[发明专利]MIHA纯气动操作条件下相界面积调控模型建模方法

摘要

本发明涉及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。

主权项

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Q_L<<气体流量Q_Q，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D_N；作出假设如下：(1)稳态操作，操作压力P_m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P_G0、体积流量为Q_G0的气体进入操作压力恒定为P_m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W_G，依据作功定义可知：Q_G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，ρ_G0和M_A(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＝P_G0‑P_m(4)由于ΔP＞0，因此，W_G＜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P_m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‑W_G；方程(5)等号右边两项分别为液体动能和气液界面能；其中，ρ_L和σ_L分别为液体密度和界面张力；U_L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，Q_G与Q_G0有如下关系：由于ΔP＜＜P_m，因此Q_G≈Q_G0；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：Q_L＝U_LS₁(1‑φ_G)  (8)其中，气泡破碎器内气含率φ_G按下式计算：由(8)(9)式可得：U_L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Q_L，由方程(7)可得：在纯气动操作条件下，Q_L<<Q_G，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Q_L影响更大；由于：式中V_N为喷嘴处流速；当V_N一定时，由式(16)和(17)可得：当Q_N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Q_L的估算；S300.计算气液强烈混合区能量耗散率ε_mix；依据热力学第一定律可得：上式中，L_mix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＝Q_G/Q_L；K₁为气泡破碎器喷嘴直径与破碎器直径之比，K₁＝D_N/D₁；L_mix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U_jm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U_jm衰减至气液混合物表观速度U_L时，高速消失，之后将形成均匀气液混合物流；因此，L_mix为U_jm＝U_L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ε_mix；S400.计算MIHA内微气泡的气泡尺度；MIHA内微气泡d₃₂依据下式计算；d_max＝0.75(σ_L/ρ_L)^0.6ε_mix^‑0.4  (26)d_min＝11.4(μ_L/ρ_L)^0.75ε_mix^‑0.25  (27)其中，d_min为气泡最小直径；d_max为气泡最大直径；μ_L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：