一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置和方法与流程

本发明涉及喷动床技术领域，尤其涉及一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置和方法。

背景技术：

喷动床(Spouted Bed)是一种处理流态化的装置，其研究始于上世纪50年代，最初用于农作物干燥。目前广泛应用在很多工业领域中，包括石油的催化裂解、煤的气化或燃烧、核燃料的包覆等。

获取稳定的喷动状态能够有效地提高气固传热效率和气固接触效率。喷动状态的影响因素众多，包括：气体的种类和流量，颗粒的直径和表面形貌、装料量、床体结构、温场分布等因素。在低温下通常可通过直观观察并改变上述条件获得稳定的喷动状态，在床体不透明或者床体温度较高而无法直接观察时，通常通过监控床层压差的时域信号获得稳定的喷动状态。

在石催化裂解、煤气化或燃烧、核燃料包覆等应用领域，需最大程度地追求气固传热效率和气固接触效率。由于喷动床内的气体成分在高温下随反应不断变化，颗粒的直径或密度也在不断的变化，因此其喷动状态也时时变化，若此时继续通过监控床层压差的时域信号获取稳定的喷动状态则非常困难，需要长期的工艺摸索和繁杂的数值模拟计算，且若其中某一影响因素稍作改变，则压降的时域信号需要重新分析。因此需要开发一种实用性更强的基于床层压差的频域信号自动控制喷动床内颗粒喷动状态的技术方案。

功率谱是描述频域中时间序列的相关性函数，其是采用傅里叶分析和统计分析相结合的手段，按信号所含不同频率的波动能量大小将其分解，将各种动态信号变换到频域上进行分析，得到波动信号的功率谱密度函数(Power spectra of density简称PSD)，通过频谱分析可以求得动态信号的各个频率成分和频率分布范围，以及动态信号中各个频率成分的幅值分布和能量分布。喷动床床层各相的不均匀性源于气泡的形成和运动，其中气泡的合并和破碎导致了床层局部压力发生变化。当气体喷动速度超过最小喷动速度以后，多于最小喷动速度的这部分气体量将形成几乎不含固体的气泡，气泡尺寸在沿床层上升的过程中逐渐变大，速度也会因气泡尺寸的变大而加快，从而在床层中形成一个下部密相区、上部稀相区、顶部为喷射区的流型。因此，喷动床中最主要的压力波动源来自喷射区气泡的形成、上升和破裂，对应于频域信号上的主峰。当然不可避免地，在喷动床内由于喷动速度过大或过小、环隙区颗粒的振动、温场变化、颗粒和床内壁的喷撞等因素的存在，在频域信号上会有上述压力波动源的峰。为了达到稳定的喷动状态，获取最大化的气固传热效率和气固接触效率，喷射区颗粒振动的主峰所含的能量占整体压力波动源能量的比例越大越好。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于床层压差的频域信号自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置和方法，以使喷动床不断获得相对稳定的喷动状态，从而获得最大化的气固传热效率和气固接触效率。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置，其包括一压差测量模块、一喷动状态参数监测模块、一信号采集模块、一控制模块和一喷动状态调整模块，其中：

所述压差测量模块用于测量喷动床的床层压差；

所述喷动状态参数监测模块用于监测喷动床内的喷动状态参数，所述喷动状态参数与所述床层压差一一对应；

所述信号采集模块与所述压差测量模块和所述喷动状态参数监测模块分别连接，用于采样并输出所述床层压差及所述喷动状态参数；

所述控制模块连接在所述信号采集模块与所述喷动状态调整模块之间，用于接收所述床层压差及所述喷动状态参数，并对所述床层压差进行傅里叶变换以将其转换为频域信号，而后对所述频域信号进行归一化处理以得到该频域信号主峰的峰值和峰位，然后控制所述喷动状态调整模块对喷动床内的喷动状态进行调整，直至所述控制模块接收到的喷动状态参数为前后两个频域信号中主峰的峰值和峰位较大的一个所对应的喷动状态参数。

进一步地，所述压差测量模块为压差传感器，所述压差传感器的两个测压端分别连接所述喷动床的进气端和出气端。

进一步地，所述喷动状态参数监测模块为流量计或热电偶。

进一步地，所述信号采集模块为信号采集卡。

优选地，所述信号采集模块的采样频率为500-1500Hz。

优选地，所述傅里叶变换的变换时间为20-60s，变换间隔为1-60s。

本发明另一方面提供一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，测量喷动床的床层压差；

步骤S2，监测喷动床内的喷动状态参数，所述喷动状态参数与所述床层压差一一对应；

步骤S3，采样并输出所述床层压差及所述喷动状态参数；

步骤S4，接收所述床层压差及所述喷动状态参数，并对所述床层压差进行傅里叶变换以将其转换为频域信号，而后对所述频域信号进行归一化处理以得到该频域信号主峰的峰值和峰位，然后对喷动床内的喷动状态进行调整，直至所述喷动状态参数为前后两个频域信号中主峰的峰值和峰位较大的一个所对应的喷动状态参数。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过不断对比前后两次床层压差频域信号主峰的峰值和峰位，并根据该峰值和峰位的大小不断调整喷动床内的喷动状态，以使喷动状态参数保持在该峰值和峰位较高时对应的值，从而使喷射区颗粒振动的主峰所含的能量占整体压力波动源能量的比例保持在较大的比例值。因此，采用本发明的喷动床能够不断获得相对稳定的喷动状态，从而获取最大化的气固传热效率和气固接触效率。而且，本发明可以实现颗粒喷动状态的调控自动化、标准化，从而可以减少手工操作过程中存在的误操作，提高工艺的可重复性，在石油催化裂解、煤气化或燃烧、核燃料包覆等领域有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置的结构框图；

图2为本发明一个实施例中床层压差随时间的变化曲线；

图3为本发明一个实施例中归一化处理后床层压差的功率谱密度函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明自动控制喷动床内颗粒喷动状态的装置如图1所示，包括一压差测量模块1、一喷动状态参数监测模块2、一信号采集模块3、一控制模块4和一喷动状态调整模块5。

下面分别对各个模块进行详细说明：

压差测量模块1用于测量气体经过喷动床床层的床层压差。在本发明中，压差测量模块1采用压差传感器实现，其两个测压端分别连接喷动床的进气端和出气端。

喷动状态参数监测模块2可以是流量计或热电偶等，用于监测喷动床内的流量或温度等喷动状态参数，喷动状态参数和床层压差在时间上一一对应。

信号采集模块3与压差测量模块1和喷动状态参数监测模块2分别连接，用于不断采样并输出前述床层压差及喷动状态参数。在本发明中，信号采集模块3优选采用信号采集卡实现。其中，信号采集模块3的采样频率需根据具体的喷动床床型等参数确定，太低的采样频率会丢失信息，分析结果不能准确反映系统特性，过高则会采集过多的无效数据，并占用系统内存空间。综合考虑下，采样频率一般取500-1500Hz。

控制模块4连接在信号采集模块3与喷动状态调整模块5之间，用于接收信号采集模块3输出的床层压差及喷动状态参数，并对床层压差进行傅里叶变换以将其转换为频域信号，而后进一步对频域信号进行归一化处理以得到该频域信号主峰的峰值和峰位，比较前后两个频域信号主峰的峰值和峰位大小，然后控制喷动状态调整模块5对喷动床内的喷动状态(如流量或温度等)进行调整，以使信号采集模块3采样到的喷动状态参数达到前后两个床层压差频域信号中主峰的峰值和峰位较大的一个所对应的喷动状态参数值。可见，本发明通过对流量或温度等的持续反馈控制，不断获得相对稳定的颗粒喷动状态，从而获得最大化的气固接触效率和传热效率。在本发明中，傅里叶变换的变换时间需足够大，这样频域信号才有一定的稳定性，另一方面，变换时间不可过大，过大会降低频域信号的实时性，并增加系统的负担。综合考虑，优选变换时间为20-60s，变换间隔为1-60s。例如，转换时间为40s，转换间隔为1s，则第一次转换的时间为0-40s，第二次转换的时间为1-41s，以此类推。

本发明另一方面提供一种自动控制喷动床内颗粒喷动状态的方法，在执行该方法之前，需首先保证床型尺寸，装料量、颗粒直径、颗粒密度等参数符合喷动床的要求，使床层在一定的气体流量下，能形成喷动床。在本发明一个实施例中，喷动床床体内径为2英寸，喷口直径为4mm，锥体角度为60°，静止床层高度为0.7m，床体温度加热至1500℃；喷动颗粒选择直径500μm的氧化锆颗粒(替代燃料核芯)，颗粒密度为6.05g/cm³，经丙酮、去离子水和乙醇超声波清洗后，在干燥箱烘干，称取54g；在喷动床开始工作时，在其沉积炉内通入10L/min氢气和三氯甲基硅烷(体积分数1.5％)的混合气体，随着SiC层的包覆，颗粒的直径和质量会随着时间发生变化。针对该喷动床，本发明采用如下步骤自动控制其内部的颗粒喷动状态：

步骤S1，测量气体经过喷动床床层的床层压差。

步骤S2，监测喷动床内的喷动状态参数，该喷动状态参数与床层压差在时间上一一对应。

步骤S3，采样并输出前述床层压差及喷动状态参数，取采样频率为1000Hz，从图2中可以得到床层压差随时间的变化过程。

步骤S4，接收步骤S3输出的床层压差及喷动状态参数，并对床层压差进行傅里叶变换以将其实时转换为频域信号(在本实施例中，每采集40s的信号进行一次傅里叶变换，转换间隔为1s)；而后进一步对频域信号进行归一化处理以得到该频域信号主峰的峰值和峰位，归一化处理后的床层压差的功率谱密度函数曲线如图3所示，其中主峰表示喷射区气体压力波动源(气泡的形成，生长和破裂)；随着反应进行，温度、颗粒直径质量等因素发生变化，床层压差频域信号主峰的峰值和峰位产生变化，通过不断比较前后两个频域信号主峰的峰值和峰位的大小，然后对喷动床内的喷动状态进行调整，直到采样到的喷动状态参数(如流量或温度等)达到前后两个床层压差频域信号中主峰的峰值和峰位较大的一个所对应的喷动状态参数值，从而不断获得相对稳定的颗粒喷动状态，以最大化气固接触效率和传热效率。

本领域的普通技术人员将会意识到，此处所描述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，这里应该被理解为本发明的保护范围并不局限于此文中的特别陈述和实施实例。本领域的普通技术人员可根据本发明公开的这些技术及原理启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，所做的变形和组合仍在本发明的保护范围之内。