光纤探针法颗粒速度和浓度测试案例分享

光纤探头测量方法是一种基于激光反射的测量技术，根据对颗粒反射激光产生的信号进行分析，同时获得颗粒的速度和浓度。由于激光信号对温度和压力不敏感，测量的结果受环境影响小，可以在高温或高压的环境下进行在线监测，是对生产工艺进行实时监控的重要手段。

此次介绍的是瑞士MSE Meili公司开发的光纤探头测试设备Labasys在化工领域的应用。

流化催化裂化（FCC）工艺中，稠密的催化剂的流动特性是一个重要的研究课题，是了解工艺状况的重要指标。为了分析提升管内颗粒的速度和浓度分布，采用激光探头测试系统进行了一系列的测量。Shell提供的FCC工艺如图1所示，颗粒的体积浓度范围为0-60%，催化剂颗粒的直径约50μm，测试段直径30cm，测试在冷态的实验中进行，温度约30℃。测量点位于提升管的位置❷，为了获得颗粒的速度和浓度分布信息，对该截面内的不同位置进行了测量对比。

为获得准确的浓度信息，首先需要对测试系统进行标定，选用与实验相同的催化剂颗粒进行了浓度的标定，标定数据及拟合结果如图2所示。速度的测量选择两通道测试系统，最终获得沿主流方向上的一维速度。

测量位置❷所在截面上的速度和浓度分布如图3所示。分析测量结果，在实验工况下，提升管内的速度和浓度分布并不均匀，在壁面附近颗粒的速度较低而浓度较高，管道中心区域颗粒的速度较高而浓度较低，即提升管内产生环流流型，颗粒主要集中在靠近壁面的位置。调整FCC工艺运行的条件，可改变提升管内颗粒运动的状态，最终可根据测量结果，确定颗粒运动状态最佳的工况，从而帮助提高生产效率。

图1 FCC工艺冷漠实验装置（Shell）

图2 浓度标定曲线

图3 提升管横截面上的速度和浓度分布

聚丙烯（PP）是许多日常用品的基本材料，LyondellBasell作为全球最大的聚丙烯制造商，在多年的生产经验基础上，开发出Spherizone工艺。该工艺是目前最先进的聚丙烯制造工艺，最早在2002年投入使用。图4是Spherizone工艺的原理图，该工艺的核心部分是生成聚合物的多区循环反应器（MZCR），由于该部分包括两个反应区，因此可以在一套工艺内实现两种聚合反应。

图4 Spherizone工艺原理

在MZCR顶端，聚合物从第一个聚合反应区出来，在顶端经过旋风分离器与气体分离，聚合物在重力作用下进入到下降管反应区域，形成密相塞流。在下降管底部，聚合物颗粒被重新输入到上升管中，形成循环。在该工艺中，工艺控制的一个关键变量是固体颗粒的再循环率，通常通过测量固体颗粒的循环速度和浓度来确定。

对该工艺进行在线监测的难点在于42bar的使用压力下的密封问题和100℃环境中使用的冷却问题，采用光纤探头技术，可以方便地设计双层密封装置保证压力不会泄露，同时可引入冷却水循环，保障测试系统的正常运行，因此该技术可以用在实际工艺的长时间在线监测上，真正解决实际的工程问题。

对MZCR下降管进行监测，分析获得的颗粒速度如图5所示，其中Œ为的初始阶段放大图。图中红色曲线速度，绿色和蓝色的曲线分别表示测量通道1和2获得的未经过处理的信号，与下降管中的聚合物浓度相关。

在初始阶段，填料高度和浓度信号不断上升，二者吻合较好。在此阶段，速度脉动强烈并且有上升的趋势。聚丙烯颗粒落到充满的颗粒床上，此刻填料高度低于测量设备的位置。大约13:30左右，浓度不规则地升高，形成聚合物流动的一个峰值。大约14:50，填料高度达到了测量设备的位置。然后，反应器达到稳定状态，如图所示。通过采用光纤探头系统对Spherizone工艺进行在线监测，了解到下降管内的颗粒变化情况，有助于维持生产工艺高效运行，同时也为研究工艺的特点提供了详实的数据支撑。

图5 MZCR下降管内颗粒速度在线监测