而，当本地的浓度文件（例如，径向）被确定时，侵入性抽样也可以提供机会。固相的存在降低了大多数技术的适用性。例如激光吸收，因为光通过固体时的散射，通常是不适用的。同时，如果固体反应器中存在操作，气相取样探头将更困难。上述技术，只有放射性气体追踪方法（例如，使用Ar）符合所有的要求，但它需要大量的安全程序。

在这项工作中，一个RTD测量方法的开发是利用超声波的速度对气相成分之间独立的关系。该方法能满足所有的要求，具有的优势是固体部分和测量单元中的示踪气体浓度可被同时确定。与此技术相关的另一个好处是，它提供了通过反应器壁的措施（如钢铁）的可能性，正如上面提到的，这是分光光度法所不可能的。

本文首先对上面的测量原理进行了解释，紧接着是对应用的实验步奏和实验方案进行了描述。结果是根据给出的超声检测单相电抗器RTD在单相反应器中验证（PFR和CSTR）。

另外，本文也给出了气相RTD在一个新的多级循环流化床生物质气化反应器的测量结果。最后，这种新型反应器气相动力学特性将根据RTD测量结果进行讨论。

1. 测量原理

测量原理利用超声波的速度对体积模量材料声速率（弹性）和介质密度之间的依赖性。这种关系如下等式1：

（1）

二元理想气体混合物的平均密度和体积弹性模量由以下公式给出：

（2）

（3）

密度和纯组分的体积模量都可以被计算，对于理想气体可以进行各向同性的变化，例如压力波，他的体积弹性模量定义为：

（4）

Povery建议纯组分气体的体积模量可以从密度和超声波的速度来计算：

（5）

当这样做时，二元混合物的组分可以根据混合物中声音的速度来测量，已知纯组分的密度和速度的值

（6）

其中：

（6a）

（6b）

（6c）

在这项工作中，等式6说明，混合物的成分决定于声波的速率，在上述的分析中，这二元混合物不严格等同于纯组分，同时假设其中的一个组分，示踪气体在测量过程中不发生改变。更重要的是，计算是基于一个均匀的径向示踪气体分布。这种浓度的测量技术可以用来确定在入口控制系统对阶跃响应的示踪气体成分浓度。

1. 固体颗粒的影响

这里介绍的测量技术的一个优点是在固体颗粒存在情况下的适用性。固体颗粒的影响可以根据散射理论来解释，声音速率的变化取决于在测量单元中固体颗粒的大小，它们的浓度和超声波的频率。这些作者还表明，这种技术是能够在流体中准确的确定固体的浓度和粒度。固体颗粒物中气相浓度的测定相对于单相系统有些更复杂。颗粒的存在造成的超声波速度的偏移是必须在气相系统里被忽略的。当然，颗粒的存在会造成额外的衰减，减少信号的幅度，它可以引起关于获得接收信号的问题。对于所选择的适当的传输的信号频率，固体的馏分，测量的路径长度和颗粒尺寸都是重要参数。

一个关于用来计算固相分数和气相RTD程序的步骤如下。在示踪气体缺失情况下的超声波速度测量，平均固相分数用散射模型来计算。用这个值，所有的超声波速度读数被校正为在反应器中存在的固体的量。在程序正确的情况下，事实是固体颗粒对超声波速度变化的贡献与气相组合物的变化可以考虑使用一个迭代计算程序。在本程序完成后，其余的数据可以被视为相对于二元流体混合物测得的，可以使用方程6将测量的速度转换成示踪气体的浓度。这样，这种方法可以用来减少固体的影响和提高气相的准确性，这样液相RTD实验可以在固体的存在下进行。

声速的测定可以根据音量爆发技术来决定。音爆发是一种窄带信号，由一个特定的频率段组成。这个信号的速度的测量有经过路径长度的飞行时间（TOF）来确定。实际上TOF很难准确地测定，因为完整的测量系统的传递函数不知道。因此，时间差根据混合物中的信号来确定。速度的参考信号的声速是已知准确的（例如，在空气中），从这些值，在一个未知介质中的声速可以计算为：

（7）

测量单元中的路径长度（x）可以精确的测量，最精确的测量经过混合物两个信号之间的时间差方法，同时参考信号是双信号的互相关相关函数的形式是：

（8）

当双音脉冲串进行比较时，这个函数有一个三角形的形状，而且此函数的最大时间是两个信号之间的时间差。在固体的存在下，通过介质的信号严重失真，然而，它确定的时间差不受信号失真的影响，结果表明，失真的存在不影响在时间最大值位置的互相关函数，只影响它们的峰值。

4.实验步骤

实验装置包括一个任意波形发生器（AWG），它将所需的电信号以一个中心频率为800千赫发送给压电换能器。该信号被放大到一个最大的44分贝的可变功率放大器。发射换能器将电信号转换成压力波，被收到另一个跨路。转换后的电信号是，经过31分贝的放大，获得的最大采样率2 GS/s（2times;每秒109个样本）和8位数字示波器的分辨率。同时，AWG发送电子信号，示踪信号被传送到示波器和一个电气控制阀上。来自示波器的数据通过GPIB接口总线传送到计算机上。这个实验装置的整体采样频率是33赫兹的有限数据传输速率。当然这个问题可以被解决，理论上最大的采样频率可以达到10000Hz。完整的安装如下所示，两个传感器被放在一个测量单元中，可以放置在反应器中的几个位置使用。输入阶跃函数和离开反应器的响应可以用这种方法来测量。测量的路径长度为18毫米，以尽量减少在反应器中的气体流动的干扰。

氦被选为示踪气体，因为它相比于空气（983比345米/秒，23°C）的声音速度有着显著差异。空气被引入到反应器中，通过一个流量控制器，总的流出量来自于空气流量和氦气流量。静态混合器被放置在可以保证气相良好的径向混合。采用2种不同的单相反应器对该工艺进行了试验：（a）一个体积1220毫升装有磁力搅拌器确保近理想相混合反应器容器(b)不锈钢管反应器内径为19毫米和18.4毫米，长度为1635和815毫米

一种新型多级循环流化床生物质气化的应用，超声波的方法也适用于确定一个新的反应器设计，是专为克服一些在循环流化床气相RTD中经常遇到的问题。这种多级循环流化床由几个系列的片段组成，每一个由两个相对的锥构建。固体循环系统包括旋风，降液管和密封系统，流化床，由于特定的形状，流化床中的每一个立管段的底部锥没有混合的气体和固体的片段。在一个单一的反应器中，片段中没有混合的气体和固体创造了结合单独的工艺步骤，在空间上划分的机会。事实上据发现，当生物在生物流化床的第三段，在底部段有一个单独的氧化区被创建，因此增加了碳转换，相比较常规循环流化床生物质气化，明显提高了热效率。

5.RTD测量介绍

用概率函数来描述停留时间分布，这是很常见的做法：

（9）

（10）

平均停留时间（第一时刻），可以从E和F的曲线计算出如下：

（11）

这是有趣的比较平均停留时间与反应器的实际停留时间。这样的比较，得到关于死区和/或旁路流几乎没有任何交流的信息。被定义为：

（12）

在这项工作中，作为输入函数的阶跃函数，F曲线作为输出函数，另一个经常使用的输入函数是脉冲函数。得到RTD曲线有三种方法，第一个方法是用一个组成的混合坦克模型，用一个数值拟合程序，以最大限度地减少测量的曲线和模式之间的偏差，如果假定输入步骤是完美的，解析解是：

（13）

（14）

在第二种方法中，轴向分散塞流模型，在这种情况下，一个合适的程序被用到找到最佳的模型参数。最后，在第三种方法中得到的RTD曲线的以F曲线为基础用公式11和14获得N和T进行直接解释。在固体存在的情况下，可用的气相体积在反应器中的气体的停留时间，可以根据下面的等式对固体的体积进行校正：

（15）

6.结果与讨论

6.1方法验证

要验证超声波技术以确定一个二元气体混合物各成分的浓度，根据等式6测量的混合物中的超声波速度计算而来的空气中的氦气馏分，与已知的混合物的氦馏分进行比较。后者是基于放置在空气中的质量流量控制器提供读数，从结果中可以归纳出超声波技术可以被用来确定一个二元气体混合物的组合物成分。显然，组分的性质必须知道，输入阶跃函数的性质是由阀门开启的速度决定的，在不同反应器中对RTD进行分析是非常重要的。因为这个原因，在出口处的浓度分布，以及在反应器的入口进行测量。然而，实际的配置文件很难确定，至少在原型测量单元的最大频率范围内。虽然阀门开度的方差的精确值无法确定，对于高的气体流速的管道流动实验，这样的值在短的停留时间内仍然是重要的。在这种情况下，管中的曲线在出口和入口应使用反褶积的响应。在所有其他实验中，一个理想的输入阶跃函数的假设是合理的。在以上结论的描述中，可以归纳出

6.2生物质气化的新型多级流化床分析。

超声波技术也被用来确定新的多级流化床反应器气相RTD应用于气体速度的函数（保持时间），固体通量，以及在段中的固体部分。从这些RTD测量获得的数据将有助于整体的气相反应器中混合的新认识。联合从静止的混合实验得到的RTD信息提供了第一个混合气体的概念。当气固混合物流过提升管时，在反应器体积的基础上，系统气体保持时间用来校正固相的存在。除了RTD的测量，固定的示踪气体试验（CO2红外探测，TCD检测）也进行，从测试结果来看，可以得出以下结论（结论保持正常运行的条件，即提升管段底部锥段和段之间的固体通量，除非另有说明）。

（a）在片段上游示踪气体缺失时注入，那么片段之间就不会发生气体返回混合。这意味着，整体的气体流体力学不能用色散模型描述，因为这样一个模型包括向前和向后的混合。NCISTR模型更合适，只有向前的混合被认为是在这个模型。

（b）在注入段的下游，示踪剂始终均匀地分布在段内，气体之间发生混合，这种混合的

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