一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法技术

本发明专利技术公开了一种在线压力信号解析的多相流场量测及气‑液传质增效控制方法。本发明专利技术属于多相流传质过程控制领域，涉及一种基于压力波动信号的采集、解析及流场传质控制方法。反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；本发明专利技术对封闭的多相反应系统，通过在壁面采集压力波动信号可直接解析获取控制反应过程的流场宏观及局部状态信息。通过将流态参数和传质动力学关联分析，可在提升曝气搅拌能耗的有效利用基础上改善传质反应效率，为改良曝气操作工况或设备设计提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法
本专利技术属于多相流传质过程控制领域，涉及一种基于流场压力波动信号的采集、解析及气-液传质增效控制方法。技术背景曝气多相流反应过程常见于环境工程、石油化工及生物化工等领域，通过曝气能耗驱动同时达成气体反应物的迅速吸收与混合反应，其中气-液相间传质是促成多相流反应过程的关键环节，因为传质供给不足会导致反应效能低下，而传质相对过快会造成曝气能耗的无畏浪费。总传质系数和曝气搅拌驱动的流场运动状况密切关联，研究准确易判断的动态流场过程参数获得方法，可量化关联解析与控制在环境工程领域中涉及到的曝气能耗与传质效率问题(如曝气生物反应池、臭氧水处理单元等)，对多相流反应器的合理设计和优化运行参数具有现实意义。由于多相流体系内各因素间复杂的相互作用，使得流体力学行为具有时域变化性、无规则性、随机性等复杂特点。多数相关研究由于受测量手段和应用理论局限仅限于在系统处于稳定状态的假设前提下进行过程分析，而通过动态流场环境均时行为的研究，可对多相流体系的流场行为进行更为明确的量测和表征。时间序列信息是多相体系某个参数的时间序列所反映的流场行为特征，其中压力波动信号(PFS)作为一类更为准确、易获得、干扰小的瞬时信号具有潜在的可获取分析价值。应用压力传感分析技术可在伴随复杂相间作用的多相流场中获得较为明确的流体状态参数。利用在线PFS信息分析可直接量化反映出流场的宏观及局部气/液接触运动情况，包括气含率、接触时间及强度、湍流尺度、流型判断等重要参数，能为反应器设计和运行提供直观而有用的参考价值。另外多相反应过程多发生在封闭体系内，通过在反应器壁原位放置传感探针便可很容易获得在线PFS数据，可有效对放大规模反应器的流场状态量测与传质控制提供指导意义。总而言之，基于压力波动信号(PFS)的解析方法具有多方面用途，包括流场特性在线量测及表征、过程监控及诊断、传质增效反馈控制等，能够对多相反应系统的合理控制发挥重要作用。
技术实现思路
本专利技术提出通过在线压力波动信息获取及解析方法表征曝气多相流体系的动态流场行为，在高频次捕获流场中压力响应波动的时域频谱信息基础上，提取压力信号的时间序列几何平均值，并计算获得可控制气-液传质效能的相关过程流场参数。再根据实际反应体系的特征和需求，进行有针对性的过程诊断和反馈控制。在对曝气塔反应器的实际操作过程中，由于缺乏对相关流体参数的控制，使得大部分的气体分子没有被液相有效吸收而脱离反应器，客观上造成了曝气能耗的大量浪费；本专利技术基于压力响应波动解析所获取的流场状态参数，可根据实际反应需要有针对性的进行过程诊断及反馈控制，在实现目标反应效能的前提下，可有效控制提升曝气能量耗散的利用效率(节约能耗)；曝气反应过程中由于溶液对气体分子的强烈吸收消耗，使得对气-液传质过程的直接量测及控制存在很大难度。可先通过设计无反应的曝气传质实验，在明确气-液传质与流场状态关联性的基础上，在设定过程控制方案。本专利技术的技术方案：一种基于在线压力信号解析的多相流场量测及反馈控制方法，多相流场量测及反馈控制方法所用反应装置，反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；所述的A/D转换器为ISA总线微机接口板；步骤如下：1)特征参数获取方法压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入计算机，获得曝气流体环境下压力波动随时间变化的二维图像，根据二维图像计算获取压力波动的几何平均值①气含率在反应器中气含率直接受表观气速影响，并且影响有效气-液接触面积的气-液传质行为密切相关，气含率还可间接反映出伴随曝气过程的小气泡间聚并或大气泡分解等行为，具有较为丰富的物理意义。气含率是表征上升气泡在体相的停留状态，对于气-液两相体系或固/液密度相对接近且处于均匀流化状态的多相流体系，气含率εg用公式(1)计算：其中：h0是无曝气的液柱高度m；h是当量液位高度m，即为在一定曝气条件下的液柱高度m；压力波动的几何平均值与无曝气的液柱高度h0为正相关关系，相关系数大于0.998，绘制线性图；将一定曝气条件下测量得到的值代入线性图，得到此曝气条件下的当量液位高度h；②气/液接触时间气/液接触时间是多相流气体传质吸收过程的控制因素，根据气含率确定气相在三相体系中的接触反应体积(Vg,m3)，如公式(2)所示：其中：VL表示液相体积(m3)；关联Vg与曝气强度(Q，m3/s)得到实际的气/液接触反应停留时间(t，s)，如公式(3)所示：③气/液滑移强度气/液滑移强度是表征上升气泡群相对液相运动速率，也是影响气/液接触时间和多相流体系快速混合传质能力的参数；在曝气状态下，上升气泡群经过压力传感器产生压力波动图，记录此刻时间为τ1；当此气泡群继续上升至下一个压力传感器，产生相同或及其相似的压力波动图，记录此刻时间为τ2；根据公式(4)得出气/液滑移强度Us(m/s)其中：L表示两个相邻压力传感器的垂直安装距离(m)；④曝气能量耗散功率多相反应体系的搅拌与传质是在曝气能量耗散驱动下完成的，将曝气能耗关联传质效能是评价体系动力效率的重要方面，曝气能量耗散功率δ通过公式(5)得到其中：p0为标准大气压(kN/m3)；v0为标准大气压对应的空气体积(m3/s)；pc为曝气口处的压强(kN/m3)；基于气压和液柱具有线性的对应关系，即1个大气压相当于10.336m水柱，根据当量液位高度h换算得曝气口处的气压值，即为曝气口处的压强pc；⑤湍流尺度搅拌扩散完成多相流体系的宏观混合，在相界面的Kolmogorov定理微观尺度漩涡内，传质强度由分子扩散控制，控制湍流尺度λ也是强化传质的重要途径，通过公式(6)计算获得，其中：ν为流体运动粘度(m2/s)；ρ为流体密度(kg/m3)；2)在实际含填料的三相流体系中进行曝气测试，即无溶质反应，记录溶解气体浓度随时间的变化动力学曲线，并计算获得总气-液传质系数kLa，如方程(7)所示：其中：C为t时刻的溶解气体浓度；C*为实际温度下的饱和气体浓度；调节三相流体系中的曝气强度，获得压力波动的几何平均值进而获得气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度；以kLa为变量参照：kLa通过在线溶氧仪追踪溶解氧浓度随时间变化，根据方程(7)得到；随曝气强度的逐渐变化，气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率、湍流尺度以及kLa均有改变；以kLa为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到具有对应变化规律的曲线；用相同的方法分别以气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到对应变化规律的曲线，将上述特征参数对应的变化规律与kLa的变化规律比较，与kLa的变化规律最接近的特征参数作为影响传质的控制参数；控制参数有1个或多个；按照上述确定的控制参数，在调节相同曝气强度前提下，改变曝气塔反应器设计参数：a.曝气塔反应器尺寸及流体负荷；b.曝气方式；c.布气板位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在线压力信号解析的多相流场量测及气‑液传质增效控制方法，其特征在于，多相流场量测及反馈控制方法所用反应装置，反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；所述的A/D转换器为ISA总线微机接口板；步骤如下：1)特征参数获取方法压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入计算机，获得曝气流体环境下压力波动随时间变化的二维图像，根据二维图像计算获取压力波动的几何平均值

【技术特征摘要】
2015.12.29 CN 20151102453911.一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法，其特征在于，多相流场量测及反馈控制方法所用反应装置，反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；所述的A/D转换器为ISA总线微机接口板；步骤如下：1)特征参数获取方法压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入计算机，获得曝气流体环境下压力波动随时间变化的二维图像，根据二维图像计算获取压力波动的几何平均值①气含率气含率是表征上升气泡在体相的停留状态，对于气-液两相体系或固/液密度相对接近且处于均匀流化状态的多相流体系，气含率εg用公式(1)计算：其中：h0是无曝气的液柱高度m；h是当量液位高度m，即为在一定曝气条件下的液柱高度m；压力波动的几何平均值与无曝气的液柱高度h0为正相关关系，相关系数大于0.998，绘制线性图；将一定曝气条件下测量得到的值代入线性图，得到此曝气条件下的当量液位高度h；②气/液接触时间气/液接触时间是多相流气体传质吸收过程的控制因素，根据气含率确定气相在三相体系中的接触反应体积，如公式(2)所示：其中：VL表示液相体积；关联Vg与曝气强度得到实际的气/液接触反应停留时间，如公式(3)所示：③气/液滑移强度气/液滑移强度是表征上升气泡群相对液相运动速率，也是影响气/液接触时间和多相流体系快速混合传质能力的参数；在曝气状态下，上升气泡群经过压力传感器产生压力波动图，记录此刻时间为τ1；当此气泡群继续上升至下一个压力传感器，产生相同或及其相似的压力波动图，记录此刻时间为τ2；根据公式(4)得出气/液滑移强度Us其中：L表示两个相邻压力传感器的垂直安装距离；④曝气能量耗散功率多相反应体系的搅拌与传质是在曝气能量耗散驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张硕，孙力平，郑剑锋，樊平平，邢悦，樊雪峰，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津,12