[發(fā)明專利]微界面強(qiáng)化反應(yīng)器氣泡尺度構(gòu)效調(diào)控模型建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710766435.0
• 申請(qǐng)日: 2017-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN107563051B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張志炳;田洪舟;周政;張鋒;李磊;王丹亮;李夏冰;王廣輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務(wù)所 32230
• 代理人: 徐蓓;尹妍

本發(fā)明涉及一種微界面強(qiáng)化反應(yīng)器氣泡尺度構(gòu)效調(diào)控模型建模方法，以微界面強(qiáng)化反應(yīng)器最大氣泡直徑d_max和最小氣泡直徑d_min為自變量，氣泡Sauter平均直徑d₃₂為因變量構(gòu)建了其數(shù)值關(guān)系；并基于Kolmogorov?Hinze理論，構(gòu)建了微界面強(qiáng)化反應(yīng)器最大氣泡直徑d_max、最小氣泡直徑d_min與反應(yīng)器參數(shù)間的關(guān)系。本發(fā)明的方法將反應(yīng)器氣泡尺度與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及物性參數(shù)用具體的數(shù)值關(guān)系聯(lián)系在了一起，對(duì)于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，并且可適用于多種反應(yīng)器，通用性好，利用本發(fā)明的建模方法構(gòu)建的氣泡尺度調(diào)控模型，可進(jìn)一步通過調(diào)整反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)以獲得反應(yīng)過程能效物效的最大化目標(biāo)，或者在給定反應(yīng)目標(biāo)和能耗物耗下，設(shè)計(jì)出高效的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工制造、反應(yīng)器、建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微界面強(qiáng)化反應(yīng)器氣泡尺度構(gòu)效調(diào)控模型建模方法。

背景技術(shù)

氧化、加氫、氯化等多相反應(yīng)在化工生產(chǎn)過程中廣泛存在，其宏觀反應(yīng)速率一般受制于傳質(zhì)過程。氣液反應(yīng)的傳質(zhì)速率主要受液側(cè)(或氣側(cè))傳質(zhì)系數(shù)及氣液相界面積a共同影響。已有研究表明，a對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響程度更大，且容易調(diào)控。因此，增大a被視為提高受傳質(zhì)控制的氣液反應(yīng)體系反應(yīng)效率的特別有效的途徑。

氣泡Sauter平均直徑d₃₂是決定a大小的關(guān)鍵參數(shù)之一，它們主要受氣泡間及氣液兩相間相互作用力影響。氣泡聚并和分裂則分別是上述兩種作用力的結(jié)果，并影響氣泡直徑的大小。因此，氣泡聚并和破裂作為氣泡的介觀尺度行為，是決定a大小的深層次原因。關(guān)于氣泡聚并和分裂行為的研究由來已久，普遍認(rèn)為能量耗散率和d₃₂是重要的影響因素。事實(shí)上，d₃₂能夠影響a及體積傳質(zhì)系數(shù)大小，是決定氣液宏觀反應(yīng)速率的核心因素^[1]。研究顯示，當(dāng)d₃₂逐漸減小時(shí)，體積傳質(zhì)速率逐漸增大；特別是當(dāng)d₃₂小于1mm時(shí)，體積傳質(zhì)速率隨d₃₂的減小以類似于指數(shù)形式較快增大。因此，盡可能地減小d₃₂能夠強(qiáng)化氣液傳質(zhì)并最終增大宏觀反應(yīng)速率。

鼓泡反應(yīng)器和攪拌-鼓泡反應(yīng)器是工業(yè)上最傳統(tǒng)和常用的氣液反應(yīng)器。如PX氧化制TA的塔式鼓泡反應(yīng)器，氣泡直徑通常大于10mm，乃至幾厘米級(jí)，其傳質(zhì)界面面積十分有限，因此必須將反應(yīng)器做得很大，以提高宏觀反應(yīng)速率，同時(shí)必須通過增加鼓氣量來促進(jìn)液體湍流，使氣含率提高，進(jìn)而增大界面面積，但此舉必然降低空氣中氧的利用率，增大壓縮機(jī)功率和尾氣排放，導(dǎo)致能耗過渡和物料損失及環(huán)境污染。從湍流動(dòng)力學(xué)角度看，傳統(tǒng)上用得最廣泛的攪拌-鼓泡式氣液反應(yīng)器內(nèi)大多形成對(duì)氣泡宏觀運(yùn)動(dòng)有影響但對(duì)氣泡破碎作用甚微的大渦，氣泡不能有效破碎，故氣泡直徑偏大，傳質(zhì)面積受限，以致反應(yīng)效率偏低。為強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，塔式鼓泡反應(yīng)器一般增設(shè)氣體分布板、靜態(tài)混合器等內(nèi)件以加強(qiáng)混合，而攪拌釜?jiǎng)t需安裝不同結(jié)構(gòu)的攪拌槳或內(nèi)筒等結(jié)構(gòu)，以增加液層的含氣量。盡管如此，這兩種反應(yīng)器內(nèi)的氣泡直徑通常為5～20mm，所提供的單位體積中的相界面積均十分有限，一般小于100m²/m³,故反應(yīng)效率不可能獲得突破性提高。因此，工業(yè)上經(jīng)常通過高溫高壓和加大氣量來提高氣含率和相界面積，但這對(duì)反應(yīng)過程的能耗、物耗及反應(yīng)選擇性都有重大的負(fù)面影響。

由于研發(fā)氣泡的微破碎技術(shù)十分重要，故最近10年來，英、美、德、日等國(guó)的大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注和研發(fā)超細(xì)氣泡技術(shù)^[2-11]，但其研究成果具有下列共同缺陷：

(1)采用機(jī)械破碎、流體撞擊、超聲等手段雖可得到一定量微米級(jí)尺度的氣泡，但氣液比(氣體體積與液體體積之比)太低，一般低于1％，上限不超過5％。此外，產(chǎn)生微氣泡的設(shè)備能耗和制造成本也太高。

(2)國(guó)內(nèi)外尚沒有基于液相為連續(xù)相且高度湍流的微氣泡體系特性，提出過系統(tǒng)化的微界面?zhèn)髻|(zhì)強(qiáng)化理論、微氣泡測(cè)試與表征方法、微界面強(qiáng)化反應(yīng)器構(gòu)效調(diào)控理論及相關(guān)數(shù)學(xué)模型。