[發明專利]一種在線壓力信號解析的多相流場量測及氣-液傳質增效控制方法

有效

• 申請號: 201610223322.1
• 申請日: 2016-04-12
• 公開（公告）號: CN106933262B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 張碩;孫力平;鄭劍鋒;樊平平;邢悅;樊雪峰
• 申請（專利權）人: 天津城建大學
• 主分類號: G05D7/06
• 分類號: G05D7/06;G01M10/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種在線壓力信號解析的多相流場量測及氣-液傳質增效控制方法，其特征在于，

多相流場量測及反饋控制方法所用反應裝置，反應裝置主體為圓柱形曝氣塔反應器，曝氣塔反應器底部設有布氣板，距離曝氣塔反應器塔底0.1m向上等間距垂直設置多個壓力傳感器，壓力傳感器采集到的數據通過A/D轉換器將模擬信號轉化為數字信號輸入計算機；曝氣塔反應器塔底連接空壓機，曝氣塔反應器內填充粒狀活性碳顆粒；所述的A/D轉換器為ISA總線微機接口板；

步驟如下：

1)特征參數獲取方法

壓力傳感器采集到的數據通過A/D轉換器將模擬信號轉化為數字信號，再將數字信號輸入計算機，獲得曝氣流體環境下壓力波動隨時間變化的二維圖像，根據二維圖像計算獲取壓力波動的幾何平均值

①氣含率

氣含率是表征上升氣泡在體相的停留狀態，對于氣-液兩相體系或固/液密度相對接近且處于均勻流化狀態的多相流體系，氣含率ε_g用公式(1)計算：

其中：h₀是無曝氣的液柱高度m；h是當量液位高度m，即為在一定曝氣條件下的液柱高度m；壓力波動的幾何平均值與無曝氣的液柱高度h₀為正相關關系，相關系數大于0.998，繪制線性圖；將一定曝氣條件下測量得到的值代入線性圖，得到此曝氣條件下的當量液位高度h；

②氣/液接觸時間

氣/液接觸時間是多相流氣體傳質吸收過程的控制因素，根據氣含率確定氣相在三相體系中的接觸反應體積，如公式(2)所示：

其中：V_L表示液相體積；

關聯V_g與曝氣強度得到實際的氣/液接觸反應停留時間，如公式(3)所示：

其中：Q表示曝氣強度；

③氣/液滑移強度

氣/液滑移強度是表征上升氣泡群相對液相運動速率，也是影響氣/液接觸時間和多相流體系快速混合傳質能力的參數；在曝氣狀態下，上升氣泡群經過壓力傳感器產生壓力波動圖，記錄此刻時間為τ₁；當此氣泡群繼續上升至下一個壓力傳感器，產生相同或及其相似的壓力波動圖，記錄此刻時間為τ₂；

根據公式(4)得出氣/液滑移強度U_s

其中：L表示兩個相鄰壓力傳感器的垂直安裝距離；

④曝氣能量耗散功率

多相反應體系的攪拌與傳質是在曝氣能量耗散驅動下完成的，曝氣能量耗散功率δ通過公式(5)得到

其中：p₀為標準大氣壓；v₀為標準大氣壓對應的空氣體積；p_c為曝氣口處的壓強；

基于氣壓和液柱具有線性的對應關系，即1個大氣壓相當于10.336m水柱，根據當量液位高度h換算得曝氣口處的氣壓值，即為曝氣口處的壓強p_c；

⑤湍流尺度

攪拌擴散完成多相流體系的宏觀混合，在相界面的Kolmogorov定理微觀尺度漩渦內，傳質強度由分子擴散控制，通過公式(6)計算獲得，

其中：ν為流體運動粘度；ρ為流體密度；

2)在實際含填料的三相流體系中進行曝氣測試，即無溶質反應，記錄溶解氣體濃度隨時間的變化動力學曲線，并計算獲得總氣-液傳質系數k_La，如方程(7)所示：

其中：C為t時刻的溶解氣體濃度；C^*為實際溫度下的飽和氣體濃度；

調節三相流體系中的曝氣強度，獲得壓力波動的幾何平均值進而獲得氣含率、氣/液接觸時間、氣/液滑移強度、曝氣能量耗散功率和湍流尺度；以k_La為變量參照：k_La通過在線溶氧儀追蹤溶解氧濃度隨時間變化，根據方程(7)得到；隨曝氣強度的逐漸變化，氣含率、氣/液接觸時間、氣/液滑移強度、曝氣能量耗散功率、湍流尺度以及k_La均有改變；以k_La為縱坐標，曝氣強度為橫坐標，得到具有對應變化規律的曲線；用相同的方法分別以氣含率、氣/液接觸時間、氣/液滑移強度、曝氣能量耗散功率和湍流尺度為縱坐標，曝氣強度為橫坐標，得到對應變化規律的曲線，將上述特征參數對應的變化規律與k_La的變化規律比較，與k_La的變化規律最接近的特征參數作為影響傳質的控制參數；控制參數有1個或多個；

按照上述確定的控制參數，在調節相同曝氣強度前提下，改變曝氣塔反應器設計參數：a.曝氣塔反應器尺寸及流體負荷；b.曝氣方式；c.布氣板位置、孔徑或孔間距；對每次設計參數的改變均確定相應條件下影響傳質的控制參數；在一定的曝氣強度下，建立多組正交的曝氣工況數據，并進行統計分析，以控制參數為主要參照，確定曝氣塔反應器的最佳設計條件，即滿足在相同的曝氣能耗基礎上最大化提升氣-液傳質效率。