電子過(guò)程斷層成像系統(tǒng)在流體混合技術(shù)中的應(yīng)用

電子過(guò)程斷層成像系統(tǒng)在流體混合技術(shù)中的應(yīng)用

攪拌和混合是大多數(shù)化學(xué)過(guò)程中最重要的單元操作之一。流體混合技術(shù)在60到80年代期間得到了迅猛發(fā)展,其重點(diǎn)主要是對(duì)于常規(guī)攪拌槳在低粘和高粘非牛頓均相體系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時(shí)間等宏觀量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。長(zhǎng)期以來(lái),雖然有大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)聯(lián)式可用于分析和預(yù)測(cè)混合體系,但將攪拌反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模直接放大到工業(yè)規(guī)模,仍是十分危險(xiǎn)和毫無(wú)把握的,至今仍然需要通過(guò)逐級(jí)放大來(lái)達(dá)到攪拌設(shè)備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費(fèi)巨額的資金和大量的人力物力,而且設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng),據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)的化學(xué)工業(yè)由于攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)不合理所造成的損失每年約為10—100億美元。因此從更微觀更本質(zhì)的角度,例如采用先進(jìn)的測(cè)試手段和建立合理的數(shù)學(xué)模型,獲取攪拌槽中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng),不僅對(duì)混合設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義,而且對(duì)放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。近些年來(lái),除了激光多普勒測(cè)速儀LDV和計(jì)算流體力學(xué)CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用外,混合技術(shù)的進(jìn)展還集中在以下幾個(gè)方面。1ept電子處理技術(shù)elasticprocedural1.1過(guò)程斷層成像系統(tǒng)ept輻射斷層成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)測(cè)試儀器中得到了廣泛應(yīng)用,如CT(ComputedTomography)和PET(PositronEmissionTomography)分別采用X射線和γ射線對(duì)患者身體進(jìn)行斷層掃描,獲得病灶處的詳細(xì)信息,如腫瘤的準(zhǔn)確位置和尺寸等,為醫(yī)生準(zhǔn)確診斷和確定手術(shù)治療方案提供保證。有人曾經(jīng)設(shè)想將此技術(shù)應(yīng)用到化工過(guò)程中的反應(yīng)器、槽、管線等設(shè)備上,獲取它們內(nèi)部復(fù)雜的現(xiàn)象和特征,但由于昂貴的價(jià)格和同位素的輻射安全問(wèn)題,使此技術(shù)在工業(yè)過(guò)程中難以得到應(yīng)用。直到80年代后期,英國(guó)UMIST大學(xué)開(kāi)發(fā)了電子過(guò)程斷層成像技術(shù)EPT,包括電阻斷層成像系統(tǒng)ERT(ElectricalResistanceTomography)、電容斷層成像系統(tǒng)ECT(ElectricalCapacitanceTomography)和電磁斷層成像系統(tǒng)EMT(ElectromagneticTomography)三類。它們避免了輻射危險(xiǎn)、價(jià)格便宜、易于制造,響應(yīng)速度比CT快且可以滿足工業(yè)實(shí)時(shí)過(guò)程要求,但圖像解析度比CT要低。EPT的原理與CT相差不多。在被測(cè)槽或管道外壁等距離貼附一組8到16只傳感器一周,此傳感器為長(zhǎng)方形不銹鋼電極片,既是發(fā)射器又是接收器。槽或管道內(nèi)要有兩種具有不同電性能(電導(dǎo)率、電容率等)的物料(不同電導(dǎo)率的液體、氣體和固體、液體和固體),然后在有規(guī)律的電脈沖作用下,所有可能的相鄰傳感器組合的電壓通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳送回計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將記錄所有電極的信號(hào)和先后次序,并采用圖像重建技術(shù)還原出槽或管道橫截面的圖像,每秒可獲得高達(dá)100幀圖像。如果采用多組傳感器對(duì)不同高度進(jìn)行斷層成像,則可在圖像重建技術(shù)的輔助下,建立槽或管道的三維圖像和實(shí)體造型。1.2氣體流動(dòng)特性的測(cè)量ERT已經(jīng)被用于研究半連續(xù)互溶液體的混合體系,得到了體系內(nèi)三維濃度場(chǎng)。對(duì)于復(fù)雜的氣液兩相攪拌混合問(wèn)題,通過(guò)ERT可以獲取槽體系的載氣分布的三維圖像,可以直觀了解混合流型如何影響傳質(zhì)和反應(yīng)性能,對(duì)槳型、擋板和氣體分布板的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了驗(yàn)證條件。ERT還被用于固液懸浮體系的研究,獲得了固體在攪拌槽中的濃度分布。氣固流化床中基本的氣體流動(dòng)特性非常難以測(cè)量研究。但利用ECT研究氣固流化床,不僅可以觀察氣泡形狀和合并現(xiàn)象,直接測(cè)量氣泡直徑等關(guān)鍵過(guò)程參數(shù),而且可以得到詳細(xì)的瞬時(shí)和平均的固體濃度分布,為流化床開(kāi)發(fā)提供了研究利器。ECT還被用于氣固管道輸送、油井的油氣輸送和燃燒工程的研究。而EMT的研究剛剛開(kāi)始,尚未得到實(shí)際應(yīng)用。LDV是一種光學(xué)儀器,它只能在光學(xué)透明容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,液體內(nèi)不能有高濃度的氣泡和懸浮固體。EPT則是多相流體系的非接觸式的實(shí)時(shí)檢測(cè)和可視化技術(shù),可以測(cè)量不透明介質(zhì)的流場(chǎng)。由于EPT可以準(zhǔn)確地測(cè)量出攪拌反應(yīng)器中的流動(dòng)區(qū)域、速度場(chǎng)、氣體和固體組分濃度分布,而這些數(shù)據(jù)可用于從空間和時(shí)間兩方面驗(yàn)證多相體系的混合模型和CFD模型,EPT技術(shù)可直接用于優(yōu)化攪拌器的設(shè)計(jì)和操作,隨著電子技術(shù)、圖像重建算法和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展,EPT還將被用于過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)和控制。電子過(guò)程斷層成像技術(shù)發(fā)源于歐洲,目前已得到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注,分別于1995年和1997年在美國(guó)和新西蘭召開(kāi)工業(yè)斷層成像技術(shù)前沿主題會(huì)議。我國(guó)天津大學(xué)目前已開(kāi)展了此方面的研究和開(kāi)發(fā)。2計(jì)算流混合模型的cfm復(fù)合期望混合2.1循環(huán)流、中混合式反應(yīng)器多層槳以前研究不多,但在生物發(fā)酵領(lǐng)域有大量的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)多層攪拌槳反應(yīng)釜內(nèi)的混合模型可分為三類,分別為軸向?qū)α鲾U(kuò)散模型、分區(qū)串聯(lián)模型和循環(huán)脈動(dòng)模型。軸向?qū)α鲾U(kuò)散模型認(rèn)為在多層攪拌槳的塔式反應(yīng)槽內(nèi),流體處于湍流狀態(tài),假設(shè)其中不存在死區(qū)、短路和循環(huán)流,反應(yīng)器接近活塞流。該模型本身具有缺陷,目前一般不采用。分區(qū)串聯(lián)模型將槳單元?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)區(qū)(圖2),認(rèn)為槳單元內(nèi)部的混合由循環(huán)參數(shù)控制,槳與槳之間的混合由返混參數(shù)控制。循環(huán)參數(shù)Q由循環(huán)流量來(lái)確定,返混系數(shù)q由混合時(shí)間擬合得到。毛德明等提出了循環(huán)脈動(dòng)混合模型,按照多層槳攪拌釜內(nèi)的實(shí)際流型劃分網(wǎng)格,如圖3。值得指出的是,在求解模型時(shí),兩個(gè)模型參數(shù)(單元脈動(dòng)排量和單元循環(huán)流量)均直接來(lái)自雙層透平槳的流場(chǎng)數(shù)據(jù)(脈動(dòng)排量系數(shù)和循環(huán)流量系數(shù)),不需要由混合時(shí)間數(shù)據(jù)擬合得到。這幾種模型都過(guò)于簡(jiǎn)單,模擬值與實(shí)驗(yàn)值相差較大,無(wú)法準(zhǔn)確描述和揭示混合過(guò)程。模型參數(shù)需要從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取或修正,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有簡(jiǎn)單的混合時(shí)間一個(gè)物理量,因此這些模型的應(yīng)用范圍相對(duì)狹窄。2.2槽內(nèi)網(wǎng)格單元間相互作用目前利用CFD方法來(lái)模擬攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)混合已經(jīng)十分普遍?？梢酝瓿蓮幕跀嚢枇鲃?dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單模擬,到基于簡(jiǎn)化的攪拌槳尺寸和操作條件的三維滑動(dòng)網(wǎng)格模型的復(fù)雜模擬。但CFD方法一般需要利用高檔工作站甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)去求解復(fù)雜的偏微分傳遞方程。非均相是化學(xué)工業(yè)中最為常見(jiàn)的應(yīng)用體系,由于大量基礎(chǔ)理論尚未得到正確認(rèn)識(shí),CFD技術(shù)在此方面的應(yīng)用尚無(wú)樂(lè)觀的表現(xiàn)。RegMann等提出了區(qū)域網(wǎng)格模型,對(duì)槽內(nèi)按流型進(jìn)行等體積網(wǎng)格劃分,每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)全混,單元間進(jìn)行動(dòng)量、質(zhì)量和熱量傳遞。圖4顯示了二維區(qū)域網(wǎng)格法的單元?jiǎng)澐?現(xiàn)已擴(kuò)展成三維模型。單元間傳質(zhì)有兩種方式:循環(huán)流和湍流。單元間的主體循環(huán)流可由循環(huán)準(zhǔn)數(shù)求出,而湍流是交換流,其值假定為主體流的β倍,β的數(shù)值由EPT圖像重建技術(shù)得到的流動(dòng)圖像計(jì)算得到。對(duì)于三維模型,還包括單元的凈漩渦流,同樣由EPT估算。區(qū)域網(wǎng)格模型不僅可以模擬均相混合體系,而且已經(jīng)被成功應(yīng)用于氣液和固液多相攪拌混合體系,只需將氣泡上升速率方程和固體沉積速率方程與網(wǎng)格單元間的循環(huán)流和湍流結(jié)合,就可得到持氣率和固體濃度在槽內(nèi)的分布。區(qū)域網(wǎng)格模型還可應(yīng)用于混合和反應(yīng)耦合的體系,模擬加料位置、轉(zhuǎn)速和液位高度等對(duì)混合的影響,以及槽內(nèi)非完全混合對(duì)反應(yīng)路徑、反應(yīng)選擇性、產(chǎn)率和放大過(guò)程的影響。利用區(qū)域網(wǎng)格模型對(duì)攪拌槽體系的半連續(xù)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬,反應(yīng)是競(jìng)爭(zhēng)性兩步反應(yīng),在三個(gè)不同規(guī)模攪拌槽中進(jìn)行放大模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型參數(shù)β不變化,因此可利用該模型進(jìn)行定量化模擬放大。此模型與EPT技術(shù)配合,將不同時(shí)間與空間的流場(chǎng)圖像與模型匹配,可以獲得較好模擬效果和有效地揭示混合過(guò)程的實(shí)質(zhì)。模型采用簡(jiǎn)單的一階常微分方程組,計(jì)算量較小,可較好地對(duì)多相流體系的流動(dòng)、混合與反應(yīng)進(jìn)行模擬和可視化仿真,并可進(jìn)一步用于放大研究和基于模型的過(guò)程控制。3攪拌槳和攪拌槽目前,國(guó)際上混合技術(shù)的研究主要集中在專業(yè)混合設(shè)備公司,如美國(guó)Lightnin、Chemineer等公司、德國(guó)EKATO公司、法國(guó)Robin公司等。它們不但有自己的設(shè)備制造廠,而且在研發(fā)上投入巨額的資金,在科研、大學(xué)等機(jī)構(gòu)中,研究混合技術(shù)的已經(jīng)相對(duì)較少。大量的攪拌設(shè)備用于低粘物系的混合和固液懸浮操作,需要葉輪能以低的能耗提供高的軸向循環(huán)流量。傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)式葉輪能滿足這個(gè)要求,但其葉片為復(fù)雜的立體曲面,制造困難,且較難大型化。因此混合設(shè)備公司都競(jìng)相開(kāi)發(fā)節(jié)能高效、造價(jià)低廉且易于大型化的第二代高效軸流攪拌槳。美國(guó)萊寧公司開(kāi)發(fā)了A310和A315系列。A310葉輪(圖5a)的葉片由鋼板按一定規(guī)律彎曲制成,不必使用銑或精密澆注等成型工藝,且葉片用螺栓固定在輪轂上,易于裝配成較大型的葉輪。當(dāng)用于固液懸浮操作時(shí),達(dá)到同樣懸浮效果,A310葉輪比傳統(tǒng)使用的45°折葉渦輪節(jié)能50%。A315葉輪(圖5b)的葉片傾角不是很大,大面積的葉片起阻止氣體從葉輪穿過(guò),延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間的作用,故適用于氣液體系的攪拌。Robin公司的HPM槳(圖5c)葉片在輪轂處的傾角為45°,而在葉片端部處的傾角僅有17°左右,可用于槽容積數(shù)百立方米的大型攪拌槽。據(jù)報(bào)道這些槳都是通過(guò)LDV測(cè)量結(jié)果和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合開(kāi)發(fā)研制出來(lái)的。國(guó)內(nèi)如北京化工大學(xué)和華東理工大學(xué)等也分別開(kāi)發(fā)了CBY軸流槳和翼型槳(圖5d)。適用粘度范圍很寬的攪拌槳也是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。許多聚合反應(yīng)過(guò)程開(kāi)始時(shí)物料的粘度很低,隨反應(yīng)的進(jìn)行粘度越來(lái)越高,這使得攪拌槳的選用發(fā)生問(wèn)題。日本住友重機(jī)、三菱重工等公司開(kāi)發(fā)了最大葉片式、泛能式、葉片組合式等攪拌槳(圖6)。這三種葉輪都有一個(gè)共同的特點(diǎn),即葉輪在攪拌槽的縱剖面上的投影面積占槽的縱剖面面積的比例很大,不僅適合于固液懸浮及晶析等操作,也適合于液液分散以及使氣體從液表面吸入的氣液傳質(zhì)過(guò)程,同時(shí)大葉片不僅使槽壁的局部傳熱膜系數(shù)較均勻,也提高了傳熱膜系數(shù)。另外,近年來(lái)歐洲和日本還開(kāi)發(fā)了很多種適用于高粘和超高粘物系的臥式自清潔攪拌設(shè)備。瑞士臥式雙軸全相(AllPhase)型攪拌機(jī)見(jiàn)圖7。其左邊一根是主攪拌軸,另一根為清潔軸,清潔軸以四倍于主攪拌軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn),通過(guò)二根軸上的元件相互嚙合,使攪拌器具有自清潔功能。攪拌軸和盤片中間是空的,能通入傳熱介質(zhì),加上夾套的傳熱面積,使其具有很高傳熱能力。4智能設(shè)計(jì)技術(shù)。在國(guó)外,曾曾見(jiàn)由于混合設(shè)備設(shè)計(jì)大多依靠混合專家的經(jīng)驗(yàn)和常識(shí),將人工智能技術(shù)(AI)和基于知識(shí)的系統(tǒng)(KBS)應(yīng)用于混合設(shè)備選型和設(shè)計(jì),是通常的處理手段。據(jù)推測(cè)大多數(shù)專業(yè)混合設(shè)備公司可能已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件,但由于保密原因,不知其詳情。智能化設(shè)計(jì)技術(shù)通過(guò)在整個(gè)工廠范圍內(nèi),對(duì)大量過(guò)程應(yīng)用體系進(jìn)行快速的設(shè)備設(shè)計(jì)和配置,最終可以更加有效和充分地利用空閑混合設(shè)備資源。90年代以來(lái),有關(guān)攪拌設(shè)備選型和設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)在國(guó)外已有少量報(bào)道。如1994年美國(guó)Chemineer公司報(bào)道了該公司有一個(gè)用于渦輪式攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)軟件AgDesign,據(jù)稱該公司90%頂伸入攪拌器的設(shè)備均已用此軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。芬蘭的Lappeenranta工業(yè)大學(xué)在1994年發(fā)表了有關(guān)混合設(shè)備初步設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的論文。在國(guó)內(nèi),浙江大學(xué)也正與大型石化企業(yè)合作開(kāi)發(fā)攪拌槽式反應(yīng)器的智能化輔助選型和設(shè)計(jì)軟件。5流體混合設(shè)備的智能化應(yīng)用展望由于應(yīng)用體系的多樣性和物料流變特性的復(fù)雜性,長(zhǎng)期以來(lái)流體混合都是通過(guò)實(shí)