专利名称：一种在线测定旋转填料床持液量的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于在线测定持液量的技术领域，具体涉及一种在线测定旋转填料床 持液量的装置。
背景技术：
旋转填料床又名超重力机，英文名为Rotating Packed Bed(RPB)，或HIGEE。主要 由壳体、转子、密封装置、液体分布器、传动轴及电机六部分组成。转子是旋转填料床的核心 部分，其主要作用是装载和固定填料并带动填料高速旋转。转子由上下两个圆盘和内外两 个圆筒形鼓壁组成，主要用于传递和反应过程持液量是反映填料层流体力学的主要参数之一，由动持液量和静持液量两部分构 成。对于旋转填料床，操作状态下存留于填料层中的液体与填料层体积的比值称为总持液 量。充分润湿的填料床层中停止气液两相进料，经一定时间排滴直至液体流速每两分钟一 滴出填料，此时存留于填料层中的液体量与填料层体积比值称为静持液量，总持液量与静 持液量之差为动持液量。在化学反应工程中，填料的持液量是旋转填料床的流体力学性能 和应用设计及操作的重要参数，对传质、传热、压降和液体分散有直接影响。静持液量是由表面张力和重力之间的平衡决定的，影响因素包括系统性质、填料 表面积大小、表面特性以及液体在填料表面的润湿角。表面积越大(即填料尺寸越小)，表 面越粗糙，润湿角越大，静持液量越大。一般认为，气体和液体的流量对静持液量的影响不 大。但在实际操作中，随着液体流量的增大，液体的湍动增强，部分静持液量将转变为动持 液量。动持液量与填料特性、系统性质和气液两相流量都有关系，其中液体的流量对动 持液量影响最大，气体只是在载点(填料层中气液两相交互作用是否显著的分界点)以上 才对动持液量有显著的影响。动持液量要比静持液量大得多，在实际操作中，静持液量往往 可以忽略不计。在恒定的操作条件下，持液量基本稳定在某个定值范围。依据定义，旋转填料床持 液量描述了旋转的填料中的液体量与填料层体积的比值，以(m3液体)/(πι3填料)表示。传统填料塔的持液量测量方法有三种重量法和容量法电导法。重量法是将气、 液流量分别调整到固定值，待流动稳定后，同时关闭反应器进、出口阀门，再打开底部阀门 使用收集器收集流出液体，收集时间为15-30分钟不等，称重后计算得到动持液量，将设备 拆卸下来称重，然后干燥填料再称重，取两质量之差再计算得到静持液量。容量法则是根据 停止操作后填料床中排出的液体体积来确定持液量。吴兆亮(石油化工设备，1993，22 (3) 31-35)等发展了国外的水循环容量法，提出连续水循环容量法，即在不停止气液流动的固 定喷淋密度下连续改变空塔气速，测定压降同时测定持液量。这两种方法对于体积大、填料 多的静止填料塔可以忽略塔壁、管路、收集的影响，误差较小，但不适合测量旋转填料床的 持液量，旋转填料床相对于填料塔体积小很多，停留时间极短，持液量小，导致手工操作测 量误差较大，且耗时费力，测试点不连续，得到的实验数据点数量有限，精度低。由于以上诸多问题，至今为止国内还没有直接测量旋转填料床持液量的相关报道，如何改装旋转填料 床、准确测量工作中旋转填料床的持液量就有了重要意义。从持液量定义出发，结合旋转填料床本身固有特点，测量旋转填料床的持液量需 要考虑以下二点(1)准确，旋转填料床体积小，液体经过旋转填料床的停留时间极短，因此持液量 很小，溶液挂壁、管路滞留以及称量都导致持液量的损失，所以应尽可能消除这些影响，使 测得的持液量更加准确。(2)在线，旋转填料床与填料塔不同，旋转填料床的填料在工作中处于高速运动状 态，停留时间极短，利用重量法、容量法测量其持液量易受到设备开、停车及开、关阀门的影 响，因此旋转填料床持液量的测量必须实时在线测量。在线测量不仅具有实时性、连续性、 测量快捷等优点，而且可以得到大量实验数据点。
发明内容本实用新型为了解决现有持液量测量不适合旋转填料床测量用的问题，提供了一 种由电导法在线测定旋转填料床持液量的装置。本实用新型采用如下的技术方案实现在线测定旋转填料床持液量的装置，包括设置于旋转填料床的不导电填料上的电 极；电极通过导线连接滑环，滑环安装在旋转填料床的转轴上并与转轴同步旋转，滑环连接 数据采集系统。与电极连接的滑环将运动信号转换为静止信号。数据采集系统的硬件和软 件均可从现有技术中获得，硬件通常包括程控放大器和A/D转换器。硬件系统采集到的数 据以串行方式传送到上位机，在上位机中通过软件系统进行数字滤波和相应的处理。采集 系统是以单片机为核心的，本身也是计算机系统。为了区别，一般单片机部分称作下位机， 对应的管理机部分称作上位机，上位机即通常使用的计算机。电极可以是同心安装在旋转填料床的不导电填料内外两侧的两圆筒形电极，用来 测量径向持液量。也可以是安装在旋转填料床的不导电填料内部的圆筒形电极，用来测量 局部持液量。圆筒形电极的高度与填料的轴向高度相同。也可以同轴安装在旋转填料床的 不导电填料上下两侧的两圆环形电极，可测量轴向持液量，两圆环形电极内外径均与填料 内外径相同。所述的内、外两电极由多孔板或丝网构成，其材质为金、银、铜或铁。连接电极和滑 环的导线穿于中空的转轴之内。在线测定旋转填料床持液量的方法，步骤如下，填料转速范围为IOOrpm 2900rpm，将气、液以固定流量打入旋转填料床内，通过导线与电极连接的滑环将电信号在 线传输到外部，采集电信号数据(通过模拟数字转换装置，由计算机采集数据，并实时显示 操作条件下电阻随时间变化的曲线图)，然后比对标准溶液的电阻值所对应的溶液量，实现 在线测定旋转填料床的持液量。本实用新型将高电导性的电极直接安装到高速旋转的不导电填料的内部，排除了 液体挂壁、滞留管路的影响，使数据更加准确。通过滑环将电信号传输到旋转填料床外部， 滑环是用于从旋转位置到固定位置传输电源和信号的装置，在此处应用可保证电信号的在 线输出。滑环的端部安装对旋转填料床转轴及动力提供提出要求，所以本实用新型的转轴一般制作成中空轴来确保电导线的安全放置和电信号的安全输出。旋转填料床的动力传输 可以通过同步带提供。电信号通过模拟数字转换器然后直接通过计算机的数据采集系统软 件在线显示电信号随时间变化曲线图。根据曲线图得到平均电阻值，由标准溶液的电阻值 和溶液量的对应曲线得到液量，从而可计算得到持液量。本实用新型实现了持液量的在线测量，具有实时性、连续性、能全面反映持液量细 节特征等优点；还可直接用于局部持液量的测量；用电导法不仅克服了重量法、容量法带 来的误差，其在线测量也便于检测持液量的各种影响因素对持液量的影响。

图1是本实用新型的系统示意图 图2是旋转填料床的结构示意图图3是本实用新型数据采集系统示意图图4是本实用新型的重现性的验证图图5是溶液电阻值与溶液量对应的标准曲线图6是本实用新型在线系统得到的电阻随时间的变化曲线图7是本实用新型离线系统得到的电阻随时间的变化曲线图1中1_溶液储槽；2-液泵；3-液体流量计；4-旋转填料床；5_风机；6_气体流 量计；7-电机；8-同步带及同步带轮；9-滑环；10-数据采集系统；11-计算机。图2中2. 1-液体入口 ；2. 2-液体出口 ；2.3-气体入口 ；2.4-气体出口 ；2. 5_液 体分布器；2. 6-转子；2. 7-电极；2. 8-填料；2. 9-导线；2. 10-转轴；2. 11-运动端子； 2. 12-静止端子。
具体实施方式
结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明。一种在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于包括设置于旋转填料床的 不导电填料2. 8上的电极2. 7，电极2. 7通过导线2. 9连接滑环9，滑环9安装在旋转填料 床的转轴2. 10上并与转轴2. 10同步旋转，滑环9连接数据采集系统10。电极可是同心安装在旋转填料床的不导电填料2. 8内外两侧的两圆筒形电极。电 极可是安装在旋转填料床的不导电填料2. 8内部的圆筒形电极。圆筒形电极的高度与填料 2. 8的轴向高度相同。电极可是同轴安装在旋转填料床的不导电填料2. 8上下两侧的两圆 环形电极，两圆环形电极内外径均与填料内外径相同。电极由多孔板或丝网构成，其材质为 金、银、铜或铁。连接电极2. 7和滑环9的导线2. 9穿于中空的转轴2. 10之内。本实用新型在旋转填料床的气液流量稳定后，打开数据采集系统软件开始采集电 阻数据；采集间隔时间可设定，最小可达1ms，当气液流量稳定后，可由数据采集系统软件 的在线采集得到稳定曲线；溶液可为各种导电溶液，不同溶液导电性不同，根据不同溶液 可调节串联电阻的大小以保护电路，不同溶液的电阻可调节合适的数据范围以使采集数据 位于显示数据曲线的页面中部；填料采用不导电填料，填料的上、下圆盘采用不导电材料 制作，使填料及上、下圆盘对溶液电导的影响减小到最低；丝网电极常选用紫铜丝网，含铜 98%，具有高电导性，尽可能选用高电导性金属导线，可将导线带来的误差减小；转子通过同步带及同步带轮由电极提供动力；转轴为中空转轴，与电极连接导线通过中空转轴与滑 环的运动端子连接，电信号由滑环从填料内部传输到外部；填料内、外两侧电极之间的液 量通过电阻的形式表现，通过数据采集系统在线测量得到电阻随时间变化的实时数据曲线 图。电阻可由电阻-液量标准曲线对应得到液量，所以检测到电阻即可得到持液量。如图1所示，溶液储槽1中溶液通过液泵2打入旋转填料床4，液体流量由液体流 量计3计量；气体通过风机5打入旋转填料床4中，气体流量由气体流量计6计量，与液体 在填料中错流接触后流出旋转填料床4 ；转子由电机7通过同步带及同步带轮8带动；转轴 上端连接转子，下端与滑环9连接；滑环9与数据采集系统10连接，由计算机11在线采集 得到数据曲线。如图2所示，液体入口 2. 1与液体分布器2. 5相连接，液体进入液体分布器后通过 分布器上的分布孔喷洒到填料2. 8内侧，转子高速旋转，将液体迅速甩到旋转填料床的外 壁，由液体出口 2. 2流出；气体由气体入口 2. 3进入旋转填料床后与液体在填料中错流接 触，由气体出口 2. 4流出；填料2. 8内、外两侧装有丝网电极2. 7，电极上连接导线2. 9，电极 导线通过中空的转轴2. 10与滑环的运动端子2. 11连接，这样转子内部的电信号即可由滑 环的静止端子2. 12传输到外部。如图3所示，旋转填料床在电路中相当于一个电阻，与另一定值电阻串联以保护 电路，其中数据采集系统的硬件直接与旋转填料床连接，数据采集系统的软件采集得到的 数据由计算机实时显示。在线测定旋转填料床持液量系统可靠性的评价包括以下三个方面重现性、电阻 和液量的曲线关系、在线方法和离线方法测量得到的电阻值的一致性。重现性通过在相同 实验条件下用相同溶液做重复性实验来评价。图4为本实用新型的系统在线测量水的电阻 值，液体流量为50L/h，转子转速为2520rpm，显示了三组重复性实验的电阻_时间曲线，它 们叠加得很好，表明良好的重现性。溶液电阻值与溶液量对应的标准曲线，是在停止供给溶液时再让转子空转10分 钟后测量得到最小电阻值，之后将转子停止转动，缓慢注入大量溶液将填料淹没，在线测量 得到最大电阻值，再瞬间放出全部溶液，让转子空转10分钟以上，收集并计量接住并量出 得到的溶液体积；将所得体积分成若干等份，分批次均勻再次注入填料，每加一次在线测量 一次电阻值得到的曲线图。由图5可知，在制定的测量条件范围内，电阻值与溶液量成规律 性曲线对应关系。本实用新型的系统在线测量和使用万用表的离线方法得到的水的电阻值比较如 图6所示，液体流量为150L/h、250L/h，转速为1680rpm、2520rpm。离线方法是以5s为时间 间隔记录万用表读数。在线方法的时间间隔为0.02s，测量时间达80s，显示出系统本身的 固有频率，分别取平均值即可得到电阻值，在线和离线方法分别得到的电阻平均值误差为 5%以内。图6、图7显示两种独立的分析方法得到的电阻一致性良好。实施例1将水流量固定为50L/h，由泵打入旋转填料床中，通过液体分布器均勻喷洒到 填料内表面，转子以IOOrpm的转速旋转，空气以气体流量lm3/h由空气压缩机送入旋转 填料床，填料内外两侧装有筒状铜丝网电极，电极与电导线连接，导线通过中空转轴将电 信号通过水银滑环传输到旋转填料床外部，由数据采集系统在线测量得到平均电阻值为13178. 97 Ω，由标准溶液电阻值和溶液量的对应曲线可得填料内持有液量为71mL，计算可 得旋转填料床持液量为5. 17%。实施例2将水流量固定为250L/h，由泵打入旋转填料床中，通过液体分布器均勻喷洒到填 料内表面，转子以2900rpm的转速旋转，空气以气体流量5m3/h由空气压缩机送入旋转填料 床，填料内外两侧装有铁孔板电极，电极与电导线连接，导线通过中空转轴将电信号通过水 银滑环传输到旋转填料床外部，由数据采集系统在线测量得到平均电流值为0. 0010828A， 由标准溶液电 阻值和溶液量的对应曲线可得填料内持有液量为122mL，计算可得旋转填料 床持液量为8.88%。实施例3将水流量固定为150L/h，由泵打入旋转填料床中，通过液体分布器均勻喷洒到填 料内表面，转子以840rpm的转速旋转，空气以气体流量10m3/h由空气压缩机送入旋转填料 床，填料内外两侧装有银丝网电极，电极与电导线连接，导线通过中空转轴将电信号通过水 银滑环传输到旋转填料床外部，由数据采集系统在线测量得到平均电压值为6. 8201V,由标 准溶液电阻值和溶液量的对应曲线可得填料内持有液量为102mL，计算可得旋转填料床持 液量为7.43%。
权利要求一种在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于包括设置于旋转填料床的不导电填料(2.8)上的电极(2.7)，电极(2.7)通过导线(2.9)连接滑环(9)，滑环(9)安装在旋转填料床的转轴(2.10)上并与转轴(2.10)同步旋转，滑环(9)连接数据采集系统(10)。
2.根据权利要求1所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于所述的电极 包括同心安装在旋转填料床的不导电填料(2.8)内外两侧的两圆筒形电极。
3.根据权利要求1所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于所述的电极 包括安装在旋转填料床的不导电填料(2.8)内部的圆筒形电极。
4.根据权利要求1所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于所述的电极 包括同轴安装在旋转填料床的不导电填料(2. 8)上下两侧的两圆环形电极。
5.根据权利要求2或3所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于电极 (2.7)的高度与填料(2.8)的轴向高度相同。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在 于所述的电极由多孔板或丝网构成，其材质为金、银、铜或铁。
7.根据权利要求5所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于连接电极 (2.7)和滑环(9)的导线(2.9)穿于中空的转轴(2. 10)之内。
8.根据权利要求6所述的在线测定旋转填料床持液量的装置，其特征在于连接电极 (2.7)和滑环(9)的导线(2.9)穿于中空的转轴(2. 10)之内。
专利摘要本实用新型属于在线测定持液量的技术领域，具体涉及一种在线测定旋转填料床持液量的方法和装置，解决了现有持液量测量不适合旋转填料床测量用的问题。装置，包括设置于旋转填料床的不导电填料上的电极；电极通过导线连接滑环，滑环与转轴同步旋转，滑环连接数据采集系统。方法的步骤为，将气、液以固定流量打入旋转填料床内，滑环将电信号在线传输到外部，采集电信号数据，比对标准溶液的电阻值所对应的溶液量。本实用新型实现了持液量的在线测量，具有实时性、连续性、能全面反映持液量细节特征等优点；还可直接用于局部持液量的测量；用电导法不仅克服了重量法、容量法带来的误差，其在线测量也便于检测持液量的各种影响因素对持液量的影响。
文档编号G01N27/06GK201765205SQ20102012902
公开日2011年3月16日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者刘有智, 周莉骅, 焦纬洲, 申红艳 申请人:中北大学