BEZINWAZYJNE BADANIA ZJAWISK DYNAMICZNYCH ZACHODZCYCH W PRZEMYSŁOWYCH PROCESACH PRZEPŁYWÓW DWUFAZOWYCH GAZ-CIECZ

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ł Ó D Z K I E J Nr 1078 ELEKTRYKA, z. 121 2010 BARTOSZ MATUSIAK, JAKUB BETIUK ANDRZEJ ROMANOWSKI Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej HENRYK FIDOS Wydział Inynierii Procesowej i Ochrony rodowiska Politechniki Łódzkiej BEZINWAZYJNE BADANIA ZJAWISK DYNAMICZNYCH ZACHODZCYCH W PRZEMYSŁOWYCH PROCESACH PRZEPŁYWÓW DWUFAZOWYCH GAZ-CIECZ Recenzent: doc. dr hab. in. Roman Szabatin Maszynopis dostarczono: 1. 10. 2010 W wielu procesach przemysłowych wystpuj przepływy dwufazowe gaz-ciecz. Mimo, e badania nad opracowaniem metod pozwalajcych na badanie zjawisk dynamicznych w tych procesach prowadzone s od wielu lat, do tej pory nie udało si jeszcze rozwiza wszystkich problemów z nimi zwizanych. W ostatnim okresie coraz szersze zastosowanie znajduj bezinwazyjne techniki tomograficzne, w szczególnoci elektryczna tomografia pojemnociowa, która pozwala na uzyskanie rozkładu stałej elektrycznej wewntrz badanego procesu. W niniejszym artykule przedstawione zostało stanowisko badawcze, w którego skład

78 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos wchodzi instalacja umoliwiajca monitorowanie przypływów dwufazowych gaz-ciecz z zastosowaniem elektrycznej tomografii pojemnociowej oraz opracowana specjalnie do tego zastosowania konstrukcja czujnika pomiarowego z wewntrznymi elektrodami. 1. WPROWADZENIE Dwufazowe procesy przepływowe typu gaz-ciecz s istotne z punktu widzenia wielu gałzi przemysłu, w tym w szczególnoci chemicznego, spoywczego, farmaceutycznego, petrochemicznego, czy te np. w oczyszczalniach cieków. Przykładami instalacji przemysłowych, w których wystpuj takie przepływy s maszyny do transportu hydraulicznego i pneumatycznego cieczy i gazów (pompy), aparaty do rozdzielania układu gazciecz (kolumny rektyfikacyjne), aparaty do wymiany ciepła, a w szczególnoci reaktory chemiczne i biochemiczne. Bardzo istotn kwesti, z punktu widzenia zastosowa praktycznych, jest metodyka obliczania i doboru parametrów pracy wybranych maszyn i aparatów, okrelanie zapotrzebowania mocy, zdolnoci przerobowej lub produkcyjnej w celu maksymalizowania ich wydajnoci. W skrajnych przypadkach zły dobór tych parametrów moe doprowadzi do zaburzenia bezpieczestwa pracy [1]. Dobór odpowiedniej konfiguracji urzdze i odpowiedniego trybu ich pracy jest zadaniem złoonym i w duej mierze opiera si na znajomoci zachowania i struktur przepływów. Jest to spowodowane faktem, i przepływ dwufazowy gazciecz w wikszoci przypadków nie jest laminarny. Wystpujcy ruch płynu wywołany siłami napicia powierzchniowego i midzyfazowego powoduje niestabilno strugi, co w efekcie moe skutkowa spadkiem cinienia i prdkoci przepływu. W zwizku z tym, istotne jest: wyznaczenie (w układzie gaz-ciecz) ruchu pcherzyków gazu w cieczy oraz okrelenie ich parametrów. Natomiast okrelenie udziału fazy gazowej (np. parametry pcherzy gazu: rednica, długo) pozwala dokona odpowiedniego doboru nastaw sterowania i zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu [2]. 2. TECHNIKI POMIARU PRZEPŁYWÓW DWUFAZOWYCH W ostatnich latach pojawiło si wiele nowych technik pomiaru przepływów wielofazowych. Metody te czsto wykorzystuj pomiar spadku cinienia, czy objtoci wypartego medium [3]. Do rozwijajcych si metod pomiarowych

Bezinwazyjne badania zjawisk dynamicznych 79 naley zaliczy take pomiar przepływu masowego wykorzystujcy efekt Coriolisa. Metoda ta polega na pozornym zakrzywianiu si toru ruchu ciała poruszajcego si w wirujcym układzie współrzdnych. Odchylenie toru ruchu ciała w takim układzie zaley od jego prdkoci, oraz prdkoci wynikajcej z ruchu wirowego układu odniesienia. W roku 1977 pojawiły si pierwsze przemysłowe przepływomierze masowe, wprowadzone przez firm Micro Motion. Dostpne obecnie na rynku przepływomierze masowe Coriolisa, pozwalajce na pomiar przepływów o górnej granicy zakresu do 680 t/h. S one powszechnie wykorzystywane w instalacjach przemysłu petrochemicznego i rafineryjnego (np. w PKN Orlen). Jednak zastosowanie tych przepływomierzy do pomiaru przepływu gazu ziemnego, gdzie zakres pomiarowy (zalenie od cinienia gazu) moe wynie około 100 tys. m 3 /h (przy cinieniu 101,325 kpa i temperaturze 273,15K), powoduje znaczce urednienie wartoci pomiarowych. Dodatkowo, wad tego rozwizania s problemy z monitoringiem zachodzcego w rurze procesu, a take wystpowanie niepodanych zaburze procesu przepływowego bdcych wynikiem wprowadzenia czujników do wntrza instalacji. Do badania przepływów dwufazowych gaz-ciecz wykorzystywane były take metody kolorymetryczne [4] oraz metody tomograficzne, przy czym pierwsza z nich nie nadaje si do zastosowania w rodowisku przemysłowym. Do tej pory do bada udało si zastosowa tomografi promieni Rentgena [5], promieniowania gamma [6] oraz rezonans magnetyczny [1]. Niestety te techniki s bardzo kosztowne, wymagaj odpowiednich zabezpiecze i w wikszoci nie s w stanie zaoferowa wystarczajcej rozdzielczoci czasowej. Na tym tle elektryczna tomografia pojemnociowa (ang. Electrical Capacitance Tomography - ECT), wydaje si bardzo atrakcyjn alternatyw, jako metody do pozyskiwania informacji o przebiegu w/w procesów przemysłowych. Elektryczna Tomografia Pojemnociowa umoliwia obserwacj zachodzcych zjawisk fizycznych i chemicznych bez potrzeby wnikania w ich wntrze [7]. ródłem informacji s pojemnoci elektryczne pomidzy elektrodami umieszczonymi na obwodzie czujnika pomiarowego. Na podstawie zebranych pomiarów pojemnoci elektrycznej - rozwizujc problem odwrotny dla pola elektrycznego - mona uzyska obraz rozkładu przenikalnoci elektrycznej wewntrz obszaru czujnika pomiarowego [8]. Bardzo wan cech pomiaru w przypadku ECT jest brak koniecznoci fizycznej interakcji czujnika z badanym medium, dziki czemu metoda ta jest bezinwazyjna; czyli nie zaburza odbywajcego si procesu przemysłowego [9]. Inn zalet tej techniki pomiarowej jest dua szybko zbierania danych pomiarowych. Obecnie dostpne na rynku tomografy potrafi zebra do 1000 wektorów danych na sekund dla kompletu elektrod czujnika pomiarowego. Pozwala to na zastosowanie ECT w badaniu i monitorowaniu procesów charakteryzujcych si wysok dynamik zjawisk fizyko-chemicznych. Pojemnociowy tomograficzny system pomiarowy nie wymaga wprowadzania

80 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos czujników do wntrza instalacji, w której przebiega monitorowany proces. Pozwala to na bieco identyfikowa rozkład transportowanego materiału w przekroju poprzecznym rurocigu, zbiornika (np. rozmiar pcherzy powietrza, itp.). Dziki zastosowaniu technik korelacyjnych oraz dwupłaszczyznowych tomograficznych czujników pojemnociowych moliwe jest wyznaczenie prdkoci przepływu oraz okrelenie jego charakteru. Informacja ta moe by pó niej wykorzystana do obliczania masy przepływajcej substancji w jednostce czasu. 3. STANOWISKO BADAWCZE W laboratorium tomografii procesowej w Katedrze Informatyki Stosowanej zbudowano instalacj do badania procesów przemysłowych w oparciu o techniki elektrycznej tomografii pojemnociowej. Warunki pracy tej instalacji, jej gabaryty i moc s porównywalne z wystpujcymi w warunkach przemysłowych.

Bezinwazyjne badania zjawisk dynamicznych 81 Rys 1. Rysunek pogldowy instalacji badawczej przepływu dwufazowego: rzut boczny

82 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos Rys 2. Rysunek pogldowy instalacji badawczej przepływu dwufazowego: rzut z góry

Bezinwazyjne badania zjawisk dynamicznych 83 Na rys. 1 i 2 został przedstawiony schemat instalacji do bada przepływów dwufazowych. Instalacja ta umoliwia przeprowadzanie eksperymentów zarówno w układzie poziomym rurocigów, jak te w układzie pionowym. Kada z poszczególnych czci instalacji (pozioma i pionowa), wyposaona jest w rurocigi pomiarowe o trzech rónych rednicach wewntrznych odpowiednio 34,0; 53,6 i 81,4 mm, co umoliwia badanie procesów przepływu dwufazowego w rónej skali. Długoci odcinków sekcji pomiarowej rurocigów poziomych wynosz 7,5 m, natomiast długoci odcinków sekcji pomiarowej rurocigów pionowych wynosz 4,0 m. Rurocigi zbudowane s z rur wykonanych z polichlorku winylu (PCV) i wyposaone w armatur wykonan z tego samego materiału. Materiał ten umoliwił w odcinkach pomiarowych zastosowanie elementów przezroczystych, co pozwala obserwowa wizualnie, fotografowa, bd rejestrowa w technice filmowej struktury przepływu. Zasilanie rurocigów ciecz zapewnia układ urzdze, w skład których wchodz zbiorniki magazynowe oraz wielostopniowa pompa wirowa (rys. 3). W jednym ze zbiorników zainstalowane jest mieszadło migłowe, co umoliwia przygotowywanie cieczy badawczych, którymi mog by roztwory wodne rónych substancji. Precyzyjne wyznaczenie objtociowego natenia przepływu tłoczonej do rurocigów badawczych cieczy umoliwiaj zainstalowane przepływomierze elektromagnetyczne. Przy zastosowaniu pompy typu Grundfoss CRN 45, maksymalna warto strumienia objtoci tłoczonej do rurocigu cieczy - o lepkoci zblionej do lepkoci wody - wynosi ok. 50 m 3 /h. Zastosowanie sprarki rubowej typu DMD 100 CR pozwala uzyska strumie objtociowy powietrza o cinieniu ok. 7 bar, przy przepływie wynoszcy ok. 1000 l/min. Uzyskane wyej wymienione strumienie objtociowe gazu i cieczy umoliwiaj obserwacj w instalacji wszystkich rodzajów reimów przepływu dwufazowego wystpujcych w warunkach przemysłowych - poczwszy od przepływu pcherzykowego, a po przepływ piercieniowy. Gaz dostarczany jest do zainstalowanych na rurocigach dystrybutorów z instalacji cinieniowej, której głównym elementem jest sprarka rubowa, wyposaona w układ filtracji powietrza. Pomiar strumienia przepływajcego gazu umoliwiaj dwa precyzyjne przepływomierze masowe o rónych zakresach pomiarowych. Odcinki pomiarowe rurocigów wyposaone s w szybkie zawory pneumatyczne sterowane elektrycznie, zainstalowane na pocztku i na kocu kadego z tych odcinków. Zawory te, zamykajc si jednoczenie, pozwalaj zatrzyma w sekcji testowej rurocigu porcj mieszaniny dwufazowej, co nastpnie umoliwia dokładny pomiar udziałów poszczególnych jej składników (udziałów faz). Udział objtociowy poszczególnych faz mona oszacowa mierzc objto fazy ciekłej w zamknitej sekcji pomiarowej rurocigu pionowego, bd okrelajc objto cieczy, niezbdn do wyparcia fazy gazowej z zamknitej sekcji pomiarowej rurocigu poziomego. Spadki cinienia

84 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos podczas przepływu mieszaniny dwufazowej zainstalowanych manometrów elektronicznych. a) mierzone s za pomoc b) Rys 3. Fotografie zbudowanych instalacji badawczych: a) instalacja badawcza przepływu dwufazowego, b) zbiorniki magazynowe mieszanin cieczy 4. KONSTRUKCJA CZUJNIKÓW POJEMNO CIOWYCH DO BADANIA SUBSTANCJI O WYSOKICH WARTO CIACH STAŁEJ ELEKTRYCZNEJ Elektryczna tomografia pojemno ciowa powszechnie stosowana jest w wielu gał ziach przemysłu (np. w przemysł energetyczny i rafineryjny, a tak e transport pneumatyczny materiałów sypkich) do diagnozowania rozkładu g sto ci materiałów, których stała wzgl dna przenikalno ci elektrycznej r przewa nie nie przekracza 5. Jednak w przemy le chemicznym czy farmaceutycznym cz sto stosowane s ciecze charakteryzuj ce si znacznie wy sz warto ci przenikalno ci elektrycznej (np. 41 dla alkoholu etylowego i około 80 dla wody demineralizowanej). Skuteczne pomiary tak du ych warto ci dla cieczy w porównaniu z bardzo małymi warto ciami przenikalno ci dla powietrza lub ciał stałych (rz d od 1 do kilku) stanowi powa ny problem dla ECT. Dlatego te, zazwyczaj do badania przepływów tego rodzaju cieczy u ywa

Bezinwazyjne badania zjawisk dynamicznych 85 si elektrycznej tomografii impedancyjnej lub rezystancyjnej, które wymagaj fizycznego kontaktu z badanym medium. Wymóg kontaktu ogranicza niestety wachlarz ich zastosowa. Przeprowadzone dowiadczenie z wykorzystaniem czujnika zbudowanego z 12 elektrod umieszczonych po zewntrznej stronie (rys. 4a) rury z PCV ( r = 5) polegało na zalaniu pustego wntrza czujnika wod demineralizowan ( r = 80). Z analizy danych pomiarowych wynika, e dla elektrod znajdujcych si blisko siebie (ssiadujcych ze sob oraz niektórych odległych od siebie o 2 elektrody) pojemno zmierzona dla czujnika wypełnionego jest mniejsza ni dla czujnika pustego. Zjawisko to wystpuje wyłcznie w przypadku czujników zewntrznych, gdy stosunek wartoci przenikalnoci elektrycznej dla materiału, z którego zbudowana jest cianka oraz dla materiału znajdujcego si wewntrz jest wiksza od ok. 8 [10]. W takiej sytuacji efekt nieliniowego rozkładu pola elektrycznego pomidzy bliskimi elektrodami jest dodatkowo wzmacniany. Efekt ten jest tym silniejszy, im grubsza jest cianka. a) b) Rys 4. Schemat budowy czujnika dla elektrycznego tomografu pojemnociowego: a) z elektrodami zewntrznymi, b) z elektrodami wewntrznymi Aby wyeliminowa problem nieliniowego rozkładu pola, został zbudowany czujnik składajcy si z 12 elektrod wewntrznych (rys. 4b). Elektrody wraz z ekranem wewntrznym zostały wytrawione na jednowarstwowej elastycznej płytce drukowanej (ang. flexpcb) zgodnie z projektem przedstawionym na rys. 5. W celu minimalizacji efektu utleniania miedzi została ona pokryta cienk warstw złota. Łczna długo płytki wynosi 328,5 mm. Elektrody maj długo 50 mm I szeroko 23,5 mm. Pasy ekranu pomidzy elektrodami maj szeroko 2 mm, a odstp elektrod od ekranu wynosi 1 mm. Pas ekranu powyej i poniej elektrod wynosi 19 mm.

86 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos Rys 5. Projekt elastycznej płytki drukowanej dla czujnika wewntrznego Opracowany czujnik został umieszczony wewntrz rury z PCV. Podobnie, jak w przypadku czujnika zewntrznego, zmierzono wartoci minimalne przy pustym wntrzu czujnika pomiarowego oraz maksymalne dla czujnika pomiarowego wypełnionego wod demineralizowan. Analiza tych danych potwierdziła fakt, e przy zastosowaniu wewntrznego czujnika pomiarowego nie wystpuje problem przerostu odczytów pomiarowych dla wartoci minimalnych nad maksymalnymi, który wystpował przy czujniku zewntrznym dla elektrod umiejscowionych bliej siebie. Co wicej, rónice pomidzy wartociami maksymalnymi i minimalnymi były wystarczajco due, aby zapewni wiksz dokładno pomiarów poprzez popraw stosunku sygnału do szumu (SNR). Otrzymany efekt dowiadczenia potwierdził w zwizku z tym skuteczno przyjtej strategii pomiarowej, czyli udowodnił moliwo stosowania, ECT jako metody pomiarowo-badawczej w odniesieniu do przepływów typu ciecz-gaz, nawet dla cieczy o wysokich wartociach stałej elektrycznej. 5. PODSUMOWANIE W niniejszym artykule autorzy przedstawili opracowane stanowisko badawcze składajce si z instalacji do bada przepływów dwufazowych gazciecz, umoliwiajcej przeprowadzanie eksperymentów zarówno dla przepływów pionowych, jak i poziomych. Przygotowany system wykorzystuje elektryczn tomografi pojemnociow oraz szereg klasycznych czujników pomiarowych do monitorowania przepływów, a w dalszej perspektywie take kamery. Pocztkowo wykorzystywany czujnik zewntrzny z powodu nadmiernego efektu nasycania z powodu nieliniowego zachowania pola elektrycznego dla przyległych elektrod nie nadawał si do badania przepływów, w których wystpowały ciecze o duych wartociach stałej elektrycznej. Jednak zaproponowany dedykowany czujnik z elektrodami wewntrznymi spełnił postawione wymagania. Przy uyciu skonstruowanego czujnika wykonano seri

Bezinwazyjne badania zjawisk dynamicznych 87 wstpnych eksperymentów, które potwierdziły skuteczno ECT jako metody badawczej w odniesieniu do przepływów typu ciecz-gaz, a take wykazały wysok dokładno proponowanego rozwizania w porównaniu z innymi metodami opartymi o pomiar spadku cinienia i siły Coriolisa. PODZIKOWANIA Autorzy dzikuj za wsparcie bada poprzez projekt naukowo-badawczy pt. Uzyskanie doskonałoci w badaniach naukowych i przemysłowych zastosowaniach bezinwazyjnych systemów diagnostycznych nr 167/6, PR UE/2007/7. Projekt finansowany jest przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego RP i wspomaga realizacj projektu DENIDIA. Autorzy artykułu Bartosz Matusiak i Jakub Betiuk s stypendystami projektu Innowacyjna dydaktyka bez ogranicze zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej zarzdzanie uczelni, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacnianie zdolnoci do zatrudniania, take osób niepełnosprawnych współfinansowanego przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. LITERATURA [1] Nguyen N. L., Van Buren V., Von Garnier A., Hardy E.H., Reimert R.: Application of magnetic resonance imagining (MRI) for investigation of fluid dynamics in trickle bed reactors and of droplet separation kinetics in packed beds. Chem. Eng. Sci. No. 60, 2005, pp. 6289 6297. [2] Dudukovic M. P.: Opaque multiphase reactors: experimentation, modeling and troubleshooting. Oil Gas Sci. Tech. No. 54, 2000, p. 135. [3] Grimley T.A.: Metering Research Facility Program Coriolis Mass Flow Meter Performance with Natural Gas, Gas Research Institute 01/2002. Report No. GRI-01/0222, GRI Contract No. 8346. [4] Lazzaroni C.L., Keselman H. R., Figoli N. S.: Colorimetric evaluation of the efficiency of liquid solid contacting in trickle flow. Ind. Eng. Chem. Res. No. 27, 1988, pp. 1132 1135. [5] Schubert M., Hessel G., Zippe C., Lange R., Hampel U.: Liquid flow texture analysis in trickle bed reactors using high-resolution gamma ray tomography, Chem. Eng. Journal No. 140, 2008, pp. 332 340. [6] Van der Merwe W., Nicola W., De Beer F.: Trickle flow distribution and stability by X-ray radiography, Chem. Eng. Sci. No. 132, 2007, pp. 47-59. [7] Beck M. S., Byars M., Dyakowski T., Waterfall R., He R., Wang S.J., Yang W.Q.: Principles and industrial applications of electrical capacitance tomography, Measurement and Control No. 30, 1997, pp. 197-200.

88 B. Matusiak, J. Betiuk, A. Romanowski, H. Fidos [8] Yang W. Q., Peng L.: Image reconstruction algorithms for electrical capacitance tomography, Meas. Sci. Technol. No. 14, 2003, pp. 1-14. [9] Matusiak B., da Silva M. J., Hampel U., Romanowski A.: Measurement of Dynamic Liquid Distributions in a Fixed Bed Using Electrical Capacitance Tomography and Capacitance Wire-Mesh Sensor, Ind. Eng. Chem. Res. No. 49, 2010, pp. 2070 2077. [10] Jaworski A., Bolton G.: The design of an electrical capacitance tomography sensor for use with media of high dielectric permittivity, Meas. Sci. Technol. No. 11, 2000, pp. 743 757. NONDESTRUCTIVE INVESTIGATING OF DYNAMIC PHENOMENA IN GAS LIQUID TWO-PHASE FLOWS IN INDUSTRY PROCESSES Summary Gas-liquid two-phase flows can be found in many industry processes. For many years researchers are developing methods for monitoring dynamic phenomena in these processes but still not all the problems were solved. Last years, tomographic techniques were used widely for these purposes. The most common is Electrical Capacitance Tomography, which enables the possibility to monitor the distribution of relative electrical constant inside the investigating vessel. In this paper, authors present an experimental setup consisting of process installation feasible to monitor gas-liquid two-phase flows using Electrical Capacitance Tomography and a specially developed sensor with internal electrodes. Politechnika Łódzka Katedra Informatyki Stosowanej