高温液体流量检测系统及其在锌精馏中的应用 有色金属, 流量检测, 流体力学, 冶炼厂, 回收率

yuyang911220

摘要：鉴于高温液体的流量难以直接检测，利用软测量技术，提出了一种间接检测流量的方法——称重法。该方法根据流体力学中孔中出流的基本原理，得出重量与流量之间的数学模型，然后通过检测到的重量计算流量。该流量检测系统已成功地应用于某冶炼厂的锌精馏过程。实际运行结果表明，该方法的精度达到1.5%，满足实际生产要求。
在有色金属冶炼过程中，金属液体的流量是一个非常重要的工艺参数。例如在锌的精馏过程中，锌液流量的稳定与否直接影响精馏塔的寿命，而且对精锌的纯度及有价金属的回收率有着很大的影响。因此，采用合理的检测手段，精确地检测锌液流量，就成了锌冶炼厂亟待解决的问题。然而，在实际生产中，锌液的温度非常高（一般在600～650℃之间），而且具有较强的腐蚀性，因此不可能用一般的流量计检测其流量。虽然现在有许多高温流量计问世，但是还没有见到能够检测600℃以上流体流量的仪表的报道。
软测量技术就是通过软件的手段，实现对那些重要而又难以直接检测的变量的在线检测。其基本原理是根据某些最优准则，选择一组在工业上容易检测而且与主导变量（Primary Variable,即待测变量）有密切关系的辅助变量（Secondary Variable），通过构造某种数字关系，用计算机软件实现对主导变量的在线估计。目前，人们对软测量技术进行了广泛的研究，并取得了很大的成果[2～4]。
本文利用软测量技术，提出一种间接检测流量的方法——称重法。它以流体力学中孔口出流基本原理为依据，分析了影响流量的主要因素——液位高度（即液体重量）对流量的影响；通过孔口出流试验，获得不同重量下的流量值，然后利用最小二乘法，建立了流量与重量之间的数学模型，最后通过称重传感器检测到的重量值计算实际的流量。
1 流量检测原理
为了检测从熔炼炉流入精馏塔的锌液流量，在熔炼炉与精馏塔之间增加了一个过渡的方形流槽。锌液从熔炼炉流入流槽，然后从其侧壁的一个圆孔流出到精馏塔中。这样，单位时间内从圆孔流出的锌液重量就是所要检测的锌液流量。锌液从流槽的圆孔中流出，从流体力学的观点来看，实际上就是孔口出流。
1.1 孔口出流基本理论
液体经过孔口出流是一个广泛应用的实际问题，其基本原理可以用图1表示[1]。
容器中的液体在重力作用下，从其侧壁的小孔流出，根据流体力学的理论，此时的体积流量可以用公式（1）表示：

式中，Cd表示流量系数，A表示小孔的面积，g为重力加速度，H为液位高度。
1.2 称得法原理
由公式（1）可以看出，液体的体积流量Qv取决于流量系数Cd、孔口面积A及液位高度H。而影响Cd的主要因素是孔口雷诺数Re以及孔口形状及面积。而雷诺数Re又是由孔口形状、面积、液位高度及液体的动动粘度v共同决定的。对于圆孔，其孔口形状已经确定，因此影响Qv的主要因素就是液位高度H、孔口直径D和运行粘度v，用数学公式表示如下：
Qv=f(H,D,v)    （2）
然而，在锌的精馏过程中，锌液的表面会浮有一层氧化锌固体，其厚度不均匀，因此不便于测量流槽中锌液的液高度H。但是氧化锌的重量非常轻，对于流槽中的锌液来说，完全可以忽略，而测量流槽中锌液的重量是比较容量的。由于流槽的尺寸已知，因此其中锌液的液位高度H就与锌液（高出圆孔的那一部分）的重量和锌液密度的比值成正比。因此，（2）式可以改为：
QG=f'[G/(S·ρzn),D,v] ·ρzn    （3）
式中，QG表示锌液的重量流量，S表示流槽的底面积。
锌游人密度ρzn及运动粘度v都是由其温度决定的。在实际生产中，温度变化范围是600～650℃。这样可以知道密度变化范围为6.81～6.77g/ml，运动粘度变化范围为0.3568～0.3261μm2/s。因为它们的变化很小，对流量影响不大，可以视其为常量（后面的试验结果可以证明，这样的简化是合理的，不会对模型精度产生很大的影响）。另外，流槽的尺寸是固定的，也就是说，流槽底面积和孔口直径也是常量。这样，流量就只与重量有关，可用数字式表示为：
QG=f(G)    （4）
因此，只要找出流量与重量之间的关系，就可将流量检测问题转化成了重量检测问题。而重量的测量是比较容易的，这就是称重法的基本原理。
2 流量模型的拟合
2.1 孔口出流试验
为了找出流槽中锌液的流量与重量之间的关系，我们做了如下的孔口出流试验。先在流槽中装满锌液，然后打开圆孔，让锌液自由的流出。在锌液流出过程中，不停地测量流槽中锌液（高于小圆孔位置的那部分锌液）的重量。试验中，每隔一秒钟测量一次，直到流槽中锌液的液位与孔口持平（即锌液重量接近于零，此时，锌液不再外流）。设锌液的重量用G（t）表示，则其流量QG(t)可以表示为：
QG（t）=(d/dt)G(t)     (5)
由于试验中，采样间隔为1s，所以，锌液流量可以近似的表示为：
QG（t）=G(t)-G(t+1)     (6)
式中，G（t）、G（t+1）分别表示t和t+1时刻的锌液重量。这样，就可以得出在t时刻，锌液重量为G（t）时锌液的流量值。