[發明專利]一種微界面強化蒽醌法的工段模擬的建模方法

在審

• 申請號: 202310650907.1
• 申請日: 2023-06-02
• 公開（公告）號: CN116596157A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 張志炳;孫海寧;李磊;田洪舟;張宇杰;周政
• 申請（專利權）人: 南京延長反應技術研究院有限公司
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/067;G06Q50/04;G16C20/10
• 代理公司: 北京中索知識產權代理有限公司 11640
• 代理人: 隋曉勇

1.一種微界面強化蒽醌法的工段模擬的建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、構建氫化工段的傳質-反應模型：

將氫氣設定為組分A，選用平推流模型，對氣相中的氫氣進行質量衡算：氫氣的壓力梯度與氫氣的傳質速率相等，可得到：

式(1)中，P_A為氫氣的壓力，單位Pa；H_A為氫氣組分亨利系數，單位Pa·m³/mol；u_G為表觀氣速，單位m/s；ε為床層孔隙率；為氫氣在液相中的傳質系數，單位m/s；

將蒽醌混合物設定為組分B，選用平推流模型，對液相中的氫氣進行質量衡算：溶解氫的濃度梯度等于氫氣在氣-液和液-固界面上的傳質，對于液相組分而言，其濃度梯度等同于液-固傳質速率，可得到：

式(2)中，和為液相中溶解氫的濃度和催化劑表面氫氣的濃度，單位mol/m³；和為液相中蒽醌混合物的濃度和催化劑表面蒽醌混合物的濃度，單位mol/m³；u_l為表觀液速，單位m/s；a_s為固-液傳質相界面積，單位m²/m³；為氫氣在催化劑表面的傳質系數，單位m/s；為蒽醌混合物在催化劑表面的傳質系數，單位m/s；

通過液-固傳質的化合物會被消耗，由于反應處于穩態，傳質量等同于消耗量，可以得到如下方程：

式(3)中，γ為化學計量常數；

使用龍格庫塔法求解公式(1)-(3)，組成全塔模型，其中傳質參數使用微界面傳質構效調控模型；

S2、構建微界面傳質構效調控模型：

微界面體系液側傳質系數調控數學模型的一般形式為：

式(4)中，D_l為液相擴散系數，單位m²/s；d₃₂為氣泡平均直徑，單位m；v_G為表觀氣速，單位m/s；v_l為表觀液速，單位m/s；v₃₂為氣泡群上升速度，單位m/s，計算公式為：

式(5)中，V₀為無限大靜止液體中單個氣泡的上升速度，單位m/s，計算公式為：

式(6)中，g為重力加速度，單位m/s²；ρ_L為液體密度，單位kg/m3；σ_L為液體表面張力，單位N/m；c、n和K_b為與體系物性相關的常數，不具有明確意義，常使用經驗值；d_e為無量綱氣泡直徑，計算公式為：

d_e＝d₃₂(ρ_Lg/σ_L)^1/2??(7)；

式(6)中，M_O為Morton數，為無量綱參數，描述氣泡在液相中移動時的外形，計算公式為：

Mo＝gμ_L⁴/(ρ_Lσ_L³)?(8)；

式(8)中，μ_L為液相粘度，單位Pa·s；

則微界面氣液相界面積計算公式為：

式(9)中，ɑ為氣液相界面積，單位m²/m³；為氣含率；

則固液傳質系數及固液傳質相界面積計算公式為：

式(10)中，為i組分的固液傳質系數，單位m/s；為i組分的液相擴散系數，單位m²/s；G_L為液體質量流量，單位kg/m³；

S3、構建氧化工段的傳質-反應模型：

將雙模理論和平推流模型進行簡化，建立傳質-反應模型，將氧氣設定為組分C，對于進出微元氣相中的氧氣進行質量衡算，選用平推流模型，可得到：

式(11)、式(12)中，F_CI為進入微元體積的氧氣組分的摩爾流量，單位mol/s；F_CO為離開微元體積的氧氣組分的摩爾流量，單位mol/s；a為氣液相界面積，單位m²/m³；P_C為氧氣分壓，單位Pa；H_C為氧氣組分亨利系數，單位MPa·m³/mol；C_C為氧氣組分在液相中的濃度，單位mol/m³；S₀為反應器橫截面積，單位m²；Z為塔高，單位m；A_C為塔截面積，單位m²；Q_G0為氣相流量，單位m³/s；

將蒽醌混合物設定為組分B，對于進出微元液相中的蒽醌混合物組分進行質量衡算，選用平推流模型，可得到：

式(13)中，C_B為蒽醌混合物組分在液相中的濃度，單位mol/m3；Q_L0為液相流量，單位m³/s；k_ox為反應速率常數，單位s^-1；

氧氣穿過氣液界面后，假設傳質速率和反應速率相等，可以得到等式：

S4、建立氧化工段三塔工藝的求解方式：

結合氧化工段的傳質-反應模型，利用試差法，得到氧化工段三塔工藝的求解方式；

根據求解方法計算，得到離開第一氧化塔的氧氣分壓P_C(1，OUT)，以及離開第一氧化塔的蒽醌混合物濃度C_B(1，OUT)，進而實現對整個工段的模型的模擬。