CN106933262A - 一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线压力信号解析的多相流场量测及气‑液传质增效控制方法。本发明属于多相流传质过程控制领域，涉及一种基于压力波动信号的采集、解析及流场传质控制方法。反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；本发明对封闭的多相反应系统，通过在壁面采集压力波动信号可直接解析获取控制反应过程的流场宏观及局部状态信息。通过将流态参数和传质动力学关联分析，可在提升曝气搅拌能耗的有效利用基础上改善传质反应效率，为改良曝气操作工况或设备设计提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于多相流传质过程控制领域，涉及一种基于流场压力波动信号的采集、解析及气-液传质增效控制方法。
技术背景
曝气多相流反应过程常见于环境工程、石油化工及生物化工等领域，通过曝气能耗驱动同时达成气体反应物的迅速吸收与混合反应，其中气-液相间传质是促成多相流反应过程的关键环节，因为传质供给不足会导致反应效能低下，而传质相对过快会造成曝气能耗的无畏浪费。总传质系数和曝气搅拌驱动的流场运动状况密切关联，研究准确易判断的动态流场过程参数获得方法，可量化关联解析与控制在环境工程领域中涉及到的曝气能耗与传质效率问题(如曝气生物反应池、臭氧水处理单元等)，对多相流反应器的合理设计和优化运行参数具有现实意义。
由于多相流体系内各因素间复杂的相互作用，使得流体力学行为具有时域变化性、无规则性、随机性等复杂特点。多数相关研究由于受测量手段和应用理论局限仅限于在系统处于稳定状态的假设前提下进行过程分析，而通过动态流场环境均时行为的研究，可对多相流体系的流场行为进行更为明确的量测和表征。时间序列信息是多相体系某个参数的时间序列所反映的流场行为特征，其中压力波动信号(PFS)作为一类更为准确、易获得、干扰小的瞬时信号具有潜在的可获取分析价值。
应用压力传感分析技术可在伴随复杂相间作用的多相流场中获得较为明确的流体状态参数。利用在线PFS信息分析可直接量化反映出流场的宏观及局部气/液接触运动情况，包括气含率、接触时间及强度、湍流尺度、流型判断等重要 参数，能为反应器设计和运行提供直观而有用的参考价值。另外多相反应过程多发生在封闭体系内，通过在反应器壁原位放置传感探针便可很容易获得在线PFS数据，可有效对放大规模反应器的流场状态量测与传质控制提供指导意义。总而言之，基于压力波动信号(PFS)的解析方法具有多方面用途，包括流场特性在线量测及表征、过程监控及诊断、传质增效反馈控制等，能够对多相反应系统的合理控制发挥重要作用。
发明内容
本发明提出通过在线压力波动信息获取及解析方法表征曝气多相流体系的动态流场行为，在高频次捕获流场中压力响应波动的时域频谱信息基础上，提取压力信号的时间序列几何平均值，并计算获得可控制气-液传质效能的相关过程流场参数。再根据实际反应体系的特征和需求，进行有针对性的过程诊断和反馈控制。
在对曝气塔反应器的实际操作过程中，由于缺乏对相关流体参数的控制，使得大部分的气体分子没有被液相有效吸收而脱离反应器，客观上造成了曝气能耗的大量浪费；本发明基于压力响应波动解析所获取的流场状态参数，可根据实际反应需要有针对性的进行过程诊断及反馈控制，在实现目标反应效能的前提下，可有效控制提升曝气能量耗散的利用效率(节约能耗)；曝气反应过程中由于溶液对气体分子的强烈吸收消耗，使得对气-液传质过程的直接量测及控制存在很大难度。可先通过设计无反应的曝气传质实验，在明确气-液传质与流场状态关联性的基础上，在设定过程控制方案。
本发明的技术方案：
一种基于在线压力信号解析的多相流场量测及反馈控制方法，多相流场量测及反馈控制方法所用反应装置，反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气 塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；所述的A/D转换器为ISA总线微机接口板；
步骤如下：
1)特征参数获取方法
压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入计算机，获得曝气流体环境下压力波动随时间变化的二维图像，根据二维图像计算获取压力波动的几何平均值
①气含率
在反应器中气含率直接受表观气速影响，并且影响有效气-液接触面积的气-液传质行为密切相关，气含率还可间接反映出伴随曝气过程的小气泡间聚并或大气泡分解等行为，具有较为丰富的物理意义。
气含率是表征上升气泡在体相的停留状态，对于气-液两相体系或固/液密度相对接近且处于均匀流化状态的多相流体系，气含率εg用公式(1)计算：
其中：h0是无曝气的液柱高度m；h是当量液位高度m，即为在一定曝气条件下的液柱高度m；压力波动的几何平均值与无曝气的液柱高度h0为正相关关系，相关系数大于0.998，绘制线性图；将一定曝气条件下测量得到的值代入 线性图，得到此曝气条件下的当量液位高度h；
②气/液接触时间
气/液接触时间是多相流气体传质吸收过程的控制因素，根据气含率确定气相在三相体系中的接触反应体积(Vg,m3)，如公式(2)所示：
其中：VL表示液相体积(m3)；
关联Vg与曝气强度(Q，m3/s)得到实际的气/液接触反应停留时间(t，s)，如公式(3)所示：
③气/液滑移强度
气/液滑移强度是表征上升气泡群相对液相运动速率，也是影响气/液接触时间和多相流体系快速混合传质能力的参数；在曝气状态下，上升气泡群经过压力传感器产生压力波动图，记录此刻时间为τ1；当此气泡群继续上升至下一个压力传感器，产生相同或及其相似的压力波动图，记录此刻时间为τ2；
根据公式(4)得出气/液滑移强度Us(m/s)
其中：L表示两个相邻压力传感器的垂直安装距离(m)；
④曝气能量耗散功率
多相反应体系的搅拌与传质是在曝气能量耗散驱动下完成的，将曝气能耗关联传质效能是评价体系动力效率的重要方面，曝气能量耗散功率δ通过公式(5)得到
其中：p0为标准大气压(kN/m3)；v0为标准大气压对应的空气体积(m3/s)；pc为曝气口处的压强(kN/m3)；
基于气压和液柱具有线性的对应关系，即1个大气压相当于10.336m水柱，根据当量液位高度h换算得曝气口处的气压值，即为曝气口处的压强pc；
⑤湍流尺度
搅拌扩散完成多相流体系的宏观混合，在相界面的Kolmogorov定理微观尺度漩涡内，传质强度由分子扩散控制，控制湍流尺度λ也是强化传质的重要途径，通过公式(6)计算获得，
其中：ν为流体运动粘度(m2/s)；ρ为流体密度(kg/m3)；
2)在实际含填料的三相流体系中进行曝气测试，即无溶质反应，记录溶解气体浓度随时间的变化动力学曲线，并计算获得总气-液传质系数kLa，如方程(7)所示：
其中：C为t时刻的溶解气体浓度；C*为实际温度下的饱和气体浓度；
调节三相流体系中的曝气强度，获得压力波动的几何平均值进而获得气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度；以kLa为变量参照：kLa通过在线溶氧仪追踪溶解氧浓度随时间变化，根据方程(7)得到；随曝气强度的逐渐变化，气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率、湍流尺度以及kLa均有改变；以kLa为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到具有对应变化规律的曲线；用相同的方法分别以气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到对应变化规律的曲线，将上述特征参数对应的变化规律与kLa的变化规律比较，与kLa的变化规律最接近的特征参数作为影响传质的控制参数；控制参数有1个或多个；
按照上述确定的控制参数，在调节相同曝气强度前提下，改变曝气塔反应器设计参数：a.曝气塔反应器尺寸及流体负荷；b.曝气方式；c.布气板位置、孔径或孔间距；对每次设计参数的改变均确定相应条件下影响传质的控制参数； 在一定的曝气强度下，建立多组正交的曝气工况数据，并进行统计分析，以控制参数为主要参照，确定曝气塔反应器的最佳设计条件，即满足在相同的曝气能耗基础上最大化提升气-液传质效率。
在所优化的曝气设计条件基础上，可根据实际的反应动力学强度要求，只需简单调控曝气流量即可在最低能耗前提下完成反应需要(即通过耦合传质与反应动力学有效提升传质吸收效率及能耗利用率)。
曝气流量既可手动调节也可通过计算机进行控制。
本发明的有益效果：
(1)对封闭的多相反应系统，通过在壁面采集压力波动信号可直接解析获取控制反应过程的流场宏观及局部状态信息。
(2)通过将流态参数和传质动力学关联分析，可在提升曝气搅拌能耗的有效利用基础上改善传质反应效率，为改良曝气操作工况或设备设计提供科学依据。
(3)填料可通过微观尺度流场夹带作用强化气-液传质，借助对压力波动时域信号的解析，可在获得不同填料体系下强化“微粒效应”的可量化的流场控制方案。
附图说明
图1是基于压力波动信号分析的在线流场测控平台装置图。
图2(a)是气/液两相流场气含率随表观气速响应参数变化表征图。
图2(b)是气/液两相流场停留时间随表观气速响应参数变化表征图。
图3(a)是压力响应波动强度随表观气速变化表征图。
图3(b)是压力响应波动强度随时间变化表征图。
图4是气含率随表观气速的响应变化表征图。
图5(a)是清水表观气速下压力波动的频率比较分析图。
图5(b)是0.15mol/l的NaCl溶液表观气速下压力波动的频率比较分析图。
图6是活性炭颗粒对气泡平均停留时间的影响效果图。
图7是SDS对平均停留时间的影响效果图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
整个装置结构及部件如图1所示，装置参数：圆柱形曝气塔反应器(内径：15cm，高：1.5m)；压力传感器采用ASP压力变送器(工作电压：24VDC输出信号：4-20mA，精度等级：0.1)，从距离塔底0.1m开始以等间距0.2m垂直设置4个；固体填料采用粒状活性炭颗粒(比重：1.74，平均粒径：约1cm)；空压机(功率：0.56kw)；A/D转换器为ISA总线微机接口板(无滤波取样速度：0.125s，精度：优于0.05％)。
所取数据为塔内壁面压力信号，由压力传感器将压力信号转化为4-20mA电流信号，A/D转换卡将该模拟信号转化为数字信号输入计算机，由计算机自动记录并保存为表格格式数据。通过计算机所测定的压力读数和水面高度的正相关系数达到0.9998，能够保证压力测取的准确度。
在曝气塔壁面垂直方向等间距设置一组压力传感器，通过调节空气压缩机向塔内引入气泡并可控制能耗搅拌强度，借助A/D信号转换器启动压力信号数据采集程序，通过计算机记录压力响应变化信号，通过分析所得到的时间序列信息获得流场参数。
实施例1气-液两相流场参数
(1)气含率与气/液接触时间
由图2所示，气含率随表观气速的增加而总体增长，但并不是与气速成简单线性关系。这是因为气速的增加同时改变了流场和气泡群运动状态。气体的停留时间在有气相组分参与反应的体系中关系到气液接触和利用率等问题。低气速条件下形成单一的大气泡，气泡直接上升到液面。增加气速，气体运动会给 液流带来越来越大的扰动。一方面，液流在气体的扰动下形成旋涡，将上升过程中的气泡破碎。随着气速的增加，这种破碎作用越来越强烈，导致气泡平均直径减小。另一方面，液相所形成的局部流场在上升过程中加快了气泡的上升速度。虽然二者效应相反，但在实验中，随着气速增加，第二种作用表现出主导作用，导致气泡停留时间减小。
(2)压力波动
根据图3(b)得到波动平均值，不同表观气速下，所采集的系统压力波动原始数据图。其中的横坐标为采样数，每100个数据增加一次气速，由表观气速0.00393m/s，每次增加0.00393，直到0.0393m/s。通过图3(a)可以观察到非常明显的压力波动幅度变化规律，在气速0.01-0.02之间，压力波动的平均幅度存在一个极大值，然后下降，证明了反应器内流型存在的变化。气液固三相体内系的气泡运动可分为两种状态：聚并流态和分散流态。在低气速状态下，气泡倾向于合并为大气泡。随着气速增加，气泡在流体流动力的作用下被分散为小气泡。这两种流态间的转化过程能够从图3中体现出来，大气泡通过液相会使系统的压力幅度变化变到，而由于小气泡分布均匀，它对系统的压力波动造成的影响比较小。
实施例2含盐水体的曝气两相流场气含率及压力波动响应
气含率通过取图1中最上端和最下端传感器间的数值计算确定。
在相同曝气强度下对比研究含盐水和清水环境的气含率变化规律，结果如图4所示。在初始的均匀鼓泡区，两种体系的气含率差异不是很明显，这是由于在这个阶段气泡的大小主要是受到布气板结构的影响，气泡间的相互作用不明显，气泡聚并和破碎发生几率很小，受到液体流动的干扰也不大。而在过渡区二者的气含率有较大的差异，NaCl溶液体系的气含率明显大于清水体系。这 是由于NaCl电解质对气泡聚并的阻碍作用比较明显，导致气泡的平均尺寸下降，气含率明显大于清水体系。而到了湍流区，NaCl溶液中的气含率出现了下降趋势，两体系的气含率差异减小，说明在该条件下，盐效应不再起主要作用，液体的湍动成为影响气泡大小的主要因素。液体的湍动促进了盐溶液内气泡的聚并行为，导致气泡平均尺寸的上升和气含率的下降，而对清水体系内气泡的聚并与破碎的动态平衡影响不是很明显。
由图5的频率分析结果可以看到，在低表观气速条件下，压力的波动频率集中在低频区，这时的主要流动结构是由气体扰动引起的局部环流。随着气速的增加，逐渐出现高频和低频两部分，其中的高频信号是由液体的高频湍动引起的，气速越高，高频信号所占的能量密度越大。液体的高频湍动对于气液界面的物质更新起到明显的作用，改变了液膜厚度和传质阻力，因此在一定条件下是影响传质的主要因素。
实施例3活性炭填料与多相流场状态参数的关联性分析
活性炭采用净水用煤质圆柱型颗粒(GB/T7701.4-1999)，相关参数：横截面直径3.14mm；长度4.44mm；比重1.38。
由图6可以看出加入大量活性炭会明显降低气泡的平均停留时间。在活性炭含量为1％时，在低气速条件下气泡停留时间远远小与不含活性炭的情况，而在气速大于0.02m/s后两者的差异变得很小，这说明在气速大于0.02m/s后，1％的活性炭颗粒影响变得很小。而5％和9％活性炭含量的条件下，气泡的平均停留时间大大减小，说明活性炭表现出很强的促进气泡聚并的作用。值得注意的是，在加入活性炭后气泡停留时间出现了一个极小值，随着活性炭的增加，这个极小值对应的气速越高。由实验现象可以对其进行解释：在低气速时，固体颗粒堆积在布气板上方，气泡在通过固体颗粒层时合并为大气泡，使得气泡上 升速度大大加快，平均停留时间下降，随着气速增加，固体颗粒逐渐被流化，这种合并气泡的作用减弱。固体颗粒浓度越高，所需要的流化动力越大，相对应的气速也越高。利用这一点，同样可以确定流型的变化。
实施例4含表面活性剂水体的曝气两相流场参数响应
十二烷基磺酸钠(SDS)为具有代表性的直链烷基苯磺酸盐类表面活性剂，本案例考察其在水体中残留可能导致的曝气多相体系的流体状态响应变化。
由图7可以看出SDS明显延长了气泡在反应器内的停留时间。由于表面活性剂大大降低了溶液的表面张力，在气泡形成过程中，由于拉普拉斯力促成了小气泡生成并有效抑制了上升气泡间聚并作用，造成气泡平均直径下降。另外表面活性剂在气泡表面形成张力梯度，使得气泡上升的曳力增大，在高曳力条件下，气泡的上升速度下降，使得气含率增加。
Claims (1)
1.一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法，其特征在于，
多相流场量测及反馈控制方法所用反应装置，反应装置主体为圆柱形曝气塔反应器，曝气塔反应器底部设有布气板，距离曝气塔反应器塔底0.1m向上等间距垂直设置多个压力传感器，压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号输入计算机；曝气塔反应器塔底连接空压机，曝气塔反应器内填充粒状活性炭颗粒；所述的A/D转换器为ISA总线微机接口板；
步骤如下：
1)特征参数获取方法
压力传感器采集到的数据通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入计算机，获得曝气流体环境下压力波动随时间变化的二维图像，根据二维图像计算获取压力波动的几何平均值
①气含率
气含率是表征上升气泡在体相的停留状态，对于气-液两相体系或固/液密度相对接近且处于均匀流化状态的多相流体系，气含率εg用公式(1)计算：
其中：h0是无曝气的液柱高度m；h是当量液位高度m，即为在一定曝气条件下的液柱高度m；压力波动的几何平均值与无曝气的液柱高度h0为正相关关系，相关系数大于0.998，绘制线性图；将一定曝气条件下测量得到的值代入 线性图，得到此曝气条件下的当量液位高度h；
②气/液接触时间
气/液接触时间是多相流气体传质吸收过程的控制因素，根据气含率确定气相在三相体系中的接触反应体积，如公式(2)所示：
其中：VL表示液相体积；
关联Vg与曝气强度得到实际的气/液接触反应停留时间，如公式(3)所示：
③气/液滑移强度
气/液滑移强度是表征上升气泡群相对液相运动速率，也是影响气/液接触时间和多相流体系快速混合传质能力的参数；在曝气状态下，上升气泡群经过压力传感器产生压力波动图，记录此刻时间为τ1；当此气泡群继续上升至下一个压力传感器，产生相同或及其相似的压力波动图，记录此刻时间为τ2；
根据公式(4)得出气/液滑移强度Us
其中：L表示两个相邻压力传感器的垂直安装距离；
④曝气能量耗散功率
多相反应体系的搅拌与传质是在曝气能量耗散驱动下完成的，将曝气能耗关联传质效能是评价体系动力效率的重要方面，曝气能量耗散功率δ通过公式(5)得到
其中：p0为标准大气压；v0为标准大气压对应的空气体积；pc为曝气口处的压强；
基于气压和液柱具有线性的对应关系，即1个大气压相当于10.336m水柱，根据当量液位高度h换算得曝气口处的气压值，即为曝气口处的压强pc；
⑤湍流尺度
搅拌扩散完成多相流体系的宏观混合，在相界面的Kolmogorov定理微观尺 度漩涡内，传质强度由分子扩散控制，控制湍流尺度λ也是强化传质的重要途径，通过公式(6)计算获得，
其中：ν为流体运动粘度；ρ为流体密度；
2)在实际含填料的三相流体系中进行曝气测试，即无溶质反应，记录溶解气体浓度随时间的变化动力学曲线，并计算获得总气-液传质系数kLa，如方程(7)所示：
其中：C为t时刻的溶解气体浓度；C*为实际温度下的饱和气体浓度；
调节三相流体系中的曝气强度，获得压力波动的几何平均值进而获得气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度；以kLa为变量参照：kLa通过在线溶氧仪追踪溶解氧浓度随时间变化，根据方程(7)得到；随曝气强度的逐渐变化，气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率、湍流尺度以及kLa均有改变；以kLa为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到具有对应变化规律的曲线；用相同的方法分别以气含率、气/液接触时间、气/液滑移强度、曝气能量耗散功率和湍流尺度为纵坐标，曝气强度为横坐标，得到对应变化规律的曲线，将上述特征参数对应的变化规律与kLa的变化规律比较，与kLa的变化规律最接近的特征参数作为影响传质的控制参数；控制参数有1个或多个；
按照上述确定的控制参数，在调节相同曝气强度前提下，改变曝气塔反应器设计参数：a.曝气塔反应器尺寸及流体负荷；b.曝气方式；c.布气板位置、孔径或孔间距；对每次设计参数的改变均确定相应条件下影响传质的控制参数；在一定的曝气强度下，建立多组正交的曝气工况数据，并进行统计分析，以控 制参数为主要参照，确定曝气塔反应器的最佳设计条件，即满足在相同的曝气能耗基础上最大化提升气-液传质效率。
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