范小強(qiáng)，何樂路，黃正梁，葉向群，李勇，王靖岱，陽永榮（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

填料塔液泛的聲發(fā)射測量

范小強(qiáng)，何樂路，黃正梁，葉向群，李勇，王靖岱，陽永榮
（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

摘要：利用聲發(fā)射技術(shù)采集填料塔在不同操作狀態(tài)下壁面處的聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差分析、頻譜分析和小波分析研究填料塔在不同操作狀態(tài)時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)特征，提出填料塔液泛氣速的聲發(fā)射測量判據(jù)。以空氣-水體系為例考察不同液體流量下的液泛氣速，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)液泛氣速的預(yù)測值與壓降法的預(yù)測值接近。比較不同操作條件下的聲發(fā)射信號(hào)的功率譜，發(fā)現(xiàn)填料塔發(fā)生液泛時(shí)功率密度最大的峰從50 kHz和60 kHz轉(zhuǎn)移到在25 kHz附近；進(jìn)一步將聲發(fā)射信號(hào)在0～300 kHz頻率范圍內(nèi)做7尺度小波分解，當(dāng)氣速到達(dá)液泛氣速時(shí)特征信號(hào)頻段G1(d4、d5)的聲發(fā)射信號(hào)能量分率迅速增大。G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率對(duì)液泛氣速的預(yù)測值與壓降法的預(yù)測值接近。聲發(fā)射技術(shù)作為一種非侵入式的檢測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)液泛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；塔器；填充床；流動(dòng)；液泛；標(biāo)準(zhǔn)差；功率譜；小波分析

2015-05-06收到初稿，2015-06-16收到修改稿。

聯(lián)系人：黃正梁。第一作者：范小強(qiáng)（1991—），男，博士研究生。

Received date: 2015-05-06.

引　言

填料塔是一種氣液兩相接觸并進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的塔設(shè)備，可用于吸收、精餾、萃取等分離過程[1]，在煉油、精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛。液泛點(diǎn)是填料塔的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。在靠近液泛點(diǎn)操作時(shí)，填料塔的傳質(zhì)效率較高。液泛出現(xiàn)時(shí)，填料塔的壓降急劇上升，傳質(zhì)效率急劇下降，液泛嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致裝置停車。因此，液泛點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測至關(guān)重要。液泛氣速可以由Eckert等[1]和金祖源[2]提出的通用關(guān)聯(lián)圖估計(jì)，也可以通過關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算[3]。然而，由于填料種類繁多，利用關(guān)聯(lián)圖和關(guān)聯(lián)式預(yù)測液泛氣速的誤差較大，而且使用范圍有限。傳統(tǒng)檢測液泛的方法有視覺檢測、持液量測量和壓力變化監(jiān)測等[4-6]。這些方法大多存在局限性。視覺檢測認(rèn)為填料床層頂部出現(xiàn)積液為液泛發(fā)生的標(biāo)志，然而當(dāng)觀測到頂部出現(xiàn)積液時(shí)填料塔已經(jīng)出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的損失，因此視覺檢測具有滯后的缺陷；持液量測量需要填料塔停車，無法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測液泛；壓力變化監(jiān)測通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，使用時(shí)需要防止液體侵入損害壓力傳感器。Hansuld等[7]介紹了一種低成本、非侵入式在線監(jiān)測液泛現(xiàn)象的方法，將壓電式麥克風(fēng)貼在填料塔表面監(jiān)測聲波變化，采用標(biāo)準(zhǔn)差和信息熵方法對(duì)聲波電壓信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)聲信號(hào)的信息熵與填料類型、氣體流量和液體流量是相互獨(dú)立的，因此提出將聲信號(hào)的信息熵作為實(shí)時(shí)監(jiān)測液泛的特征參數(shù)，規(guī)定聲信號(hào)的信息熵低于9.1 bits時(shí)填料塔無液泛、在9.1～9.8 bits之間時(shí)填料塔處于過渡區(qū)、高于9.8 bits時(shí)填料塔發(fā)生液泛。楊捷[8]采用麥克風(fēng)陣列測量了規(guī)整填料塔在正常狀態(tài)和液泛狀態(tài)下的聲波數(shù)據(jù)，采用平面近場聲全息（nearfield acoustic holography，NAH）方法重建180～200 Hz范圍的聲壓圖，然而該方法需要相對(duì)復(fù)雜的檢測設(shè)備和較大的設(shè)備安裝空間。Hansuld等[7]和楊捷[8]均采用麥克風(fēng)作為聲信號(hào)傳感器，然而麥克風(fēng)檢測的是可聽聲范圍，應(yīng)用于工業(yè)裝置時(shí)受環(huán)境噪聲干擾較大。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型檢測手段，具有檢測靈敏、實(shí)時(shí)在線和不侵入流場等優(yōu)點(diǎn)[9]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于攪拌床、流化床以及攪拌釜等多相流體系的監(jiān)測[10-12]。直接與材料變形和斷裂相關(guān)的彈性波源稱為典型聲發(fā)射源，流體泄漏、摩擦、撞擊等與變形和斷裂無直接關(guān)系的彈性波源稱為二次聲發(fā)射源[13]。在氣液兩相中，氣泡的形成與聚并、液體與壁面的撞擊等均會(huì)形成聲發(fā)射信號(hào)，包含著豐富的氣液兩相運(yùn)動(dòng)信息。

本文擬采用聲發(fā)射檢測技術(shù)對(duì)填料塔液泛過程進(jìn)行檢測，借助標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜分析和小波分析等方法研究不同氣體流量和液體流量下聲發(fā)射信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜以及不同尺度的聲發(fā)射信號(hào)能量分率的變化規(guī)律，提出填料塔液泛氣速的聲發(fā)射檢測判據(jù)，期望獲得一種抗干擾能力強(qiáng)、可以實(shí)時(shí)監(jiān)測填料塔液泛的方法。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus1—fan；2—water rotameter；3—air rotameter；4—U type differential gauge；5—packed column；6—packing；7—liquid distributor；8—acoustic emission sensor；9—preamplifier；10—main amplifier；11—data acquisition device；12—computer

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，研究對(duì)象為填料塔，直徑70 mm，總高1100 mm，填料層高度380 mm。填料為10 mm×9 mm×1 mm的陶瓷質(zhì)拉西環(huán)，液體介質(zhì)為水，氣體介質(zhì)為空氣。聲發(fā)射信號(hào)測量和采集系統(tǒng)為自行開發(fā)的UNILAB2003[14]，該系統(tǒng)由聲發(fā)射探頭、前置放大器、主放大器、采集卡和計(jì)算機(jī)組成。在填料塔同一方向自下而上共設(shè)置8個(gè)聲發(fā)射信號(hào)采樣點(diǎn)，其中第1個(gè)采樣點(diǎn)距離填料層底部100 mm，采樣點(diǎn)間隔50 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)輸送通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)從填料塔底部進(jìn)入，再從填料塔頂部排出；水經(jīng)過液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)從填料塔頂部經(jīng)噴淋頭分布到填料層，與空氣逆流接觸后從填料塔底部排出。

保持液體流量不變，改變空塔氣速，當(dāng)填料塔中壓降達(dá)到穩(wěn)定時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)記錄填料塔壓降。聲發(fā)射信號(hào)的采樣頻率為600 kHz，采樣時(shí)間為5 s。液體流量VL分別為30.0、40.0和50.0 L·h?1，空塔氣速U為0.20～0.90 m·s?1。

2　數(shù)據(jù)處理方法

2.1標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差是一種反映數(shù)據(jù)分散程度的量化形式，可以用來衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)差越小，數(shù)據(jù)值與平均值越接近，組內(nèi)數(shù)據(jù)的差異性越小。

設(shè)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間序列為x(n)，信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差STD采用式(1)計(jì)算。

2.2功率譜分析

將信號(hào)時(shí)域上的幅值、相位或能量做變換，并以頻率為橫坐標(biāo)，進(jìn)而分析其頻域上的信息，稱為頻譜分析。通過頻譜分析得到信號(hào)中各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布，研究信號(hào)的頻率特征。針對(duì)離散信號(hào)，可采用離散傅里葉變換（discrete Fourier transform，DFT）進(jìn)行分析處理，信號(hào)x(n) 的DFT表達(dá)式為

實(shí)驗(yàn)所得聲發(fā)射信號(hào)均為隨機(jī)信號(hào)，采用功率譜分析的統(tǒng)計(jì)方法研究聲發(fā)射信號(hào)特征。對(duì)于隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào)，功率譜可以通過兩種方法定義：一種方法是將功率譜密度定義為自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，即Wiener-Khintchine定理[15]；另一種方法是時(shí)域信號(hào)通過傅里葉變換后的模平方除以時(shí)間長度，即通過能量譜密度在時(shí)間上的平均得到功率譜。本文采用后一種方法分析聲發(fā)射信號(hào)的功率譜，其表達(dá)式為

2.3小波分析

小波分析是一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行變時(shí)窗分析的方法，在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部分析特性，是處理瞬態(tài)、隨機(jī)或非穩(wěn)定信號(hào)的重要工具之一。小波變換采用Mallat快速算法，以多分辨率分析理論為基礎(chǔ)，具有多分辨率和多尺度的特性。根據(jù)正交小波基函數(shù)與尺度函數(shù)構(gòu)造低通濾波器和高通濾波器，可以分別求出信號(hào)的概貌信號(hào)Dj和細(xì)節(jié)信號(hào)Aj。低通濾波器和高通濾波器的響應(yīng)函數(shù)分別為h(n) 和g(n)。

離散信號(hào)x(n)的分解算法表達(dá)式如下

小波分析的信號(hào)分解過程[16]如圖2所示。

圖2　基于小波分析的信號(hào)分解過程Fig.2　Signal decomposition procedure based on wavelet transform

3　結(jié)果與討論

3.1聲發(fā)射信號(hào)測量位置的選擇

測量了填料塔正常操作到發(fā)生液泛時(shí)不同高度處的聲發(fā)射信號(hào)，所得聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示。圖3是液體流量分別為30.0、40.0和50.0 L·h?1時(shí)聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差與空塔氣速的雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線。由圖3可知，當(dāng)空塔氣速較小時(shí)隨空塔氣速增加聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差基本不變，而當(dāng)空塔氣速增大到某一特定值時(shí)聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差突然增大。此外，在100～400 mm 各個(gè)測量點(diǎn)所測聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢大體一致，并且隨測量點(diǎn)高度增加聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大。由于填料塔中所用填料為亂堆填料，在填料塔不同高度的壁面附近填料與壁面的接觸狀況不同，氣體與液體的相互作用情況存在差異，因此填料塔不同高度處采集的聲發(fā)射信號(hào)存在一定的差異。填料塔底部的測量點(diǎn)所測得的聲發(fā)射信號(hào)比較穩(wěn)定，以下不做說明時(shí)聲發(fā)射信號(hào)均在第一個(gè)測量點(diǎn)處測得。

圖3　不同高度處的聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3　Standard deviation of AE signals detected at different heights

從正常操作到發(fā)生液泛，填料塔中氣液兩相的流動(dòng)形式發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。圖4是液泛形成過程中氣液兩相流動(dòng)狀況。由圖4(a)和圖4(b)可知，液體流量為30 L·h?1，在空塔氣速較小時(shí)，液體在填料表面形成液膜，為離散相，而氣體以連續(xù)相的形式穿過填料間隙。在填料層頂部，液體與填料、填料塔壁面的碰撞和摩擦以及氣體與液體、填料和填料塔壁面的相互作用均是聲發(fā)射信號(hào)的來源，因此床層頂部采集到的聲發(fā)射信號(hào)很復(fù)雜，并且信號(hào)強(qiáng)度變化幅度較大。在填料層底部，氣體、液體與填料之間的相互作用以摩擦為主，聲發(fā)射信號(hào)變化幅度較小。由于聲發(fā)射信號(hào)在填料層中傳遞時(shí)信號(hào)的能量會(huì)不斷耗散，填料層底部聲發(fā)射信號(hào)受填料層頂部聲發(fā)射信號(hào)影響較小。因此，與填料層頂部聲發(fā)射信號(hào)相比，在遠(yuǎn)離填料層頂部區(qū)域聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差小。由圖4(c)和圖4(d)可知，當(dāng)空塔氣速接近及超過液泛氣速時(shí)，填料塔中液體由離散相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相，氣體則以離散相的形式通過填料床層。在整個(gè)填料床層中，氣體、液體與填料之間的相互作用復(fù)雜，并且更加劇烈。因此，在填料塔不同位置處聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差均發(fā)生突變。

3.2壓降法與聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差法的比較

液體和氣體的流量是影響填料塔流體力學(xué)性能的重要因素。氣體流量保持不變時(shí)，隨著液體流量的增加，填料表面液膜增大變厚，持液量增加，液體流量足夠大時(shí)會(huì)發(fā)生液泛；同樣，液體流量保持不變時(shí)，隨著氣體流量的增加，氣體對(duì)液體的拖曳作用增大，導(dǎo)致填料表面的液膜增大變厚，填料塔持液量和壓降變大[17]。圖5為不同液體流量下填料塔壓降和空塔氣速的雙對(duì)數(shù)曲線。圖6為不同液體流量下聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差與空塔氣速的雙對(duì)數(shù)曲線。由圖5和圖6可知，空塔氣速相同時(shí)，液體流量越大，填料塔壓降和聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差越大；同樣，液體流量不變時(shí)，空塔氣速越大，填料塔壓降和聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差呈增大的趨勢。根據(jù)曲線的斜率，可以將壓降與空塔氣速的雙對(duì)數(shù)曲線、聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)差與空塔氣速的雙對(duì)數(shù)曲線分成3段，即正常操作、載液和液泛。

在正常操作區(qū)域，隨著空塔氣速增大，壓降逐漸增加，而聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差基本不變；在載液區(qū)域，隨著空塔氣速增大，壓降上升的速度略有增加，而聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差也有小幅增加；在液泛區(qū)域，隨著空塔氣速增大，壓降和聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差均迅速增大。出現(xiàn)這些差異是因?yàn)閮煞N檢測手段反映填料塔中流體的不同特征。當(dāng)空塔氣速在正常操作區(qū)域時(shí)，填料層內(nèi)的持液量基本維持不變，導(dǎo)致壓降增加的主要原因是氣速增加引起摩擦損失增大；隨著氣速進(jìn)一步增大，氣體對(duì)液膜產(chǎn)生的阻滯作用不斷增強(qiáng)，液膜厚度隨之增加，導(dǎo)致填料塔內(nèi)空隙減小，實(shí)際氣速增大，因此壓降以更快的速度增加；而發(fā)生液泛時(shí)，氣體以鼓泡形式通過液膜，所以壓降急劇增大。由此可知壓降在一定程度上反映填料塔內(nèi)持液量的變化規(guī)律[18]。而聲發(fā)射信號(hào)則不然，聲發(fā)射信號(hào)主要由氣體、液體與填料塔壁面的摩擦與碰撞以及填料與壁面的碰撞產(chǎn)生。當(dāng)空塔氣速在正常操作區(qū)域時(shí)，填料層內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)較為緩和且持液量基本維持不變，因此聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差較小且不隨氣速增加而變化；隨著氣速進(jìn)一步增加，氣體對(duì)液膜產(chǎn)生阻滯作用，使得液體的湍動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差增加；當(dāng)液泛出現(xiàn)時(shí)，氣體以鼓泡形式通過液膜，液體的湍動(dòng)程度急劇增大，反映為聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差直線上升。由此可知聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差反映填料塔內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。

圖4　液泛形成過程中填料塔頂部氣液流動(dòng)狀況Fig.4　States of gas and liquid flow at top of packed column during flooding formation

圖5　液體流量對(duì)填料塔壓降的影響Fig.5　Effect of liquid flowrate on packed column pressure drop

液泛的產(chǎn)生取決于塔內(nèi)持液量[19]。表觀氣速不變的條件下，填料塔中持液量越大，氣體通過填料床層的實(shí)際氣速越大，氣液相互作用越強(qiáng)烈，填料床層更容易形成液泛。填料塔的持液量包括靜態(tài)持液量和動(dòng)態(tài)持液量，靜態(tài)持液量與填料的材質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)，動(dòng)態(tài)持液量與氣液兩相的流量密切相關(guān)。由圖5和圖6可知，液體流量越大，載點(diǎn)和液泛氣速越小。這是因?yàn)?，液體流量越大，填料表面覆蓋的液膜越厚，氣體流通截面積越小，局部氣速越大，對(duì)液體的拖曳作用越強(qiáng)，進(jìn)一步增加了填料表面覆蓋的液膜厚度，最終導(dǎo)致填料塔的動(dòng)態(tài)持液量增加，因而填料塔內(nèi)局部區(qū)域更容易出現(xiàn)連續(xù)相的液體以及發(fā)生液泛。

圖6　液體流量對(duì)聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.6　Effect of liquid flowrate on standard deviation of AE signals

3.3功率譜分析和小波分析

填料塔中氣體、液體與填料之間存在復(fù)雜的相互作用，包括液體與填料及填料塔壁面的碰撞和摩擦、氣體的破碎與氣泡形成等。填料塔處于不同的操作條件下時(shí)，由于填料塔中流體狀態(tài)和相互作用的改變，聲發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)出不同的特征。聲發(fā)射信號(hào)的特征與填料類型、氣體流量、液體流量等因素有關(guān)。選取填料塔正常操作、載液和液泛3個(gè)區(qū)域的聲發(fā)射信號(hào)，分析得到其功率譜圖，如圖7所示。由圖7(a)可知，填料塔正常操作時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)頻譜的能量集中在10～125 kHz，在50 kHz和60 kHz附近存在功率譜密度極大值。隨著空塔氣速的增大，填料塔開始發(fā)生載液，由圖7(b)可以看出50 kHz和60 kHz附近仍然存在功率譜密度極大值，而在25 kHz附近的功率譜密度明顯增大。這可能是因?yàn)樘盍纤d液時(shí)填料塔床層的局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)液體，這些液體在氣體的作用下與壁面發(fā)生摩擦和碰撞作用。張擎等[20]研究了沸騰過程中聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣泡存在時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的主頻在16～35 kHz之間。而由圖7(c)可以看出，填料塔發(fā)生液泛時(shí)聲發(fā)射信號(hào)功率譜密度的最大值在25 kHz附近。可以推測在液泛發(fā)生時(shí)填料塔中液體為連續(xù)相，氣體以氣泡形式通過床層和液體時(shí)不斷破碎和聚并，引起連續(xù)相液體的劇烈湍動(dòng)，連續(xù)相液體與填料塔壁面不斷撞擊形成能量高而頻率低的聲發(fā)射信號(hào)。因此，隨著氣體流量的增大，聲發(fā)射信號(hào)源由氣體與液膜、填料及壁面相互作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀荨⒁合嗉氨诿嫦嗷プ饔脼橹?，?dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)主頻向低頻方向轉(zhuǎn)移。特別地，當(dāng)液泛發(fā)生時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的主頻轉(zhuǎn)移至25 kHz附近。

圖7　不同氣體流量時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)功率譜Fig.7　Power spectrum density of AE signals with different gas flowrates

對(duì)聲發(fā)射信號(hào)做7尺度小波分解，考察各尺度信號(hào)的能量分率與氣體流量和液體流量的關(guān)系。表1為聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)各尺度信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。

表1　聲發(fā)射信號(hào)7尺度小波分解各尺度所在頻率范圍Table 1　Frequency ranges of AE signals by 7 scales wavelet transform

圖8為聲發(fā)射信號(hào)的小波各尺度能量分率與空塔氣速的關(guān)系。由圖8可知，聲發(fā)射信號(hào)的能量集中在d1～d5尺度，而d6、d7和a7尺度的信號(hào)能量分率較小。以液體流量VL=40.0 L·h?1為例，分析各尺度聲信號(hào)的能量分率與空塔氣速的關(guān)系。如圖8(b)所示，當(dāng)填料塔中氣體的空塔氣速U<0.65 m·s?1時(shí)，隨著空塔氣速的增加，聲發(fā)射信號(hào)各尺度的能量分率變化不大；當(dāng)空塔氣速U>0.65 m·s?1時(shí)，隨著空塔氣速的增加，d1、d2尺度的信號(hào)能量分率先增加后迅速減小，d3尺度的信號(hào)能量分率呈波動(dòng)減小的趨勢，d4、d5尺度的信號(hào)能量分率呈波動(dòng)增大的趨勢。在填料塔出現(xiàn)載液后，各個(gè)尺度聲發(fā)射信號(hào)的能量分率發(fā)生波動(dòng)，可能原因是載液到液泛的過程中氣液兩相的流動(dòng)形式及其在填料床層中的分布狀況不穩(wěn)定，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)的組成和強(qiáng)度發(fā)生多次變化。當(dāng)填料塔發(fā)生液泛時(shí)，d3、d4、d5均有顯著變化，d3尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率下降，而d4尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率大幅增加，約是液泛前聲發(fā)射信號(hào)能量分率的3倍，d5尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率約是液泛前的2倍。結(jié)合圖7可知，d4和d5尺度頻率范圍包含液泛時(shí)功率譜密度最大的峰，因此認(rèn)為d4和d5尺度聲發(fā)射信號(hào)主要由連續(xù)相液體在氣體的作用下與填料塔壁面撞擊產(chǎn)生。

圖8　不同尺度聲發(fā)射信號(hào)的能量分率Fig.8　Energy fraction of different scale acoustic emission signals

與壓降法類似，基于圖8，可以用圖解法確定填料塔液泛時(shí)的空塔氣速。結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)功率譜密度的變化規(guī)律，定義d4和d5為G1尺度。以G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率作為判斷液泛氣速的特征變量，G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率顯著變大時(shí)對(duì)應(yīng)的空塔氣速即為液泛氣速。圖9為G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率與空塔氣速的關(guān)系。由圖9可知，當(dāng)空塔氣速較小時(shí)，不同液體流量下G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率基本不變；當(dāng)空塔氣速進(jìn)入載液區(qū)時(shí)，不同液體流量下G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率發(fā)生小幅度的波動(dòng)；當(dāng)空塔氣速大于液泛氣速時(shí)，G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率急劇增大。此外，不同液體流量下液泛點(diǎn)對(duì)應(yīng)的G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率基本相同，說明G1尺度能量分率與液體流量是相對(duì)獨(dú)立的?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，本工作進(jìn)一步提出了液泛氣速的定量判據(jù)：在本研究實(shí)驗(yàn)條件下，G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率達(dá)到22.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的空塔氣速即為液泛氣速。

圖9　液體流量對(duì)G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率的影響Fig.9　Effect of liquid flowrate on G1scale energy fraction of AE signals

3.4液泛氣速測定方法的比較

填料塔床層壓降反映了填料塔內(nèi)持液量的變化，是表征填料塔中氣體、液體與填料相互作用整體行為的變量；聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差反映了填料塔局部區(qū)域內(nèi)氣體和液體的湍動(dòng)強(qiáng)度；G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率反映了特定尺度的氣體與液體耦合作用強(qiáng)度，代表了填料塔中在氣體作用下局部連續(xù)相液體與填料塔壁面的撞擊行為。表2為3種方法獲得的液泛氣速的比較。

表2　不同方法獲得的液泛氣速的比較Table 2　Comparison of flooding gas velocity obtained by pressure drop and AE detection

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，聲發(fā)射法和壓降法對(duì)液泛氣速的預(yù)測值非常接近，說明聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差和特征尺度能量分率均可以準(zhǔn)確預(yù)測液泛氣速。填料床層的壓降和填料塔內(nèi)氣液兩相的湍動(dòng)程度均與填料床層的持液量密切相關(guān)。尤其在空塔氣速達(dá)到液泛氣速時(shí)，填料塔中持液量急劇增加，填料床層的壓降迅速增大，此時(shí)填料塔中流體流動(dòng)情況發(fā)生劇烈變化，表現(xiàn)為聲發(fā)射信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差和G1尺度能量分率的迅速增大，因而聲發(fā)射法和壓降法對(duì)液泛氣速的預(yù)測值相近。另外，與標(biāo)準(zhǔn)差法相比，G1尺度能量分率與液體流量是相對(duì)獨(dú)立的，具有更強(qiáng)的通用性。

4　結(jié)　論

（1）基于聲發(fā)射技術(shù)，結(jié)合聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜和小波分析，研究了填料塔中液泛形成過程中聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差、功率譜密度和能量分率的變化規(guī)律。當(dāng)填料塔中發(fā)生液泛時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差及7尺度小波分解所得G1尺度能量分率急劇增大，聲發(fā)射信號(hào)功率譜的主頻從50 kHz和60 kHz轉(zhuǎn)移到25 kHz附近。

（2）提出了填料塔液泛氣速的聲發(fā)射測量判據(jù)，G1尺度聲發(fā)射信號(hào)能量分率顯著變大時(shí)對(duì)應(yīng)的空塔氣速即為液泛氣速，采用該判據(jù)對(duì)液泛氣速進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與壓降法非常接近。與標(biāo)準(zhǔn)差相比，G1尺度能量分率與液體流量是相對(duì)獨(dú)立的，具有更強(qiáng)的通用性。研究結(jié)果表明，聲發(fā)射技術(shù)能夠用于液泛的測量和實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有良好的應(yīng)用前景。

符號(hào)說明

Aj——細(xì)節(jié)信號(hào)

Dj——概貌信號(hào)

f——聲發(fā)射信號(hào)頻率，kHz

N——樣本長度

P——功率譜密度，V2·kHz?1

STD——標(biāo)準(zhǔn)差，V

U——表觀氣速，m·s?1

VL——液體流量，L·h?1

x(n)——聲發(fā)射信號(hào)幅值，V

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150567

中圖分類號(hào)：TQ 021.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）02—0476—09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21406194）；博士后基金項(xiàng)目（528000-X91401）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20130101110063）；浙江省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（R14B060003）。

Corresponding author:HUANG Zhengliang, huangzhengl@ zju. edu. cn supported by the National Natural Science Foundation of China (21406194), the China Postdoctoral Science Foundation (528000-X91401), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20130101110063) and the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (R14B060003).

Measurement of flooding gas velocity in packed column by acoustic emission technique

FAN Xiaoqiang, HE Lelu, HUANG Zhengliang, YE Xiangqun, LI Yong, WANG Jingdai, YANG Yongrong
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, College of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

Abstract:The acoustic emission (AE) signal characteristics under different operation conditions of packed column were investigated by analyzing standard deviation (STD), power spectrum density (PSD) and multi-scale wavelet transform of acoustic emission signals. Criterions to determine the flooding gas velocity were proposed. The influence of liquid flowrate was investigated by air-water experiments. It was found that the prediction of the flooding gas velocity by AE signal STD was close to that by pressure drop. The power spectrum density of acoustic emission signals under different operation conditions showed that the maximal PSD peak transferred from around 50 kHz and 60 kHz to around 25 kHz when the packed column flooding. 7 scales wavelet transform was used to investigate the acoustic emission signals. Energy fraction of G1(d4,d5) scale had a sharp rise as the gas velocity came to flooding gas velocity. The prediction of flooding gas velocity by G1scale energy fraction was close to that by pressure drop. As a non-invasive method, acoustic emission detection can monitor flooding accurately and have a good application prospect.

Key words:acoustic emission; column; packed bed; flow; flooding; standard deviation; power spectrum; wavelet analysis