专利名称：搅拌釜泛点转速的检测方法
技术领域：
本发明涉及到搅拌釜操作参数的检测，具体是涉及一种搅拌釜的泛点转 速的检测方法。
背景技术：
搅拌釜反应器在众多领域都有广泛的应用，如医药、造纸、食品、化工 以及废水处理等，其中尤以化学工业中使用最多，而气液体系在搅拌釜操作 中占据很大比例，具有气含率和相界面积大，容易换热和处理量大等特点。 由于气液两相混合行为的复杂性，这类搅拌釜的设计和放大比较困难，而泛
点转速iVf是在搅拌桨选型确定后搅拌过程设计和操作的一个核心点，是考察
搅拌混合效果的一个重要参数。 一般定义载气状态与气泛状态的相互转变的 临界转速称为泛点转速，即气体从搅拌桨所在平面沿轴向直接到达自由液面 而没有径向分量的状态为气泛状态，反之则为载气状态。
目前，公开报导的泛点转速检测方法主要分为两大类， 一类是全局检测
方法，如功率曲线、气含率法等与可视化观察相结合的方法；另一类是局部 检测方法，如风速计、阻抗探头、微型螺旋桨等。然而，对于搅拌釜反应器 而言，局部检测方法大多为侵入式检测方法，不适合苛刻的工业生产环境， 全局检测方法则各有不足，如观察法虽然原理简单、测量方便，但是由于其 精度不高，应用范围有限，而且不适用于不透明搅拌装置内；功率曲线方法 虽然是非侵入式测量手段，但其敏感度不高。因此，寻找一种新型的能快速、 准确、安全地实现泛点转速检测的方法具有重要的理论意义和广阔的工业应 用前景。
小波分析的特点是对信号进行变时窗分析，即对信号中的低频分量采用较宽的时窗，对高频分量采用较窄的时窗，这个特点使得小波分析在时域和 频域同时具有良好的局部分析特性，这就非常适合声发射信号的分析。而二
阶Daubechies小波分解技术是小波分析中常用的一种算法，在科研中有广泛 的应用，如任聪静等公开的《气固流化床声发射信号的多尺度解析》(浙江大 学学报(工学版)，2008， 42(7):1255-1260)等。
目前应用的分形特征分析方法主要为R/S分析。R/S分析又名Hurst分 析，是以分形布朗运动模型为基础(徐绪松，马莉莉，陈彦斌.R/S分析的理 论基础分形布朗运动.武汉大学学报(理学版)，2004.50(5):547-550)，研 究非周期行为的长期相关性，对时间序列未来的变化趋势做出预测，在信号 分析中有大量应用，如任聪静等公开的《利用声发射技术测量搅拌釜的淤浆 悬浮高度》(化工学报，2008, 59(6):1383-1389)等。
发明内容
本发明提供一种搅拌釜泛点转速的检测方法，该方法将水听器探头放置 于搅拌釜外壁面或内部，通过采集振动信号，可以对泛点转速进行有效检测， 继而对生产操作进行优化。
搅拌釜的泛点转速的检测方法包括如下步骤
1) 在搅拌釜外壁面或内部设置水听器探头；
2) 接收来自于搅拌釜内部的振动信号；
3) 以二阶Daubechies小波分解技术解析接收到的振动信号，利用Hurst 分析方法，选取Hurst值均小于0.5的频段的振动信号作为特征信号；
4) 当特征信号的能量分率iV决速增加结束并开始趋于稳定时所对应的 搅拌转速即为泛点转速。
所述的水听器探头优选设置在搅拌釜外壁面静液位高度以下区域，最优 选为外壁面靠近底部1/4 1/3的静液位高度区域。
4所述的水听器探头为一个或多个，设置多个探头时，可设置在不同位置。
所述的振动信号的接收频率范围为大于0且小于等于100MHz。振动信 号通过水听器探头进入放大装置进行信号放大，以保证长距离信号输送，然 后经A/D转换之后进入信号处理装置(计算机)进行处理和分析。
采集的振动信号经二阶Daubechies小波分解技术解析后得到几个尺度的 能量分率，利用Hurst分析方法，选取Hurst值均小于0.5的频段的振动信号 作为特征信号，相应频段能量分率iV决速增加结束并开始趋于稳定时所对应 的搅拌转速即为泛点转速。本发明可应用的搅拌反应器包括固-液两相混合 搅拌釜、气-液两相搅拌釜以及气-液-固三相混合搅拌釜。
本发明与现有的方法相比具有如下一些优点
1) 振动接收装置可以是插入式的或者是非插入式的，安装简易方便，不会影 响多相流体的运动或内部的反应；
2) 振动信号是流体在运动过程中产生的，不需要发射源；
3) 对测量条件要求低，能适应比较恶劣的条件，甚至是高温高压等苛刻环境;
4) 反应灵敏，测量误差小，应用范围广。
图1是及i随搅拌转速的变化曲线其中(a)是搅拌釜外壁面测量A随搅拌转速的变化曲线图；(b)是搅 拌釜内部测量凡随搅拌转速的变化曲线图2是实施例1中及i随搅拌转速的变化规律曲线图； 其中(a)为通气流量gG-0.011m3's"; (b)为通气流量gG=0.017 m3's"; (c)为通气流量g(j-0.022m3's"; (d)为通气流量^3-0.028m、"；
图3是声发射检测装置示意图中，搅拌釜l、搅拌桨2、指型挡板兼进气管3、流量计4、风机5、搅拌电机6、扭矩传感器7、数显仪表8、水听器探头9、前置放大器IO、放 大器ll、计算机12。
具体实施例方式
采用如图3所示的装置，风机5将气体通过流量计4从指型挡板兼进气 管3鼓入搅拌釜1,搅拌电机6通过)扭矩传感器7控制搅拌桨2搅拌，数显 仪表8与扭矩传感器7连接，水听器探头9接收来自于搅拌釜1内部的振动 信号，水听器探头9通过前置放大器10、放大器11接入计算机12。保持通 气量不变，i i随搅拌转速的变化存在着规律性的变化，如图1所示，其中， 图1 (a)中水听器探头设置在搅拌釜外壁面距底部1/3静液位高度处，图1 (b)中，水听器探头设置在搅拌釜内部距壁面1/2半径，距底部1/3静液位 高度处。由图1可见，无论测量位置在搅拌釜外壁面还是内部，搅拌速度比 较低时，气泡在搅拌釜中下部分散很少，大部分直接沿搅拌轴上升到自由液 面，体系处于气泛状态。随着搅拌速度的增大，沿搅拌桨直接上升到液面的 比例越来越小，气泡的分散趋于均匀，气泡和液体相互作用以及对釜壁的撞 击继续增强，反映各种作用耦合强度的能量分率及i也越来越大；当转速达到 一定值时，体系内大部分气体分散已经完成，气泡与气泡之间、气泡与液体 之间以及液体之间的相互耦合作用达到极值，体系已经由气泛状态转变为载 气状态；当搅拌速度进一步增大，振动信号能量分率基本稳定，这是因为气 泡在液相主体中分散均匀并趋于稳定，振动信号能量完成了重新分配过程。 由此，获得体系的泛点转速。泛点转速的测量方法可在以W为横坐标，A为 纵坐标的直角坐标系中作图，可得到如图l所示的曲线，两直线交点所对应 的横坐标即为该体系下的泛点转速。
通过具体的实施例可以更加清晰地了解对本发明的特点和优势。
6实施例l
气-液混合体系，实验装置如图3所示，测量泛点转速。 搅拌釜的内径为980 mm，材质为有机玻璃，实验介质为空气和水。搅 拌桨为三层六直叶圆盘涡轮，桨叶直径为350 mm，水600 L。试验转速为0.83 3.33r's"，通气量为0.011-0.028 m3《1，水听器探头设置在搅拌釜外壁面靠 近底部1/4静液位高度处，振动信号采样频率为20 kHz。
将采集到的振动信号进行二阶Daubechies多尺度小波分解并利用R/S 分形技术，选取Hurst值均小于0.5的频段的振动信号为代表固体粒子运动的 振动信号能量分率凡。考察i i在不同通气量时随搅拌转速AT的变化如图2 所示。
图2上可以看出，代表固体颗粒运动的振动信号能量分率A随搅拌转速 的变化有一定的规律，在搅拌速度比较低的区域，A随搅拌速度有一个快速 上升的过程。此时，作为分散相的气体在径向流和轴向流的作用下逐渐向底 部分散进而碰撞壁面，壁面处的振动信号代表了气泡与气泡之间，气泡与液 体之间以及与壁面的碰撞，随着搅拌速度的增加，碰撞壁面的运动越来越多， 特征信号的能量分率也越来越大；当搅拌速度达到某一转速后，振动信号能 量分率开始稳定，这是因为气泡在液相主体中分散均匀并趋于稳定，振动信 号能量完成了重新分配过程。这时的搅拌转速即为泛点转速。
表l水听器测定泛点转速值与目测法测定值的比较
测量高度通气量■^viusal平均相对误差
/mm/mV1/r.s"/r.s-1(%)
0.0112.002.08
7000.0172.322.334.20
0.0222.562.66
0.0282.813.08实施例2
气-液-固混合体系，淤浆聚乙烯中试装置，测量泛点转速，水听器探头 放置在搅拌釜外壁面2/5的静液位处。
试验釜的体积为10L，材质为不锈钢，以高纯度乙烯为主要原料，以小 比例丙烯或l一丁烯为共聚单体，以氢气为分子量调节剂，以已烷为溶剂， 采用四氯化钛/乙氧基镁负载型高效Z—N催化剂，在温度为87°C、压力为 0.8 MPa下进行反应，生产聚乙烯。反应釜中形成由乙烯气体、正己烷溶剂 和聚乙烯固体组成的气-液-固三相体系。搅拌桨为盘式涡轮桨，桨叶直径为 30cm，采样频率为100MHz。
将所得信号进行多尺度分解并利用R/S分形技术，选取Hurst值均小于 0.5的频段的振动信号为代表固体粒子运动的振动信号能量分率i i。考察振 动信号能量分率A随搅拌转速的变化规律，当及i趋于稳定时对应的搅拌转速 即为泛点转速，与传统方法相比误差小于3.12%。
权利要求
1.一种搅拌釜泛点转速的检测方法，其特征在于包括如下步骤1)在搅拌釜外壁面或内部设置水听器探头；2)接收来自于搅拌釜内部的振动信号；3)以二阶Daubechies小波分解技术解析接收到的振动信号，利用Hurst分析方法，选取Hurst值均小于0.5的频段的振动信号作为特征信号；4)当特征信号的能量分率快速增加结束并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速即为泛点转速。
2. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的水听器探头设 置在搅拌釜外壁面静液位高度以下。
3. 根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于所述的水听器探头设 置在搅拌釜外壁面靠近釜底部1/4 1/2的静液位高度区域。
4. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的水听器探头为 一个或多个。
5. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述振动信号的接收频率大于0且小于等于100MHz。
全文摘要
本发明公开了一种搅拌釜泛点转速的检测方法。包括如下步骤1)在搅拌釜外壁面或内部设置水听器探头；2)接收来自于搅拌釜内部的振动信号；3)以二阶Daubechies小波分解技术解析接收到的振动信号，利用Hurst分析方法，选取Hurst值均小于0.5的频段的振动信号作为特征信号；4)当特征信号的能量分率R<sub>i</sub>快速增加并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速即为泛点转速。采用本发明方法的振动接收装置可以是插入式的也可以是非插入式的，安装简易方便，不会影响流体的运动或反应；振动信号是流体在运动过程中产生的，不需要发射源，安全环保；对测量条件要求低，能适应比较恶劣的条件；反应灵敏，测量误差小，应用范围广。
文档编号G01P5/24GK101514995SQ20091009589
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月17日 优先权日2009年2月17日
发明者任聪静, 张雷鸣, 兵 汪, 王云兴, 王靖岱, 阳永荣, 魏舸裔, 黄正梁 申请人:浙江大学