[發明專利]基于系統動力學的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法

有效

• 申請號: 202010971143.2
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112100850B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 趙銳;李敏
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06Q10/04;G06F113/14
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 何凡

1.基于系統動力學的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、構建包括廢水、管材以及管材表面結垢物的廢水輸運管道結垢問題模型；

S2、識別廢水輸運管道結垢問題模型的關鍵影響因子；

S3、獲取廢水輸運管道結垢問題模型的系統數據；

S4、基于關鍵影響因子和系統數據確定結垢預測模型的主要變量，并找出變量間信息因果反饋機制，確定系統邊界，繪制系統因果回路圖；

S5、根據變量間信息因果反饋機制建立量化方程，確定量化方程中關鍵變量初始值及常量參數，利用計算機系統動力學軟件包將系統因果回路圖轉化為系統存量流量圖，得到結垢預測模型；

S6、通過計算機系統動力學軟件對結垢預測模型進行結垢預測仿真模擬，將模擬結果與結垢實驗結果進行對比，若模擬結果與結垢實驗結果的相對誤差小于10％，則結垢預測模型有效，進入步驟S7，否則返回步驟S5重新建立結垢預測量化方程，對結垢預測模型進行完善；

S7、采用結垢預測模型對高濃度有機廢水集輸管路結垢進行定量預測。

2.根據權利要求1所述的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法，其特征在于，所述步驟S2中廢水輸運管道結垢問題模型的關鍵影響因子包括廢水水質因子、流體動力學及熱力學因子和管材性質及結垢物性質因子；

所述廢水水質因子包括廢水總離子濃度、成垢離子濃度、碳酸根濃度、pH值、水溫和顆粒物濃度；

所述流體動力學及熱力學因子包括液體粘度、密度、流速、溫度、雷諾數、水力半徑、水力坡降、擴散系數、摩擦系數和反應速率；

所述管材性質及結垢物性質因子包括管徑、管材線性膨脹系數、表面粗糙度、表面能、壁面剪切應力、晶體粒徑、垢層厚度和顆粒間作用力。

3.根據權利要求1所述的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法，其特征在于，所述步驟S3中廢水輸運管道結垢問題模型的系統數據包括廢水水質參數、流體動力學及熱力學參數、管道材料參數和結垢物性質參數；

所述廢水水質參數通過廢水管道結垢實驗獲取；

所述流體動力學及熱力學參數通過查閱工業設計手冊以及廢水管道輸運實際工況調查與測試獲取；

所述管道材料參數通過查閱材料手冊和管材性能測試文件以及廢水管道輸運實際工況調查獲取；

所述結垢物性質參數通過廢水管道結垢實驗中結垢物性質表征以及文獻資料查詢獲取。

4.根據權利要求3所述的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法，其特征在于，所述廢水水質參數的具體獲取方法為：設計廢水流經管道時管材表面結垢實驗，實驗過程中監測廢水水質參數變化和管材結垢量，進行皮爾森相關性分析，得到各廢水水質參數影響因子與結垢量的相關性系數和顯著性水平，篩選得到影響結垢量的廢水水質參數。

5.根據權利要求1所述的高濃度有機廢水集輸管路結垢預測方法，其特征在于，所述步驟S5中的結垢預測模型具體為：

M_s＝INTEG(m_s-m_r) (1)

m_s＝kr*{0.5*(kr/R_r)+Δ_c-[0.25*(kr/R_r)²+(kr/R_r)*Δ_c]^0.5} (2)

Δ_c＝c-c_s (3)

kr＝(Sh*D)/Dh (4)

D＝0.79*10^-9 (6)

Sc＝μ_v/(D*ρ_F) (7)

ρ_F＝1.59*10^-5*T³-5.99*10^-3*T²-0.022*T-100 (8)

μ_v＝(0.0168*ρ_F*T^-0.88)/100 (9)

f＝0.0791/Re^0.25 (10)

r_sl＝F_a/[N_s*d_sl*(1+μ_e*T_sl)*d_c] (15)

F_a＝83.2*v^0.54*N_s (16)

c_s＝-3.97*10^-10*T³+1.28*10^-7*T²-1.67*10^-5*T+1.22*10^-3 (17)

P＝ZIDZ(P_h,R_r) (18)

R_r＝m_s*I_e (19)

c＝(c_i-c_p)/L_p (23)

c_i＝ZIDZ(P_h,M_s*R_r)*v_d (24)

Dh＝r_p/4 (25)

d_c＝1*10^-5 (26)

v＝0.1～2 (27)

其中，INTEG(·)表示積分函數，M_s表示結垢量，m_s表示結垢速率，m_r表示去除速率，kr表示質量傳質系數，R_r表示反應速率，Δ_c表示濃度差，c表示水溶液濃度，c_s表示成垢離子飽和濃度，T表示溫度，Sh表示Sherwood數，D表示擴散系數，Dh表示水力半徑，Re表示雷諾數，Sc表示Schmidt數，μ_v表示流體動力粘度，ρ_F表示流體密度，f表示摩擦因子，v表示管內流速，R_w表示粗糙度，J表示水力坡降，μ_f表示摩擦系數，r_F表示流體表面剪切應力，V表示摩擦速度，r_sl表示結垢層剪切強度，F_a表示晶體間粘附力，N_s表示污垢層缺陷數量，d_sl表示結垢層厚度，μ_e表示線性膨脹系數，T_sl表示結垢層間溫度，d_c表示結晶體尺寸，P表示反應生成物，ZIDZ(·)表示ZIDZ函數，表示P_h表示目標最大生成物，I_e表示其它因素對于結垢率的影響，表示碳酸根離子濃度，c_p表示管內污染物濃度，L_p表示污染物流過距離，c_i表示溶液離子濃度，v_d表示衰減速率，r_p表示管徑。