一种气液硫化反应器优化方法、系统及可读存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种气液硫化反应器优化方法、系统及可读存储介质，以H2S(g)作为硫化沉淀剂，该方法包括：构建气液硫化反应器流体计算域的几何模型；确定几何模型的反应控制方程；设置几何模型的边界条件以及参数初始值，并对几何模型进行网格划分；基于网格划分后的几何模型进行仿真模拟计算得到气液硫化反应器内部的反应参数，并基于反应参数得到气液传质效率以及气液硫化反应效率；至少将气液传质效率以及气液硫化反应效率作为优化依据；基于优化依据调整反应器结构参数和/或运行参数，再按照前述方式进行模拟，并判断是否达到预设的设计要求，若未达到，继续调整反应器结构参数和/或运行参数，直至达到预设的设计要求。直至达到预设的设计要求。直至达到预设的设计要求。

【技术实现步骤摘要】
一种气液硫化反应器优化方法、系统及可读存储介质


[0001]本专利技术属于重金属废水处理
，具体涉及一种气液硫化反应器优化方法、系统及可读存储介质。

技术介绍

[0002]化学沉淀法由于其工艺相对简单、操作成本低和处理效果好等特点是目前工业上用于处理重金属废水最广泛的方法。硫化沉淀法作为化学沉淀法的一种，由于其本身所具备的一系列优点(如能实现选择性分离沉淀、金属硫化物溶解度低、稳定性高、污泥易脱水、适用范围广等)，该方法在重金属废水的处理中愈发受到重视。
[0003]硫化沉淀法主要采用硫化钠或硫氢化钠作为硫化药剂。在工业应用过程中存在反应过程不易控制，加药口局部硫化物浓度过高(导致生成可溶性的金属多硫络合物与不易沉降的小颗粒)，工艺流程复杂，需要过量的硫化剂，产生硫化氢气体造成二次污染等问题。另外，即使设计并优化液-液硫化(Na2S)反应器结构和/或运行参数，可以得到较好的混合效果和处理效率，反应过程中仍然存在溶液过饱和度过高而产生细小颗粒的问题，因此仍然需要在此基础上作进一步的改进。
[0004]通过调研，采用H2S气体作为硫化药剂具有显著的技术优势，首先可以通过对气相的控制(硫化物气相体积分数、气相压力、流速等)来实现对反应过程的控制，并有实现选择性分离沉淀的可操作性；其次，利用气液传质过程控制硫化药剂进入废水中的量，可以避免局部硫离子浓度过高所导致的降低硫化沉淀效率的问题。
[0005]在使用H2S(g)作为硫化药剂处理重金属废水时，关键在于对硫化反应器进行合理的运行参数的优化，以期得到对反应过程的控制。目前，尚未有系统的设计资料可为气液硫化反应器的设计提供参考，只能从传统化工反应器设计中进行借鉴。而传统的反应器结构与运行参数优化往往采用实验的方法，即首先根据设计计算制作小型实验设备，然后进行小规模的实验验证，然后根据实验结果及现象修改反应器结构与运行参数，进行放大实验，最后重复上述过程直至寻找到最优结构。该方法需要极大的时间与金钱成本，效率较低，并且优化过程往往基于经验，不能满足对反应器设计优化的理论分析要求。

技术实现思路

[0006]本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的之一在于提供一种气液硫化反应器优化方法、系统及可读存储介质。该方法在此前的液-液硫化反应器的基础上进行进一步的设计与改进，将硫化沉淀剂改为H2S(g)，通过引入气液传质过程，实现对反应器中过饱和度分布以及反应过程的控制，高效的调整出最佳的反应器，为后续将气液硫化技术更高效地应用于实际重金属废水的处理中来提供便利，并且该方法能够有效提高新型气液硫化反应器的研制效率，大大减少研发投入。
[0007]本专利技术提供一种气液硫化反应器优化方法，包括如下步骤：
[0008]S1：构建气液硫化反应器流体计算域的几何模型，其中，以H2S(g)作为硫化沉淀
剂；
[0009]S2：确定所述几何模型的反应控制方程，所述反应控制方程用于模拟反应器中的气液硫化过程；
[0010]S3：设置所述几何模型的运行参数，并对所述几何模型进行网格划分，所述运行参数为对应的边界条件以及参数初始值；
[0011]S4：基于网格划分后的所述几何模型进行仿真模拟计算得到气液硫化反应器内部的反应参数，并基于所述反应参数得到气液传质效率以及气液硫化反应效率状态；
[0012]其中，至少将气液传质效率以及气液硫化反应效率状态作为优化依据；
[0013]S5：基于所述优化依据调整反应器结构参数和/或运行参数，再按照步骤S4的方式进行模拟，并判断是否达到预设的设计要求，若未达到，继续调整反应器结构参数和/或运行参数，直至达到预设的设计要求。
[0014]进一步优选，步骤S2中所述几何模型中引入气液传质过程，设置的所述反应控制方程如下：
[0015]气液硫化反应器内的物质通量矢量N
i
的方程：
[0016][0017]式中，D
i
为物质的扩散系数(m2/s)，c
i
为物质的浓度(mol/m3)，是某物质浓度c
i
对三个方向的一阶偏微分的总和，u为物质流体速度矢量(m/s)；
[0018]物质平衡控制方程为：
[0019][0020]式中，
·
为拉普拉斯算子，R
i
表示物质反应速率(mol/(m3·
s))，泛指某种物质的反应速率，公式(1)和公式(2)均为一个概括性的公式，针对任意物质均适用；
[0021]铜离子和硫化氢的反应速率为：
[0022][0023]式中，分别为铜离子和硫化氢的反应速率，为任意时间点t时铜离子的浓度，分别为和水中H2S的浓度，为H2S的气液传质系数，A
b
为气液接触面积，V为液相体积，t为时间；
[0024]本模型中反应器内流体为气液两相流，具有分散H2S气泡的废水在模拟条件下也表现为紊流状态。双欧拉模型是以两相为互穿介质，跟踪两相平均体积分数的通用宏观两相流模型，本方法综合考虑计算成本与模型精度，采用简化的双欧拉模型计算反应器内流场，具体来说，可以将两相的动量和连续性方程结合起来，保留气相输运方程来跟踪气泡的体积分数，然后使用混合-平均连续性方程计算压力分布，即所述几何模型中将两相的动量和连续性方程结合起来用于计算气液相的质量分数、压力分布，其中，两相流的动量方程为：
[0025][0026]式中，ρ
l
是液相流体密度，u
l
、u
l
是液相流体速度矢量、标量，φ
l
是液相的相体积分数，p表示压力，I表示单位张量，F是作用在流体上的平均体积力，g是重力矢量，μ
l
为液相动态粘度系数，μ
T
为湍流粘度，上标T表示矩阵转置，方程中下标“l”和“g”分别表示与液相和
气相有关的量；
[0027]两相流的连续性方程如下所示：
[0028][0029]式中，ρ
g
是气相流体密度，φ
g
是气相的相体积分数，u
g
是气相流体速度矢量，u
g
满足：
[0030][0031]其中，u
slip
是气液两相之间的相对速度；
[0032]气相传质方程如下：
[0033][0034]式中，m
gl
为H2S气液传质速率(kg/(m3·
s))，根据双膜理论可表示为：
[0035][0036]式中，a为单位体积气液接触面积(1/m)，即A
b
/V；为H2S的摩尔分子量(kg/mol)；为溶解的H2S的浓度(mol/m3)；为根据亨利定律计算所得H2S溶解平衡浓度(mol/m3)，具体可表示为：
[0037][0038]式中，p为操作压力(Pa)，p
ref
为参考压力，即大气压1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气液硫化反应器优化方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：构建气液硫化反应器流体计算域的几何模型，其中，以H2S(g)作为硫化沉淀剂；S2：确定所述几何模型的反应控制方程，所述反应控制方程用于模拟反应器中的气液硫化过程；S3：设置所述几何模型的运行参数，并对所述几何模型进行网格划分，所述运行参数为对应的边界条件以及参数初始值；S4：基于网格划分后的所述几何模型进行仿真模拟计算得到气液硫化反应器内部的反应参数，并基于所述反应参数得到气液传质效率以及气液硫化反应效率状态；其中，至少将气液传质效率以及气液硫化反应效率状态作为优化依据；S5：基于所述优化依据调整反应器结构参数和/或运行参数，再按照步骤S4的方式进行模拟，并判断是否达到预设的设计要求，若未达到，继续调整反应器结构参数和/或运行参数，直至达到预设的设计要求。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中所述几何模型中引入气液传质过程，设置的所述反应控制方程如下：气液硫化反应器内的物质通量矢量N
i
的方程：式中，D
i
为物质的扩散系数，c
i
为物质的浓度，是某物质浓度c
i
对三个方向的一阶偏微分的总和，u为物质流体速度矢量；物质平衡控制方程为：式中，为拉普拉斯算子，R
i
表示物质反应速率；铜离子和硫化氢的反应速率为：式中，分别为铜离子和硫化氢的反应速率，为任意时间点t时铜离子的浓度，为水中H2S的浓度，为H2S的气液传质系数，A
b
为气液接触面积，V为液相体积，t为时间；所述几何模型中将两相的动量和连续性方程结合起来用于计算气液相的质量分数、压力分布，其中，两相流的动量方程为：式中，ρ
l
是液相流体密度，u
l
、u
l
是液相流体速度矢量、标量，φ
l
是液相的相体积分数，p表示压力，I表示单位张量，F是作用在流体上的平均体积力，g是重力矢量，μ
l
为液相动态粘度系数，μ
T
为湍流粘度，上标T表示矩阵转置，方程中下标“l”和“g”分别表示与液相和气相有关的量；两相流的连续性方程如下所示：
式中，ρ
g
是气相流体密度，φ
g
是气相的相体积分数，u
g
是气相流体速度矢量，u
g
满足：其中，u
slip
是气液两相之间的相对速度；气相传质方程如下：式中，m
gl
为气液两相间的传质速率，根据双膜理论可表示为：式中，a为单位体积气液接触面积，即A
b
/V；为H2S的摩尔分子量；为溶解的H2S的浓度；为根据亨利定律计算所得H2S溶解平衡浓度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述几何模型中使用k-ε模型来描述湍流效应，湍流粘度μ
T
可表示为：其中，ρ为为流体密度，k为湍流动能，ε为湍流能量耗散率，k和ε满足：其中，ρ为为流体密度，k为湍流动能，ε为湍流能量耗散率，k和ε满足：式中，衍生项P
k
满足：其中，C
μ
、σ
k
、σ
ε
、C
ε1
、C
ε2
、和C
ε
均为模型参数，S
k
为由表示由气泡引起的流体湍动，由下式表示：式中，C
k
为模型常数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应参数至少包括：浓度分布、反应速率分布、气相体积分数分布、气液传质速率分布、单位体积气液接触面积分布以及过饱和分布，其中，所述过饱和分布中过饱和度SL表示为：式中，K
sp
为硫化铜溶度积常数，为Cu
2+
、H2S、HS-、S
2-的浓度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应参数与气液传质效率以及气液硫化反应效率状态的关系如下：反应器内气相体积分数分布中气相的相体积分数φ
g
越低，气液传质速率m
gl
越快，单位
体积气液接触面积分布a越大时，气液传质效率越高；气液传质效率越高又表现为Cu
2+
浓度的迅速下降；以及若反应速率和过饱和度SL分布更均匀时，气液硫化反应效率越高。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：利用所述气液传质效率以及气液硫化反应效率状态作为优化依据进行调整反应器时，优化策略如下：若反应器内气液传质效率以...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾伟志，郭文香，李博，李垦，晏阳，胡辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：