電子過程斷層成像系統(tǒng)在流體混合技術(shù)中的應用

電子過程斷層成像系統(tǒng)在流體混合技術(shù)中的應用

攪拌和混合是大多數(shù)化學過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,其重點主要是對于常規(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、混合時間等宏觀量進行實驗研究。長期以來,雖然有大量設計經(jīng)驗和關(guān)聯(lián)式可用于分析和預測混合體系,但將攪拌反應器從實驗室規(guī)模直接放大到工業(yè)規(guī)模,仍是十分危險和毫無把握的,至今仍然需要通過逐級放大來達到攪拌設備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費巨額的資金和大量的人力物力,而且設計周期很長,據(jù)統(tǒng)計美國的化學工業(yè)由于攪拌反應器設計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,例如采用先進的測試手段和建立合理的數(shù)學模型,獲取攪拌槽中的速度場、溫度場和濃度場,不僅對混合設備的優(yōu)化設計具有十分重要的經(jīng)濟意義,而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實的理論意義。近些年來,除了激光多普勒測速儀LDV和計算流體力學CFD模擬技術(shù)的應用外,混合技術(shù)的進展還集中在以下幾個方面。1ept電子處理技術(shù)elasticprocedural1.1過程斷層成像系統(tǒng)ept輻射斷層成像技術(shù)在醫(yī)學測試儀器中得到了廣泛應用,如CT(ComputedTomography)和PET(PositronEmissionTomography)分別采用X射線和γ射線對患者身體進行斷層掃描,獲得病灶處的詳細信息,如腫瘤的準確位置和尺寸等,為醫(yī)生準確診斷和確定手術(shù)治療方案提供保證。有人曾經(jīng)設想將此技術(shù)應用到化工過程中的反應器、槽、管線等設備上,獲取它們內(nèi)部復雜的現(xiàn)象和特征,但由于昂貴的價格和同位素的輻射安全問題,使此技術(shù)在工業(yè)過程中難以得到應用。直到80年代后期,英國UMIST大學開發(fā)了電子過程斷層成像技術(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、價格便宜、易于制造,響應速度比CT快且可以滿足工業(yè)實時過程要求,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(電導率、電容率等)的物料(不同電導率的液體、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數(shù)據(jù)采集單元傳送回計算機。計算機將記錄所有電極的信號和先后次序,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100幀圖像。如果采用多組傳感器對不同高度進行斷層成像,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體造型。1.2氣體流動特性的測量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。對于復雜的氣液兩相攪拌混合問題,通過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)和反應性能,對槳型、擋板和氣體分布板的設計優(yōu)化提供了驗證條件。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特性非常難以測量研究。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,直接測量氣泡直徑等關(guān)鍵過程參數(shù),而且可以得到詳細的瞬時和平均的固體濃度分布,為流化床開發(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的研究剛剛開始,尚未得到實際應用。LDV是一種光學儀器,它只能在光學透明容器內(nèi)進行測量,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時檢測和可視化技術(shù),可以測量不透明介質(zhì)的流場。由于EPT可以準確地測量出攪拌反應器中的流動區(qū)域、速度場、氣體和固體組分濃度分布,而這些數(shù)據(jù)可用于從空間和時間兩方面驗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)化攪拌器的設計和操作,隨著電子技術(shù)、圖像重建算法和計算機硬件的發(fā)展,EPT還將被用于過程的在線監(jiān)測和控制。電子過程斷層成像技術(shù)發(fā)源于歐洲,目前已得到了世界學術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注,分別于1995年和1997年在美國和新西蘭召開工業(yè)斷層成像技術(shù)前沿主題會議。我國天津大學目前已開展了此方面的研究和開發(fā)。2計算流混合模型的cfm復合期望混合2.1循環(huán)流、中混合式反應器多層槳以前研究不多,但在生物發(fā)酵領(lǐng)域有大量的應用。國內(nèi)外目前對多層攪拌槳反應釜內(nèi)的混合模型可分為三類,分別為軸向?qū)α鲾U散模型、分區(qū)串聯(lián)模型和循環(huán)脈動模型。軸向?qū)α鲾U散模型認為在多層攪拌槳的塔式反應槽內(nèi),流體處于湍流狀態(tài),假設其中不存在死區(qū)、短路和循環(huán)流,反應器接近活塞流。該模型本身具有缺陷,目前一般不采用。分區(qū)串聯(lián)模型將槳單元劃分為三個區(qū)(圖2),認為槳單元內(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)流量來確定,返混系數(shù)q由混合時間擬合得到。毛德明等提出了循環(huán)脈動混合模型,按照多層槳攪拌釜內(nèi)的實際流型劃分網(wǎng)格,如圖3。值得指出的是,在求解模型時,兩個模型參數(shù)(單元脈動排量和單元循環(huán)流量)均直接來自雙層透平槳的流場數(shù)據(jù)(脈動排量系數(shù)和循環(huán)流量系數(shù)),不需要由混合時間數(shù)據(jù)擬合得到。這幾種模型都過于簡單,模擬值與實驗值相差較大,無法準確描述和揭示混合過程。模型參數(shù)需要從實驗數(shù)據(jù)中獲取或修正,且實驗數(shù)據(jù)只有簡單的混合時間一個物理量,因此這些模型的應用范圍相對狹窄。2.2槽內(nèi)網(wǎng)格單元間相互作用目前利用CFD方法來模擬攪拌槽內(nèi)的流動混合已經(jīng)十分普遍?？梢酝瓿蓮幕跀嚢枇鲃拥膶嶒灁?shù)據(jù)的簡單模擬,到基于簡化的攪拌槳尺寸和操作條件的三維滑動網(wǎng)格模型的復雜模擬。但CFD方法一般需要利用高檔工作站甚至超級計算機去求解復雜的偏微分傳遞方程。非均相是化學工業(yè)中最為常見的應用體系,由于大量基礎(chǔ)理論尚未得到正確認識,CFD技術(shù)在此方面的應用尚無樂觀的表現(xiàn)。RegMann等提出了區(qū)域網(wǎng)格模型,對槽內(nèi)按流型進行等體積網(wǎng)格劃分,每個網(wǎng)格單元內(nèi)全混,單元間進行動量、質(zhì)量和熱量傳遞。圖4顯示了二維區(qū)域網(wǎng)格法的單元劃分,現(xiàn)已擴展成三維模型。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)得到的流動圖像計算得到。對于三維模型,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)格模型還可應用于混合和反應耦合的體系,模擬加料位置、轉(zhuǎn)速和液位高度等對混合的影響,以及槽內(nèi)非完全混合對反應路徑、反應選擇性、產(chǎn)率和放大過程的影響。利用區(qū)域網(wǎng)格模型對攪拌槽體系的半連續(xù)反應過程進行了模擬,反應是競爭性兩步反應,在三個不同規(guī)模攪拌槽中進行放大模擬,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行定量化模擬放大。此模型與EPT技術(shù)配合,將不同時間與空間的流場圖像與模型匹配,可以獲得較好模擬效果和有效地揭示混合過程的實質(zhì)。模型采用簡單的一階常微分方程組,計算量較小,可較好地對多相流體系的流動、混合與反應進行模擬和可視化仿真,并可進一步用于放大研究和基于模型的過程控制。3攪拌槳和攪拌槽目前,國際上混合技術(shù)的研究主要集中在專業(yè)混合設備公司,如美國Lightnin、Chemineer等公司、德國EKATO公司、法國Robin公司等。它們不但有自己的設備制造廠,而且在研發(fā)上投入巨額的資金,在科研、大學等機構(gòu)中,研究混合技術(shù)的已經(jīng)相對較少。大量的攪拌設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)的船舶推進式葉輪能滿足這個要求,但其葉片為復雜的立體曲面,制造困難,且較難大型化。因此混合設備公司都競相開發(fā)節(jié)能高效、造價低廉且易于大型化的第二代高效軸流攪拌槳。美國萊寧公司開發(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。當用于固液懸浮操作時,達到同樣懸浮效果,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,延長氣液接觸時間的作用,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)報道這些槳都是通過LDV測量結(jié)果和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合開發(fā)研制出來的。國內(nèi)如北京化工大學和華東理工大學等也分別開發(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發(fā)重點。許多聚合反應過程開始時物料的粘度很低,隨反應的進行粘度越來越高,這使得攪拌槳的選用發(fā)生問題。日本住友重機、三菱重工等公司開發(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共同的特點,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)過程,同時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,近年來歐洲和日本還開發(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備。瑞士臥式雙軸全相(AllPhase)型攪拌機見圖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)速進行旋轉(zhuǎn),通過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智能設計技術(shù)。在國外,曾曾見由于混合設備設計大多依靠混合專家的經(jīng)驗和常識,將人工智能技術(shù)(AI)和基于知識的系統(tǒng)(KBS)應用于混合設備選型和設計,是通常的處理手段。據(jù)推測大多數(shù)專業(yè)混合設備公司可能已經(jīng)開發(fā)了相應的設計軟件,但由于保密原因,不知其詳情。智能化設計技術(shù)通過在整個工廠范圍內(nèi),對大量過程應用體系進行快速的設備設計和配置,最終可以更加有效和充分地利用空閑混合設備資源。90年代以來,有關(guān)攪拌設備選型和設計的專家系統(tǒng)在國外已有少量報道。如1994年美國Chemineer公司報道了該公司有一個用于渦輪式攪拌設備設計的知識庫軟件AgDesign,據(jù)稱該公司90%頂伸入攪拌器的設備均已用此軟件進行設計。芬蘭的Lappeenranta工業(yè)大學在1994年發(fā)表了有關(guān)混合設備初步設計的知識庫系統(tǒng)的論文。在國內(nèi),浙江大學也正與大型石化企業(yè)合作開發(fā)攪拌槽式反應器的智能化輔助選型和設計軟件。5流體混合設備的智能化應用展望由于應用體系的多樣性和物料流變特性的復雜性,長期以來流體混合都是通過實