测定气液旋流液相停留时间分布的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学工程领域，具体地，涉及一种测定气液旋流液相停留时间分布的 装置和方法，用于测定气液旋流条件下液相停留时间分布，克服常规停留时间测定方法的 局限性。
【背景技术】
[0002] 停留时间分布是研究反应器或分离设备性能的重要参数，停留时间分布能够反映 流体在反应或分离设备内的混合状态，是该类设备优化设计和操作必不可少的理论依据。 停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于设计流动 过程的其它领域。
[0003]目前常用的液相停留时间测定方法有射线法、焚光法、光电法和电导率法等。其中 射线法通过检测示踪剂的放射性测定其浓度，该法存在辐射污染且对技术设备要求较高， 现已很少采用；荧光法是利用微光探测器检测荧光示踪剂的荧光强度，该法荧光示踪剂的 制备较为复杂，主要用于聚合物的测量；光电法是通过检测特定波长光线透过染色溶液的 强度，测定其染色剂浓度，但该法光线强度容易受液膜层厚度、气液分散状态以及液相旋转 流动的影响，不适用于气液两相流动状态的测量。
[0004] 电导率法是目前最常用的测定液相停留时间分布的方法。其原理是在液相中加入 示踪剂（通常为电解质溶液），通过测定液相中电导率确定示踪剂浓度，以得到停留时间分 布。但电导率测定必须保证两电极间为连续液相，对于气液两相流型为旋转流、液节流及喷 雾流的状态难易准确测量。
[0005] 目前，关于气液旋流设备液相停留时间分布的研究鲜有报道，现有液相停留时间 分布测定方法仅适用于纯液相测定，而对于气液相混流状态的停留时间分布测定鲜有报 道。由于气液混流时，尤其是液相为分散相时对于上述测量方法均造成了不同程度的困难。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种测定气液旋流液相停留时间分布 的装置和方法，用于测定气液旋流条件下液相停留时间分布。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述方案：
[0008] 测定气液旋流液相停留时间分布的装置，包括：液相储槽、旋流分离器、电导率探 头、风机；其中：旋流分离器设置气液相混合入口、顶部排气口、底部排液口；液相储槽与旋 流分离器的入口通过液相进料管线相连，液相进料管线上由液相储槽至旋流分离器的方向 依次设有液相进料栗、液相流量计、液相进料阀；旋流分离器的入口同时连接示踪剂注入 口，由示踪剂注入口注入示踪剂；旋流分离器的底部排液口通过排液管线与风机相连，排液 管线上由旋流分离器至风机方向依次设有整流元件、电导率探头、排液分离罐、排液分支气 相流量计、排液分支阀；旋流分离器顶部排气口通过排气管线与风机相连，排气管至风机方 向依次设有排气分支流量计、排气分支阀；电导率探头通过信号线与电导率仪相连，电导率 仪将电导率探头输出的模拟信号转换为数字信号，并传输给计算机，进行数据记录，以得到 液相停留时间分布。
[0009] 优选地，示踪剂通常为NaCl或KCl溶液，示踪剂通过改变液相电导率，由电导率探 头检测出口电导率变化，经数据处理得到停留时间分布。
[0010] 相对于现有技术，本发明的有益效果如下：该装置能够测定气液旋流条件下液相 停留时间分布，克服常规测量方式无法用于分散液相的缺陷；同时，采用分支流量控制，可 测定不同气相分流比条件下的液相停留时间分布，对气液混流系统的液相停留时间分布测 定具有广泛的适用性。
【附图说明】
[0011] 图1为测定气液旋流液相停留时间分布的装置示意图；
[0012] 图2为电导率测量点局部放大图；
[0013] 图3为停留时间测定结果实例；
[0014] 图中：1、液相储槽；2、旋流分离器；3、电导率探头；4、风机；5、液相进料栗；6、液 相流量计；7、液相进料阀；8、示踪剂注入口；9、整流元件；10、排液分离罐；11、排液分支气 相流量计；12、排液分支阀；13、分离罐排液阀；14、排气分支流量计；15、排气分支阀；16、电 导率仪；17、计算机；18、液滴；19、液膜。
【具体实施方式】
[0015] 如图1、图2所示，测定气液旋流液相停留时间分布的装置，包括：液相储槽1、旋流 分离器2、电导率探头3、风机4 ;其中：
[0016] 旋流分离器2设置气液相混合入口、顶部排气口、底部排液口；旋流分离器将由入 口进入的气液相混合介质进行分离，部分气相从顶部排气管流出，剩余气相与全部液相从 底部排液管流出；
[0017] 液相储槽1与旋流分离器2的入口通过液相进料管线相连，该管液相进料管线上 由液相储槽至旋流分离器的方向依次设有液相进料栗5、液相流量计6、液相进料阀7 ;液相 进料栗5将液相储槽1内的液相栗送至旋流分离器2入口，提供系统液相进料，液相由液相 流量计6计量、通过液相进料阀7进行控制；旋流分离器2将气液相进行分离；旋流分离器2 的入口同时连接示踪剂注入口 8,由示踪剂注入口 8注入示踪剂，示踪剂通常为NaCl或KCl 溶液，示踪剂通过改变液相电导率，由电导率探头检测出口电导率变化，经数据处理得到停 留时间分布；
[0018] 旋流分离器2的底部排液口通过排液管线与风机4相连，排液管线上由旋流分离 器2至风机4方向依次设有整流元件9、电导率探头3、排液分离罐10、排液分支气相流量计 11、排液分支阀12 ;整流元件9将排液管内的分散液滴18整流为贴壁流动的连续液膜19， 便于电导率探头3有效测定液相电导率；排液分离罐10底部设有分离罐排液阀13,排液分 离罐10将旋流器2底部流出的液相和未分离的气相再次分离，液相由分离罐低部的排液阀 13排出，气相被吸入风机4后排空；排液管内的气相由排液分支流量计11计量，通过排液 分支阀12进行控制。
[0019] 旋流分离器2顶部排气口通过排气管线与风机4相连，排气管至风机4方向依次 设有排气分支流量计14、排气分支阀15 ;排气管内气相由排气分支流量计14计量，通过排 气分支阀15进行控制。
[0020] 电导率探头3通过信号线与电导率仪16相连，电导率仪16将电导率探头3输出的 模拟信号转换为数字信号，并传输给计算机17,进行数据记录，以得到液相停留时间分布。
[0021] 测定气液旋流液相停留时间分布的方法，采用上述测定气液旋流液相停留时间分 布的装置，包括如下步骤：
[0022] (1)、启动液相进料栗5,将液相储槽1内液相栗入旋流分离器2入口，调整液相进 料阀7开度，使液相流量计6显示值达到实验设定值，记录液相流率；
[0023] (2)、启动风机4,将气相由旋流分离器2入□吸入，调整排气分支阀15和排液分支 阀12,以控制气相分流比，使排液分支气相流量计11和排气分支流量计14达到设定值，分 别记录排气和排液分支气相流量，可计算得到气相分流比：
[0024] 气相分流比=旋流器排气管气相流量/旋流器入口气相流量
[0025] (3)、待装置运行稳定后，由示踪剂注入口 8注入示踪剂，同时由计算机开始计时； 示踪剂通常为NaCl或KCl溶液，注入方式可以是脉冲注入或阶跃注入，采用端面开槽或插 入式电导率探头3测定液相电导率，测量信号经电导率仪16传送至计算机17,进行信号读 取和记录，由下式计算停留时间分布
[0027] 其中，C1为计算机记录的各时刻电导率，At1为数据记录时间步长，E(t)为停留时 间分布概率。
[0028] 图3所示为旋流分离器入口气速16m/s，液相体积含量1%时测定的液相停留时间 分布结果。
【主权项】
1. 一种测定气液旋流液相停留时间分布的装置，包括：液相储槽、旋流分离器、电导率 探头、风机；其特征在于：旋流分离器设置气液相混合入口、顶部排气口、底部排液口；液相 储槽与旋流分离器的入口通过液相进料管线相连，液相进料管线上由液相储槽至旋流分离 器的方向依次设有液相进料栗、液相流量计、液相进料阀；旋流分离器的入口同时连接示踪 剂注入口，由示踪剂注入口注入示踪剂；旋流分离器的底部排液口通过排液管线与风机相 连，排液管线上由旋流分离器至风机方向依次设有整流元件、电导率探头、排液分离罐、排 液分支气相流量计、排液分支阀；旋流分离器顶部排气口通过排气管线与风机相连，排气管 至风机方向依次设有排气分支流量计、排气分支阀；电导率探头通过信号线与电导率仪相 连，电导率仪将电导率探头输出的模拟信号转换为数字信号，并传输给计算机，进行数据记 录，以得到液相停留时间分布。2. 根据权利要求1所述的测定气液旋流液相停留时间分布的装置，其特征在于：示踪 剂通常为NaCl或KC1溶液。3. -种测定气液旋流液相停留时间分布的方法，采用权利要求1-2所述的测定气液旋 流液相停留时间分布的装置，其特征在于，包括如下步骤： (1) 、启动液相进料栗，将液相储槽内液相栗入旋流分离器入口，调整液相进料阀开度， 使液相流量计显示值达到实验设定值，记录液相流率； (2) 、启动风机，将气相由旋流分离器入口吸入，调整排气分支阀和排液分支阀，以控制 气相分流比，使排液分支气相流量计和排气分支流量计达到设定值，分别记录排气和排液 分支气相流量，可计算得到气相分流比： 气相分流比=旋流器排气管气相流量/旋流器入口气相流量 (3)、待装置运行稳定后，由示踪剂注入口注入示踪剂，同时由计算机开始计时；采用端 面开槽或插入式电导率探头测定液相电导率，测量信号经电导率仪传送至计算机，进行信 号读取和记录，由下式计算停留时间分布其中，Q为计算机记录的各时刻电导率，At数据记录时间步长，E(t)为停留时间分 布概率。4. 根据权利要求3所述的测定气液旋流液相停留时间分布的方法，其特征在于，采用 整流元件将排液管内的分散液滴整流为贴壁流动的连续液膜。5. 根据权利要求3-4所述的测定气液旋流液相停留时间分布的方法，其特征在于，所 用电导率探头为端面开槽或插入式电导率探头。
【专利摘要】本发明属于化学工程领域，具体地，涉及一种测定气液旋流液相停留时间分布的装置。液相储槽与旋流分离器的入口通过液相进料管线相连，液相进料管线上设有液相进料泵、液相流量计、液相进料阀；旋流分离器的入口同时连接示踪剂注入口，旋流分离器的底部排液口通过排液管线与风机相连，排液管线上设有整流元件、电导率探头、排液分离罐、排液分支气相流量计、排液分支阀；旋流分离器顶部排气口通过排气管线与风机相连，排气管线上设有排气分支流量计、排气分支阀；电导率探头与电导率仪相连，电导率仪连接计算机，进行数据记录，以得到液相停留时间分布。该装置能够测定气液旋流条件下液相停留时间分布，克服常规测量方式无法用于分散液相的缺陷。
【IPC分类】G01N27/06
【公开号】CN105301059
【申请号】CN201510712331
【发明人】杨军卫, 肖家治, 何金奎, 沈国平, 王兰娟, 王振波, 王建军, 金有海
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月28日