MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法技术

本发明专利技术涉及MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法，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，最终获取传质计算模型。本发明专利技术的方法针对MIHA建立了纯气动操作条件下传质调控模型，综合反映了反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对传质的影响，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 Mass Transfer Control Model for MIHA Pure Pneumatic Operation

The present invention relates to the modeling method of mass transfer 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 finally the mass transfer calculation model is obtained. \u3002 The method of the invention establishes a mass transfer control model under pure pneumatic operation conditions for MIHA, comprehensively reflects the influence of reactor structure, physical properties of the system, operation parameters and input energy on mass transfer, and 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纯气动操作条件下传质调控模型建模方法
本专利技术属于反应器、建模
，具体涉及MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法。
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传质的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法，以研究反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对传质的影响，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传质调控模型建模方法，本专利技术的方法包括如下步骤：S100建立MIHA纯气动操作条件下微气泡上升速度模型；假设气泡和反应器内液体均竖直向上运动，反应器内的气泡平均上升速度v32基于下式计算：其中v0、vG和vL分别为气泡sauter平均直径为d32的气泡在无限大静止液体中的上升速度、表观气速和表观液速；对于v0，基于下式计算：其中，ρL和σL分别为液体密度和界面张力，Mo为Morton数，de为当量直径，Kb为方程参数；对于MIHA体系，取c＝1.4，n＝0.8；de＝d32(ρLg/σL)1/2(4)Kb＝Kb0Mo-0.038(5)其中，μL为液体动力粘度；对于MIHA体系，取Kb0＝10.2；对于vG和vL，基于下式计算：vG＝4QG/πD02(6)vL＝4QL/πD02(7)其中，QG为进气流量，QL为气泡破碎器中的液体循环流量，D0为反应器直径；S200建立MIHA纯气动操作条件下气相传质系数kG模型，如下：其中，d32为气泡sauter平均直径，t32为气泡在反应器内的停留时间，DG为气体在液体中的气相扩散系数；其中，H0为反应器内初始液面高度，φG为气泡破碎器内气含率；气相扩散系数DG基于Chapman-Enskog动理论的方程预测，如下：其中，MA和MB分别为气体和液体的摩尔质量，T为反应器内温度，PG为气泡内气体压力；忽略气泡内液体的饱和蒸气压时，PG近似等于液面上方的操作压力Pm；vi为分子扩散体积；S300建立MIHA纯气动操作条件下液相传质系数kL模型，如下：依据Higbie渗透理论及速度滑移理论所定义的表面更新时间，kL基于下式计算：其中，vs为气泡与其周围液体间的滑移速度，DL为液相扩散系数；DL基于Stokes-Einstein修正公式计算：其中，DAB为气体溶质A在溶剂B中的扩散系数，μB为B的粘度，VA为A在正常沸点时的摩尔体积，依据实际气体的vanderWaals对比态方程近似计算：其中，Pc、Tc、VA，C分别为A的临界压力、临界温度及临界摩尔体积；P，T分别为体系实际压力和温度；基于式(8)、(12)、(14)获取MIHA纯气动操作条件下传质调控模型。本专利技术的另一目的在于提供上述方法构建的MIHA纯气动操作条件下传质调控模型。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传质调控模型，综合反映了反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对传质的影响，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是操作压力对气相扩散系数DG的影响；图3是操作压力对气相传质系数kG的影响；图4是操作温度对气相扩散系数DG的影响；图5是操作温度对气相扩散系数DL的影响；图6是操作温度对气相传质系数kG的影响；图7是操作温度对气相传质系数kL的影响；图8是供气压差对气相传质系数kG的影响；图9是供气压差对气相传质系数kL的影响；图10是通气量QG对气侧传质系数kG的影响；图11是通气量QG对液侧传质系数kL的影响。具体实施方式下面结合附图说明和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步阐述。实施例1S100建立MIHA纯气动操作条件下微气泡上升速度模型；假设气泡和反应器内液体均竖直向上运动，根据申请人的在先研究，反应器内的气泡平均上升速度v32基于下式计算：其中v0、vG和vL分别为气泡sauter平均直径为d32的气泡在无限大静止液体中的上升速度、表观气速和表观液速；对于v0，基于下式计算：其中，ρL和σL分别为液体密度和界面张力，Mo为Morton数，de为当量直径，Kb为方程参数，当量直径和方程参数与物性有关，通过实验确定；对于MIHA体系，由于存在多种有机组分，取c＝1.4，n＝0.8；de＝d32(ρLg/σL)1/2(4)Kb＝Kb0Mo-0.038(5)其中，μL为液体动力粘度；对于MIHA体系，取Kb0＝10.2；对于vG和vL，基于下式计算：vG＝4QG/πD02(6)vL＝4QL/πD02(7)其中，QG为进气流量，QL为气泡破碎器中的液体循环流量，D0为反应器直径；S200建立MIHA纯气动操作条件下气相传质系数kG模型，如下：其中，d32为气泡sauter平均直径，m；t32为气泡在反应器内的停留时间，s；DG为气体在液体中的气相扩散系数，m2/s；其中，H0为反应器内初始液面高度，φG为气泡破碎器内气含率；气相扩散系数DG基于Chapman-Enskog动理论的方程预测，如下：其中，MA和MB分别为气体和液体的摩尔质量，T为反应器内温度，PG为气泡内气体压力；忽略气泡内液体的饱和蒸气压时，PG近似等于液面上方的操作压力Pm；vi为分子扩散体积，其数值可参照Fu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S100建立MIHA纯气动操作条件下微气泡上升速度模型；假设气泡和反应器内液体均竖直向上运动，反应器内的气泡平均上升速度v32基于下式计算：

【技术特征摘要】
1.一种MIHA纯气动操作条件下传质调控模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S100建立MIHA纯气动操作条件下微气泡上升速度模型；假设气泡和反应器内液体均竖直向上运动，反应器内的气泡平均上升速度v32基于下式计算：其中v0、vG和vL分别为气泡sauter平均直径为d32的气泡在无限大静止液体中的上升速度、表观气速和表观液速；对于v0，基于下式计算：其中，ρL和σL分别为液体密度和界面张力，Mo为Morton数，de为当量直径，Kb为方程参数；对于MIHA体系，取c＝1.4，n＝0.8；de＝d32(ρLg/σL)1/2(4)Kb＝Kb0Mo-0.038(5)其中，μL为液体动力粘度；对于MIHA体系，取Kb0＝10.2；对于vG和vL，基于下式计算：vG＝4QG/πD02(6)vL＝4QL/πD02(7)其中，QG为进气流量，QL为气泡破碎器中的液体循环流量，D0为反应器直径；S200建立MIHA纯气动操作条件下气相传质系数kG模型，如下：其中，d32为气泡sauter平均直径，t32为气泡在反应器内的停留时间，DG为气体在液体中的气相扩散系数；其中，H0为反应器内初始液面高度，φG为气泡破碎器内气含率；气相扩散系数DG基于Chapman-Enskog动理论的方程预测，如下：其中，MA和MB分别为气体和液体的摩尔质量，T为反应器内温度，PG为气泡内气体压力；忽略气泡内液体的饱和蒸气压时，PG近似等于液面上方的操作压力Pm；υi为分子扩散体积；S300建立MIHA纯气动操作条件下液相传质系数kL模型，如下：依据Higbie渗透理论及速度滑移理论所定义的表面更新时间，kL基于下式计算：其中，νs为气泡与其周围液体间的滑移速度，DL为液相扩散系数；DL基于Stokes-Einstein修正公式计算：其中，DAB为气体溶质A在溶剂B中的扩散系数，μB为B的粘度，VA为A在正常沸点时的摩尔体积，依据实际气体的vanderWaals对比态方程近似计算：其中，Pc、Tc、VA，C分别为A的临界压力、临界温度及临界摩尔体积；P，T分别为体系实际压力和温度；基于式(8)、(12)、(14)获取MIHA纯气动操作条件下传质调控模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器内气泡sauter平均直径d32采用如下方式获取：S400.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志炳，周政，田洪舟，刘颖，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