微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法技术

本发明专利技术涉及一种微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法，以微界面强化反应器最大气泡直径dmax和最小气泡直径dmin为自变量，气泡Sauter平均直径d32为因变量构建了其数值关系；并基于Kolmogorov‑Hinze理论，构建了微界面强化反应器最大气泡直径dmax、最小气泡直径dmin与反应器参数间的关系。本发明专利技术的方法将反应器气泡尺度与反应器的结构参数、操作参数以及物性参数用具体的数值关系联系在了一起，对于反应器的设计具有指导意义，并且可适用于多种反应器，通用性好，利用本发明专利技术的建模方法构建的气泡尺度调控模型，可进一步通过调整反应器的结构参数和操作参数以获得反应过程能效物效的最大化目标，或者在给定反应目标和能耗物耗下，设计出高效的反应器结构。

【技术实现步骤摘要】
微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法
本专利技术属于化工制造、反应器、建模
，具体涉及一种微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法。
技术介绍
氧化、加氢、氯化等多相反应在化工生产过程中广泛存在，其宏观反应速率一般受制于传质过程。气液反应的传质速率主要受液侧(或气侧)传质系数及气液相界面积a共同影响。已有研究表明，a对体积传质系数的影响程度更大，且容易调控。因此，增大a被视为提高受传质控制的气液反应体系反应效率的特别有效的途径。气泡Sauter平均直径d32是决定a大小的关键参数之一，它们主要受气泡间及气液两相间相互作用力影响。气泡聚并和分裂则分别是上述两种作用力的结果，并影响气泡直径的大小。因此，气泡聚并和破裂作为气泡的介观尺度行为，是决定a大小的深层次原因。关于气泡聚并和分裂行为的研究由来已久，普遍认为能量耗散率和d32是重要的影响因素。事实上，d32能够影响a及体积传质系数大小，是决定气液宏观反应速率的核心因素[1]。研究显示，当d32逐渐减小时，体积传质速率逐渐增大；特别是当d32小于1mm时，体积传质速率随d32的减小以类似于指数形式较快增大。因此，尽可能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法，其特征在于，包括：(1)以微界面强化反应器最大气泡直径dmax和最小气泡直径dmin为自变量，气泡Sauter平均直径d32为因变量，建立dmax、dmin和d32间的关系；具体步骤如下：设x,m,n分别为反应器气液体系中的气泡粒径、气泡粒径几何自然对数的均值和标准差，获取气泡粒径x的概率密度函数：

【技术特征摘要】
1.一种微界面强化反应器气泡尺度构效调控模型建模方法，其特征在于，包括：(1)以微界面强化反应器最大气泡直径dmax和最小气泡直径dmin为自变量，气泡Sauter平均直径d32为因变量，建立dmax、dmin和d32间的关系；具体步骤如下：设x,m,n分别为反应器气液体系中的气泡粒径、气泡粒径几何自然对数的均值和标准差，获取气泡粒径x的概率密度函数：气泡粒径满足此分布时的气泡Sauter平均直径d32为：d32＝exp(m+2.5n2)(2)气泡粒径x呈对数正态分布，因此lnx的数学期望(算术平均值)为：根据气泡粒径x的概率密度函数绘制气泡粒径概率密度图，当时，概率密度最大；即此处的一阶导数为0：将方程(3)代入(1)得到方程(4)：由(3)、(4)可得：由于：将方程(1)代入(6)并化简后可得：令：则上式简化为：方程(8)左端为误差函数，与标准误差函数的差别在于积分限的不同，将式(5)分别代入上述积分上下限，并将方程(8)转化为标准误差函数后可得：方程(9)中，erf(·)为误差函数；对于如下形式的误差函数：采用泰勒级数展开进行近似计算，泰勒级数展开依据误差函数自变量的取值范围不同而采用不同的形式，当z≤4时，erf(z)可展开为：由于：当dmax/dmin为1000时：而根据方程(11)：因此，当：即：时，方程(9)近似成立；此外，方程(9)成立的条件与n及dmax/dmin的大小有关，且n受dmax/dmin的大小的制约；构建气泡粒径累积概率密度g(n)以考察n和dmax/dmin对方程(9)成立条件的影响，令气泡粒径累积概率密度g(n)为：绘制g(n)～n关系曲线；获取确保方程(9)成立的n的可取值范围与dmax/dmin的关系；取不等式(16)的等号条件，即：由式(5)及(18)确定m和n，进而由方程(2)建立d32基本数学模型；其结果如下：(2)基于Kolmogorov-Hinze理论，构建微界面强化反应器最大气泡直径dmax、最小气泡直径dmin与反应器参数间的关系；能使气泡破裂的最小湍流涡尺度是Kolmogorov尺度的11.4～31.4倍，假设此倍率为11.4，由于湍流涡仅能破碎直径大于其尺度的气泡，因此，气泡直径最小值dmin与该湍流涡尺度一致，即：dmin＝11.4(μL/ρL)0.75ε-0.25(21)基于Kolmogorov-Hinze理论，最大气泡直径dmax由下式(22)确定：dmax＝ε-2/5(σLWecrit/2ρL)3/5(22)其中，ε为能量耗散率；μL为液体动力粘度；σL为液体表面张力；ρL为液体密度；Wecrit为气泡破碎临界weber数；基于气泡破碎的共振理论确定Wecrit：其中，α2为气泡体积模量，α2＝2,3,...；当α2越大，气泡高阶振动越激烈，气泡就越小，对于超细气泡颗粒选择α2＝2，即Wecrit＝1.24；此时：dmax＝0.75(σL/ρL)0.6ε-0.4(24)根据式(20)、(21)、(24)计算得到气泡Sauter平均直径d32。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量耗散率ε采用如下方式获取：步骤100：将微界面强化反应器总的能量耗散率ε的计算划分为微界面强化反应器内三个不同区域能量耗散率的总和，包括反应器主体区鼓泡区的能量耗散率εR，气液破碎区的εmix以及气液出口区的εpl；步骤110：其中，反应器主体区鼓泡区的能量耗散率εR采用如下方式计算：反应器气体鼓泡过程中，依据气泡对体系做功，εR表示为：其中，QG为反应器内通气体积流量，m3/s；S0为反应器横截面积，m2；步骤120：计算气液破碎区的εmix：基于εmix经典计算模型，假设气液混合为绝热过程并忽略液体势能变化，忽略气体质量流量，并使能量耗散率的单位统一为W/Kg，获取计算公式如下：其中，Lmix为气泡破碎区长度，m；P0、P1分别为气泡破碎区入口液体静压及出口气液...

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