气固流化床的流型识别

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1、万方数据12气固流化床的流型识别黄颖+叶京生和进娜(天津科技大学机械工程学院)摘要叙述了采用现代非线性信息处理技术来进行流型识别的方法，包括伪Ma卜genau—Hill时频分布图谱、信息传输矩阵、模糊信息融合理论、瞬时压降法，以期能从多个角度更深入地认识流态化规律，以利于工业流化床的设计和优化操作。关键词流化床流化状态流型识别优化设计流化床在干燥领域以及在反应器中的应用已十分广泛，流化床的主导作用是使气体与固体颗粒在床内达到良好的接触，以达到干燥与反应的目的。在单相流中把流型分为层流和湍流就已足够了，而在气固两相流中由于涉及到的流体颗粒体系的运动过程十分复杂，而且这

2、些反应装置的操作区间和颗粒物性范围也在不断扩展，使得这类反应器中的两相流动状态存在着很大的差异，这对反应装置的气固接触、传热、传质都有重要影响，并直接关系着反应器的生产能力、收率和选择性。因此研究气固两相流的流型及其相互转变的条件，对工业流化床的设计和优化操作是极其必要的，一直是流化床反应器基础研究的重要课题。1流化床的流型对于各种操作条件下床层流化状态的描述，正在不断地改进和完善。由于气固流化床内气固运动的复杂性以及气固性能的多样性，目前还没有一个公认的流化状态图，现有的各种流化状态图只能各自从某一角度出发来反映流化床系统的流化特性。一般来说，对流化床中气固运动的

3、型式大多是以气体操作速度为主线来进行分析的。当气速由低变高时，可依次+黄颖。女，1979年4月生，硕士研究生。天津市，300222。U蚓铡圈圜囤圈陋睫等式譬徘u。?采u?床u黟蠢墒送LkUInbu。。utu，～。upt图1气固流化中各种流体力学流型的特征划分为固定床、散式床、鼓泡床、节涌床、湍动床、快速流化床和气力输送等几种流型⋯，相应的状态图见图1。2流型识别方法2．1时频分析法在流化床的研究中，压力波动信号常被选为研究对象。由于流化床的压力波动信号具有非平稳特性，应用传统的基于傅里叶变换的信号处理方法(如统计分析、谱分析等)很难获得可靠的结论。小波分析在该领域的

4、应用是一个很有意义的课题，陈永国口1应用时频分析的方法得到压力波动信号的伪Ma唱enau—Hiu时频分布图谱PMH(PseudoMargenau。HiUtime—frequencydistribution)，并基于各流型下不同万方数据《化工装备技术》第27卷第5期2006年13的图谱，探索出一种新的识别流型的方法。由各气速下压力波动信号的PMH可以发现，信号的时频特征基本上可以归结为三个主要特征：(1)分布具有阵发性特征；(2)分布变得非常模糊，湍动剧烈；(3)成丝束形。特征(1)显示的是气泡行为，具有阵发性特征，反映了气泡的生成、聚并、长大及破裂过程，由此可得到初

5、步的周期行为，这为进一步研究气泡行为提供了新的手段。该特征显示循环流化床流型为鼓泡床(Ud≤U≤以)，存在乳化相和气泡相；床面具有很好的界限；颗粒浓度不随高度而变；床体没有颗粒循环。特征(2)具有扰动剧烈特征，这一阶段说明床内气泡相与乳化相经过较强的作用，使得床壁静压波动幅度最大。该特征显示循环流化床流型为湍流床(U≤u≤U，)，气泡破裂；床面不存在或很难区分；颗粒浓度随高度连续下降；需要一定的颗粒循环量来维持颗粒总量，床密度不依赖颗粒循环倍率。特征(3)显示气粒运动逐步趋于平稳，这时候气粒速度非常快，床壁静压波动反映的是气粒相互作用的行为，该特征显示循环流化床流型

6、为快速床(u≥U，)。此种流型识别方法只要测得床壁静压波动信号就可以在线识别流型，较以往的各种方法均是一个进步。2．2信息传输矩阵法迄今为止，对于流化床流型识别方法的研究都只是针对单一传感器获得的测量数据来进行的孤立研究。而对于气固流化床这样的复杂系统，从单一传感器的测量数据中难以获得能全面反映床内运动总体特征的特性参数。气固流化床的混沌或类随机行为的证实，可以用互信息理论来研究气固流化床不同高度传感器之间的信息传输关系。林萍∞1以系统的概念将流化床内各点压力脉动信号看作流化床系统在不同位置的信息源，用互信息理论来研究各响应之间的信息传输关系，获取反应系统全面信息的

7、信息传输量特征参数，研究该参数与流化床流型的关系。这里一个主要的问题是选择哪一种特征参数来表征不同信号之间信息传输量的大小。采用非线性分析中时间序列的复杂性参数是目前最为合适且更具有实用价值的选择，它从理论和技术上提供了一个基于信息传输的流型监测和识别方法。其具体的分析过程如图2所示。鼢蓉蓦篙辱簧卜争I脉动信号lm维1分析流化床流II定义信息传lI计算涨落复Il型与MITM之H输量平均值H杂性参数得卜间的关系MITMj到ITM矩阵l图2用信息传输矩阵的方法来判别流型的过程此种流型识别方法从两两通道信息传输的角度揭示了系统内部混沌动力学特性，从更精确的角度反映了不