重整反应器是连续重整装置的关键设备,反应器内气固相错流接触,当气体流速足够大时会出现空腔和贴壁的非正常现象,限制反应器的操作弹性,影响装置的安全稳定运行。采用声发射技术对冷态操作下的反应器进行检测,对比分析反应器不同运行状态的声发射信号,以便及时判断是否出现了上述非正常现象。试验结果显示:反应器正常运行时信号波形平稳,平均信号电平20 dB、幅值35～45 dB;异常时波形中出现脉冲形状,其中,空腔时平均信号电平20～35 dB、幅值35～55 dB,特征频率25～150 kHz,贴壁时平均信号电平30～60 dB、幅值35～75 dB,特征频率25～250 kHz。催化剂流动状态改变时信号的波形、特征参数和功率谱会出现明显变化。使用多个传感器可以实现对故障的定位并可识别故障类型。上述结果表明,声发射技术作为一种非侵入式的测量技术,能够有效检测连续重整反应器的运行状态,可为装置长期安全稳定运行提供技术保障。

连续重整是石油二次加工的主要工艺之一,以石脑油为原料生产高辛烷值汽油或芳烃。该工艺采用径向移动床反应器。反应器内催化剂颗粒与气体错流流动,催化剂颗粒在重力的作用下向下流动,气体在床层内水平流动。当气体流速足够大时,靠近上游面的催化剂颗粒会与壁面脱离接触形成空腔,空腔使气体沿轴向分布不均匀,导致气体短路,影响气固两相流接触,使反应器效率大幅度降低。在高速气流的作用下,靠近下游面的催化剂颗粒与壁面之间的摩擦力增大,当摩擦力足以支撑催化剂颗粒的重量时,这部分催化剂颗粒将不再向下移动,出现贴壁现象。在连续重整装置扩能改造中反应器容易出现贴壁现象,若贴壁的催化剂失活后不能及时移出反应器去再生,严重时就会导致反应器不能连续操作。陈允华和龙文宇通过试验方法研究了矩形错流移动床反应器空腔和贴壁的发展过程,分析了气流对颗粒产生的应力,建立了贴壁临界压降模型及贴壁厚度模型。Xiao采用欧拉-欧拉双流体方法模拟计算了径向移动床反应器空腔形成的过程。卢春喜等利用计算颗粒流体力学方法模拟了楔形结构和料封高度对空腔现象的影响。卫思辰等发现引入大颗粒能提高径向移动床出现空腔的临界速度。多数学者均通过数值模拟或散料力学原理研究分析了空腔和贴壁现象,但缺少对径向移动床反应器非正常状态的试验研究,为此,本文拟建立一种连续重整反应器的故障诊断方法。该方法通过采用声发射技术检测连续重整中试冷模试验装置反应器内催化剂的流动状态,分析不同状态的声发射信号,以得到能够表征反应器状态的信号特征。下面进行详细阐述。

声发射是材料局部能量快速释放产生弹性波的现象。声发射检测技术具有安全环保、易于安装、不侵入流场等优点,已成功应用于流化床、搅拌釜以及填料塔等多相流体系的监测。流体泄漏、摩擦和撞击等均为二次声发射源,在气固体系中颗粒-颗粒、颗粒-壁面的摩擦和撞击作用使容器壁面形状发生变化从而激发弹性波。声发射信号是由气固流动产生的,能够反映气固流动特征的变化。基于声发射检测技术,通过对不同流动状态下连续重整反应器声发射信号进行比较分析,并与催化剂颗粒的流动特征相关联,可以实现对反应器运行状态的检测。

一、实验

试验装置由连续重整冷模试验系统和声发射检测系统组成,如图1所示。连续重整冷模试验系统主要包括上部料斗、反应器、下部料斗、提升器和催化剂输送管线,其中,反应器的壳体为有机玻璃材质,可以清晰看到内部气固流动状态。声发射检测系统是美国物理声学公司生产的PCI-2声发射系统,主要包括声发射传感器、信号线、信号采集箱和计算机,使用AEwin软件进行信号处理。试验在室温下进行,气体介质为空气,固体介质为连续重整催化剂载体。试验时,从风机来的空气经缓冲罐、流量计进入反应器,通过扇形筒分流后径向穿过催化剂床层,汇集于中心管,从反应器底部流出后放空。催化剂从上部料斗经下料管进入反应器内扇形筒和中心管之间的环形空间,在重力作用下向下移动,从催化剂出口进入下部料斗,通过提升器将催化剂输送到上部料斗,形成稳定的催化剂循环过程。

图1 试验装置

空腔和贴壁现象与反应器结构、气体/固体颗粒的物理性质有关,但气体流速是关键因素【17】。调节气体流量使反应器分别处于正常、空腔和贴壁运行状态,采集反应器不同运行状态下的声发射信号,采样频率为1 MHz,采样时间15s。

二、结果与讨论

试验时保持催化剂循环量固定不变,逐渐调节反应器气体流量,随着气体流量的增大反应器由正常状态过渡到空腔、贴壁的非正常状态。反应器不同运行状态的声发射信号原始波形如图2(a)～图2(c)所示。由图2(a)～图2(c)可以看出:反应器正常运行时声发射信号表现为平稳的连续信号,信号的电压约为2 mV;出现空腔现象后信号波形中出现脉冲形状,峰值电压增大至100 mV,由于空腔存在“生成-长大-塌落-流化”的循环过程【18】,波形出现周期性脉冲形状,流化的颗粒速度远大于正常移动的颗粒,其撞击壁面产生的声发射信号电压更高,反应器出现贴壁现象的声发射信号与空腔现象的声发射信号波形相似,但单个脉冲持续的时间更长,信号的电压也显著增大,峰值电压约为500 mV。由此可知,可以通过声发射信号的波形判断反应器运行状态。

图2 反应器不同运行状态下的信号波形

参数分析法是用声发射特征参数描述声源特性的方法。由反应器声发射信号波形可知,不同运行状态下的信号均为连续型信号。平均信号电平(ASL)表示采样时间内信号电平的均值,是分析连续型信号常用的参数,能够量化信号的强度。反应器不同运行状态的ASL-时间数据如图3(a)～图3(c)所示。由图3(a)可见,反应器正常运行时声发射信号的ASL较小,均为20 dB。当反应器正常运行时催化剂颗粒移动速度很小(约1 mm/s)【8】,催化剂颗粒之间的摩擦及颗粒对壁面的摩擦产生的声发射信号的强度较低。由图3(b)可见,当反应器出现空腔现象时,ASL增大到20～35 dB,这是由于部分催化剂颗粒出现流化现象,流化的催化剂颗粒比正常流动的颗粒速度大,颗粒之间及颗粒对壁面撞击产生的信号的强度更高。由图3(c)可见,反应器出现贴壁现象后ASL明显增大,在30～60 dB之间。在催化剂颗粒循环量保持不变条件下,贴壁导致颗粒流通截面积减小,气体速度增大时流化的颗粒速度显著增大,因此信号ASL显著增大。由此可见,可以根据声发射信号的ASL判断反应器的运行状态。

图3 反应器不同运行状态下的ASL-时间数据

关联图分析方法是将任意两个声发射信号的特征参数进行关联度分析的方法。对不同运行状态下反应器声发射信号的能量和幅值进行关联分析,关联图如图4(a)～图4(c)所示,图中每个点对应于1个声发射信号撞击。由图4(a)可以看出,反应器正常运行时声发射信号较少,幅值和能量都较低,幅值在35～45 dB之间,信号最大能量为1 mV·ms。反应器正常运行时催化剂颗粒在反应器内在重力作用下缓慢向下蠕动,颗粒与颗粒之间及颗粒与壁面摩擦产生的声发射信号能量很低。由图4(b)可以看出,出现空腔现象时声发射信号幅值和能量明显增大,幅值在35～55 dB之间,最大能量为1 800 mV·ms,幅值较大的撞击对应的能量也较大。出现空腔时催化剂床层局部颗粒流化,颗粒与颗粒之间及颗粒与壁面之间发生撞击作用,颗粒运动活性增大产生的撞击明显增多,由此产生的声发射信号能量也更高。由图4(c)可以看出,出现贴壁现象时声发射信号的幅值进一步增大,在35～75 dB之间,颗粒在高速气体的作用下能量显著增大,最大能量约70 000 mV·ms。

图4 反应器不同运行状态能量-幅值关联

功率谱分析是一种重要的频谱分析方法,通过研究信号功率随频率的变化实现对信号的分析和识别。功率谱估计方法分为经典谱估计法和现代谱估计法。Welch功率谱估计又称加权交叠平均功率谱估计,是广泛应用的经典谱估计方法,它将数据分成若干段进行加窗处理,计算每一段的功率谱,再求取平均功率谱。对不同运行状态下的反应器声发射信号进行Welch功率谱分析,如图5(a)～图5(c)所示。不同运行状态下的功率谱形状差异较大,空腔现象时功率谱在25～150 kHz出现特征峰,床层内局部催化剂颗粒流化。Boyd等【19】指出颗粒-壁面撞击作用产生的声发射信号频率在15～200 kHz,与本试验结果一致。当出现贴壁现象时声发射信号特征峰高频段扩展至250 kHz,特征频段功率明显增大。这是由于在颗粒循环量不变的条件下,靠近中心管处催化剂颗粒贴壁导致催化剂流通面积减小,同时床层内气流速度更高时颗粒的运动速度显著增大,颗粒与颗粒、颗粒与壁面的撞击的频率和强度均显著增强。

图5 反应器不同运行状态功率谱

使用多个声发射传感器能够实现对异常现象的定位检测。在反应器外表面布置6个声发射传感器,具体位置见图6。反应器正常运行时不产生声发射定位事件,有异常时会出现定位事件。利用AEwin软件的柱面定位功能可以确定声发射源的位置。如图7所示,蓝色点为声发射源的定位结果,通过横、纵坐标可知出现异常现象的位置,点击定位事件查看声发射源的参数(见图7),该声发射源信号的ASL为27 dB,结合参数分析可知,该位置出现空腔现象。由此可见,通过定位分析不仅能找到故障的位置,还能识别故障的类型。

图6 传感器布置

图7 声发射源的参数

三、结论

通过采用声发射技术对冷态操作下的连续重整反应器进行检测,对比分析反应器在不同运行状态下的声发射信号,可得出以下结论:

1) 对反应器不同运行状态下的声发射信号进行波形分析发现,正常运行时声发射信号表现为平稳的连续信号,出现异常时波形中出现脉冲形状,波形峰值突出明显且具有一定规律,贴壁时声发射信号的峰值电压比空腔时更高,单个脉冲持续的时间更长。

2) 分析反应器不同运行状态下的声发射信号特征参数可知,正常运行时信号ASL为20 dB,幅值为35～45 dB。出现空腔时特征参数有所增大。出现贴壁现象时特征参数进一步增大,当反应器出现空腔现象时,ASL为20～35 dB,幅值为35～55 dB;反应器出现贴壁现象时ASL为30～60 dB,幅值为35～75 dB。

3) 功率谱分析表明,空腔现象的特征频率在25～150 kHz之间,当出现贴壁现象时,声发射信号频率范围变宽,高频段扩展至250 kHz,特征峰强度明显增大。

4)连续重整反应器运行状态改变时声发射信号的波形、特征参数及功率谱变化明显,采用多个传感器可以实现对反应器故障的定位,同时结合故障源的信号参数还可以识别故障类型。

声发射对催化剂颗粒运动反应灵敏,声发射检测技术能够有效检测反应器的运行状态,为装置长期安全稳定运行提供技术保障。

来源：经燕化工平台网络综合整理

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