MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法技术

本发明专利技术涉及MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法，通过分析纯气动条件下气泡生成过程，建立气泡破碎器内的能量转化模型；基于气泡破碎器内的能量转化模型和液体循环，计算液体流量，获取气液强烈混合区能量耗散率、气泡尺度，最终获取相界面积计算模型。本发明专利技术的方法针对MIHA建立了纯气动操作条件下相界面积调控模型，综合反映了反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对相界面积的影响，可实现对反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导，指导设计高效的反应器结构和反应体系。

Modeling Method of Phase Interface Area Regulation Model for MIHA Pure Pneumatic Operation

The present invention relates to the modeling method of phase interface area control model under MIHA pure pneumatic operation conditions. By analyzing the process of bubble formation under pure pneumatic conditions, the energy conversion model in a bubble crusher is established. Based on the energy conversion model in a bubble crusher and the liquid circulation, the liquid flow rate is calculated, the energy dissipation rate and bubble size in a gas-liquid strong mixing zone are obtained, and the phase interface area is finally obtained. Computational model. The method of the invention establishes a phase interface area control model for MIHA under pure pneumatic operation conditions, comprehensively reflects the influence of reactor structure, system physical properties and operation parameters, as well as input energy on phase interface area, which can guide reactor design and MIHA reaction system design, and guide the design of efficient reactor structure and reaction system.

【技术实现步骤摘要】
MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法
本专利技术属于反应器、建模
，具体涉及MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法。
技术介绍
出于对全球环境保护的考虑，船用燃料油须降低硫含量，如公海船用燃料油含硫量须降至0.5％，因此，用低硫馏分燃料油替代高硫残渣燃料油势在必行。原油中大部分硫存在于渣油中，渣油中的硫主要分布在芳烃、胶质和沥青质中，其中绝大部分硫以五元环的噻吩和噻吩衍生物的形式存在。一般是采用通过氢解反应将渣油大分子的C-S键断开，使硫转化为硫化氢以脱除渣油中的硫。存在于非沥青质中的硫，在加氢条件下较容易脱除，可达到较高的转化深度。但由于沥青质是渣油中相对分子质量最大、结构最复杂、极性最强的大分子，其中的硫很难脱除，导致渣油加氢脱硫过程中的脱硫率有限。在渣油加氢脱硫反应(下称MIHA)过程中，含硫沥青质的转化至关重要。沥青质的核心部分是高度缩合的稠合芳香环系。其稠合芳香环系周围带有数量和大小不等的烷基、环烷基结构，是渣油中缩合度最大的组分，同时含有S、N、O、金属等杂原子，形态和分子结构复杂。在渣油加氢转化过程中，沥青质主要发生由大分子变成小分子的裂解和小分子脱氢聚合生成大分子的缩合两类方向相反的反应。本专利技术以沥青质加氢脱硫反应作为渣油加氢过程的模型反应，考察反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对气泡破碎器内相界面积的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法，以研究反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对相界面积的影响，从而实现对MIHA反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导。MIHA微气泡形成可采用三种方式，即：纯液动、纯气动以及气液联动。纯液动和纯气动操作条件下，体系运行以及微气泡形成所需能量完全由液体机械能或气体静压能提供；气液联动操作条件下，气体静压能和液体机械能同时提供体系运行及微气泡形成所需能量。本专利技术探讨了纯气动操作条件下气泡尺度调控模型建模方法，根据前述研究，相界面积和气含率以及微气泡Sauter平均直径d32相关，基于此，本专利技术的方法包括如下步骤：S100.分析纯气动条件下气泡生成过程，建立气泡破碎器内的能量转化模型；纯气动操作条件下，液体流量QL<<气体流量QG，在未通入气体前，气泡破碎器内充满静止反应液；假设体系液体为闭路循环，即整个过程中液体量不发生变化；由于气体的进入，导致部分液体将被迫进入气泡破碎器外循环管路；设定气泡破碎器长度为L，直径为D1，横截面积S1＝πD12/4；喷嘴直径为DN；作出假设如下：(1)稳态操作，操作压力Pm恒定；(2)由于实际操作压力较高，故忽略液体势能的变化以及气泡界面张力所引起的气泡内气体压力的变化；(3)由于气体密度远小于液体，故忽略输入气体的动能；以气泡破碎器为控制体，进行稳态条件下的能量衡算；在气动条件下，压力为PG0、体积流量为QG0的气体进入操作压力恒定为Pm的气泡破碎器时，气体释放部分静压能，转化为液体动能和气泡表面能；气体释放的静压能相当于气体对系统作功WG，依据作功定义可知：QG为气泡破碎器内气体流量，假设气体为理想气体，则依据理想气体状态方程可得：式(2)中，ρG0和MA(分别为进入破碎器的气体密度和气体摩尔质量；R和T分别为气体常数和气体温度；将式(2)代入式(1)并积分可得：令气泡破碎器气体入口处气体压力与操作压力之差为ΔP，即：ΔP＝PG0-Pm(32)由于ΔP＞0，因此，WG＜0，即气体进入气泡破碎器后其机械能将减小；由于气泡破碎器操作压力Pm恒定，且相对而言，液体重力势能可忽略，因此气体所减小的机械能将转化为液体动能以及气泡界面能；故由式(3)(4)可得如下关系：方程(5)等号左边为气体静压能的减小，即-WG；方程(5)等号右边两项分别为液体动能和气液界面能；其中，ρL和σL分别为液体密度和界面张力；UL为自破碎器流出的液体的线速度；d32为自气泡破碎器流出的气泡Sauter平均直径；依据质量衡算，QG与QG0有如下关系：由于ΔP＜＜Pm，因此QG≈QG0；初步计算表明，气液界面能值相对于液体动能值可以忽略，因此，方程(5)可简化为：S200.基于气泡破碎器内的能量转化模型和液体循环，计算液体流量；由于进出破碎器的液体为闭路循环，即进出液体流量相等，故有：QL＝ULS1(1-φG)(36)其中，气泡破碎器内气含率φG按下式计算：由(8)(9)式可得：UL为气泡破碎器内气液混合物的表观速度，将式(10)代入方程(7)可得：由方程(11)可计算因气体输入所产生的喷嘴直径处液体流量QL，由方程(7)可得：在纯气动操作条件下，QL<<QG，则将方程(11)简化为：由此得到：由理想状态方程可知，存在如下关系：将式(15)代入方程(14)可得：由方程(16)可知：气泡破碎器横截面积S1对液体循环流量QL影响更大；由于：式中VN为喷嘴处流速；当VN一定时，由式(16)和(17)可得：当DN一定时，由式(16)和(17)可得：由式(10)和(16)可得：由此完成纯气动条件下对QL的估算；S300.计算气液强烈混合区能量耗散率εmix；依据热力学第一定律可得：上式中，Lmix为气泡破碎内气液强烈混合区长度，m；λ1为气液体积流量之比，λ1＝QG/QL；K1为气泡破碎器喷嘴直径与破碎器直径之比，K1＝DN/D1；Lmix与液体最高流速在气泡破碎区中衰减直至消失的长度有关，液体最高流速在其衰减过程中，其中心线速度Ujm的衰减规律不受其周围气泡扰动的影响，并符合如下衰减规律：方程(22)中，x为气泡破碎器核心至最大速度处的水平距离。当Ujm衰减至气液混合物表观速度UL时，高速消失，之后将形成均匀气液混合物流；因此，Lmix为Ujm＝UL时的x值，即：对方程(23)化简后可得：将方程(24)代入(21)并化简后可得：联合式(16)(20)及方程(25)即可计算εmix。S400.计算MIHA内微气泡的气泡尺度；MIHA内微气泡d32可基于专利技术人的在先研究进行计算；dmax＝0.75(σL/ρL)0.6εmix-0.4(54)dmin＝11.4(μL/ρL)0.75εmix-0.25(55)其中，dmin为气泡最小直径；dmax为气泡最大直径；μL为液体动力粘度；S500.计算微气液体系相界面积；相界面积依据下式计算：本专利技术的另一目的在于提供上述方法构建的MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型。本专利技术的又一目的在于提供上述方法设计的反应器。本专利技术的反应器结构可参见专利技术人在先申请的专利CN106187660A，本专利技术中不再赘述。本专利技术中利用构建的模型反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对气泡尺度的影响，从而可根据需求进行相关的反应器结构参数设计。本专利技术的方法针对MIHA建立了纯气动操作条件下相界面积调控模型，综合反映了反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对相界面积的影响，可实现对反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导，指导设计高效的反应器结构和反应体系。附图说明图1是纯气动条件下气泡生成过程物理模型简图；图2是操作压力对相界面积a的影响；图3是操作温度对相界面积a的影响；图4是供气压差ΔP对相界面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S100.分析纯气动条件下气泡生成过程，建立气泡破碎器内的能量转化模型；纯气动操作条件下，液体流量QL<<气体流量QQ，在未通入气体前，气泡破碎器内充满静止反应液；假设体系液体为闭路循环，即整个过程中液体量不发生变化；由于气体的进入，导致部分液体将被迫进入气泡破碎器外循环管路；设定气泡破碎器长度为L，直径为D1，横截面积S1＝πD1

【技术特征摘要】
1.一种MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S100.分析纯气动条件下气泡生成过程，建立气泡破碎器内的能量转化模型；纯气动操作条件下，液体流量QL<<气体流量QQ，在未通入气体前，气泡破碎器内充满静止反应液；假设体系液体为闭路循环，即整个过程中液体量不发生变化；由于气体的进入，导致部分液体将被迫进入气泡破碎器外循环管路；设定气泡破碎器长度为L，直径为D1，横截面积S1＝πD12/4；喷嘴直径为DN；作出假设如下：(1)稳态操作，操作压力Pm恒定；(2)由于实际操作压力较高，故忽略液体势能的变化以及气泡界面张力所引起的气泡内气体压力的变化；(3)由于气体密度远小于液体，故忽略输入气体的动能；以气泡破碎器为控制体，进行稳态条件下的能量衡算；在气动条件下，压力为PG0、体积流量为QG0的气体进入操作压力恒定为Pm的气泡破碎器时，气体释放部分静压能，转化为液体动能和气泡表面能；气体释放的静压能相当于气体对系统作功WG，依据作功定义可知：QG为气泡破碎器内气体流量，假设气体为理想气体，则依据理想气体状态方程可得：式(2)中，ρG0和MA(分别为进入破碎器的气体密度和气体摩尔质量；R和T分别为气体常数和气体温度；将式(2)代入式(1)并积分可得：令气泡破碎器气体入口处气体压力与操作压力之差为ΔP，即：ΔP＝PG0-Pm(4)由于ΔP＞0，因此，WG＜0，即气体进入气泡破碎器后其机械能将减小；由于气泡破碎器操作压力Pm恒定，且相对而言，液体重力势能可忽略，因此气体所减小的机械能将转化为液体动能以及气泡界面能；故由式(3)(4)可得：方程(5)等号左边为气体静压能的减小，即-WG；方程(5)等号右边两项分别为液体动能和气液界面能；其中，ρL和σL分别为液体密度和界面张力；UL为自破碎器流出的液体的线速度；d32为自气泡破碎器流出的气泡Sauter平均直径；依据质量衡算，QG与QG0有如下关系：由于ΔP＜＜Pm，因此QG≈QG0；初步计算表明，气液界面能值相对于液体动能值可以忽略，因此，将方程(5)简化为：S200.基于气泡破碎器内的能量转化模型和液体循环，计算液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志炳，周政，田洪舟，王苏，李磊，张锋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32