[发明专利]微界面强化反应器能量耗散构效调控模型建模方法

摘要

本发明涉及一种微界面强化反应器能量耗散构效调控模型建模方法，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；确定εR、εmix和εpl各自的数值大小；获取ε与反应器结构参数相关的表达式。本发明的方法通过严谨的推导过程实现了微界面强化反应器能量耗散构效调控的数学模型的构建，为指导新型反应器的设计奠定理论基础。

主权项

一种微界面强化反应器能量耗散构效调控模型建模方法，其特征在于，包括：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混合物压力，Pa；λ1为气液体积流量之比：K1为喷嘴直径与气泡破碎区直径的比值，K1＝DN/D1；S1为气泡破碎器横截面积，m2；ρL为液体密度，kg/m3；QL为反应器内液体循环体积流量，m3/s；λ1＝QG/QL  (3)步骤121：计算气泡破碎区入口液体静压P0及出口气液混合物压力P1：忽略气泡破碎区管壁摩擦损失，则：其中，φmix为气泡破碎区气含率，按下式计算：忽略管道摩擦及喷嘴处能量损失，依据能量守恒原理，体系实际获得的能量E0为：即：由式(6)(9)得：步骤122：计算气泡破碎区长度Lmix：Lmix通过测量气液破碎区管内壁压力突变来确定，或通过如下方式确定：其中：PH为气液破碎区上方气压，Pa；ρMZ为气液破碎区内气液混合物密度，Kg/m3；vN为射流口的射流速度，m/s；Ue,max为气液破碎区涡旋最大返回速度，m/s；PH由伯努利方程推得：PH≈PG0  (13)式中，PG0为供气压力，Pa；ρMZ通过下式计算：ρMZ＝ρGφmix+ρL(1‑φmix)≈ρL(1‑φmix)  (14)式中，ρG为气体密度，g/m3；考虑气液破碎区气液混合物流速的影响，Ue,max为射流口射流流速与气液破碎区气液混合物流速的矢量合成的结果，采用下式计算Ue,max：将式(13)(16)代入式(12)，并化简后可得：获取反应器气泡破碎器长度Lb，并根据式(17)计算Lmix；①当Lmix＜Lb时，以式(17)的计算结果为Lmix的实际数值；②当Lmix≥Lb时，说明射流能量近似完全在气泡破碎器区域耗，则：Lmix＝Lb  (20)步骤130：计算气液出口区的εpl；假设气泡在气液出口区呈均匀分布状态，此区域的能量耗散速率εpl由下式计算：反应器结构设计时保证λ1可调范围足够大，通过实验确定反应器基本结构参数间的关系为K1＝0.5，Lb＝13D1；代入前述相应表达式并化简可得：步骤200：确定εR、εmix和εpl各自的数值大小；步骤210：依据进入反应器的气液流量等于气泡破碎区出口的气液流量平衡原理，得到：式中，CL为基于反应器内有效体积πD02H0/4的液体循环倍数，即每小时液体循环总体积与反应器有效体积的比值；u1为气泡破碎器出口气液混合物线速度，m/s；λ1取值0.1～0.5；由式(25)可知：则u1增大时，反应器横截面积S0也增大；结合式(1)可知，此时εR减小；为对反应器不同区域的能量耗散率进行比较，假设：u1＝3.0m/s；CL＝20；H0＝1.5m；由式(25)可得，当λ1＝0.1～0.5时：D0≈19D1  (26)选定D1数值，计算并比较反应器不同区域在不同喷嘴液速下的能量耗散率，确定与气液破碎区的能量耗散率εmix相比，反应器主体区、气液出口区的能量耗散率可忽略不计，即εmix≈ε；则整个反应器的能量耗散率ε与反应器结构参数之间的数学关系，可由式(2)计算确定，即：。