CN115950789B - 一种基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法及装置。该方法包括：逐步在一定量流动料液中增加待评估阻垢剂，并实时获得流动料液在待评估阻垢剂的不同添加量下的结晶动力学系数与流体动力学系数，基于所获取的结晶动力学系数与流体动力学系数，确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制时，所述流动料液中所述待评估阻垢剂的浓度作为其临界浓度；对于所述流动料液，临界浓度越小的阻垢剂，则其阻垢性能越好。本发明通过比较不同阻垢剂的临界浓度，实现了对阻垢剂性能的科学、精准地量化评估，为用户在对特定料液筛选阻垢剂以及对应的用量提供有效的指导。
Description
技术领域
本发明涉及阻垢剂性能评估领域，具体涉及一种基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法及装置。
背景技术
结垢现象广泛出现在脱盐过程中，脱盐料液的结垢将导致膜通量下降，影响膜性能。料液温度上升造成水中成垢离子溶解度降低以及浓差极化现象是造成结垢的主要原因。阻垢剂是用于阻止结垢形成、抑制结垢沉积的一类药剂。随着科技的发展，有关阻垢剂的合成和应用技术也日趋成熟。目前，阻垢剂广泛应用于水处理、化工、石油等各个领域。市面上的阻垢剂种类繁多，由于不清楚或者不确定阻垢剂之间的性能差异，用户在选择阻垢剂时面临很大困难。因此，科学的阻垢剂性能评价方法得出的性能指标对用户筛选阻垢剂具有重要的指导意义。
目前阻垢剂的性能评价方法主要包括碳酸钙沉淀法、鼓泡法、临界pH法、临界电导法、诱导期法和动态模拟法等。这些方法大多测得的是阻垢剂抑制成垢盐类在溶液中的析出程度。常规的阻垢剂性能评价方法几乎均通过测定成垢溶液中剩余的Ca2+的浓度来评价阻垢剂的阻垢性能，需要通过EDTA滴定法滴定后进行计算才能得到Ca2+的浓度，不仅过程繁琐，滴定操作的熟练度还会对阻垢剂性能评价结果产生一定的影响，无法精准地量化评价阻垢剂的性能。
发明内容
本发明针对传统的阻垢剂性能评价方法中阻垢剂性能难以精准量化的缺点，提出了一种基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法及装置。本发明提供的技术方案能够实现对阻垢剂性能进行科学、精确地量化评价，相关评估装置能够快速、自动地实现对阻垢剂性能进行评价。
本发明提供的技术方案对阻垢剂的性能评估是以下原理：当未添加待评估阻垢剂时，增大流动料液的雷诺数，传质系数随着雷诺数增大而增大，结晶成核过程由质量传递控制（结晶速率与流体传质系数相关）；随着待评估阻垢剂的添加，流动料液结垢速率降低；当阻垢剂添加量增加至一定浓度时，传质系数不随雷诺数的增大而增大，结晶成核过程转化为表面反应控制（结晶速率不受流体传质影响），此时阻垢剂的浓度为临界浓度。通过量化加入待评估阻垢剂后的流动料液雷诺数和传质系数之间的关系（雷诺数R e是用来表征料液流速的流体动力学系数，传质系数K m 是用来判断结垢沉积过程是否由传质控制的结晶动力学系数）来获取待评估阻垢剂的临界浓度。将阻垢剂的临界浓度作为评价其对于所述流动料液的阻垢性能的指标，阻垢剂的临界浓度越低，说明其阻垢剂性能越好。
基于上述原理，本发明的第一方法提供一种基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法。该方法包括：逐步在一定量的流动料液中增加待评估阻垢剂，并实时获得流动料液在待评估阻垢剂的不同添加量下的结晶动力学系数与流体动力学系数，基于所获取的结晶动力学系数与流体动力学系数确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制时所述流动料液中所述待评估阻垢剂的浓度作为其临界浓度；将待评估阻垢剂的临界浓度作为其对于所述流动料液阻垢性能的评价指标。
进一步地，所述结晶动力学系数为所述流动料液的传质系数，所述流体动力学系数为所述流动料液的雷诺数。当所述流动料液的传质系数不随其雷诺系数的增大而增大时，确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制。
优选地，所述流动料液为海水、苦咸水以及工业废水中的任一种。所述阻垢剂为可生物降解型阻垢剂（天然高分子阻垢剂、聚合物阻垢剂和改性天然聚合物阻垢剂等）和不可生物降解型阻垢剂（无机磷酸盐阻垢剂、无机缩聚磷酸盐阻垢剂和重金属阻垢剂等）中的任一种。
本发明的第二方面提供一种用于实现上述阻垢剂性能评估方法的评估系统。该系统包括：料液输送装置、实验装置以及数据采集处理装置。其中，所述料液输送装置包括：输液管，进料泵和进料桶；所述进料泵从所述进料桶中向所述输液管泵送以产生流动料液，所述流动料液依次经由所述输液管、测试单元回到所述进料桶。所述实验装置包括含加热装置的测试单元和冷却装置，输入到所述测试单元的流动料液经由所述加热装置后流出所述测试单元经由所述输液管回到所述进料桶，所述冷却装置放置在所述进料桶中对其中的料液进行冷却控温；所述加热装置的表面温度通过改变加热回路功率来调节。所述数据采集处理装置包括：分别设置在所述测试单元料液进口处和料液出口处、所述加热装置上端、下端的四个温度传感器，设置在所述测试单元料液进口处的流量计，对所述四个温度传感器和流量计所采集的数据进行实时记录以计算得到所述流动料液传质系数K m 和雷诺系数R e的数据处理单元。
进一步地，所述评估系统还包括设置用于向所述进料桶中添加待评估阻垢剂的添加装置。所述评估系统对待评估阻垢剂进行性能评估的过程为：在向所述进料桶中加入大于预设量的料液，并通过所述数据处理单元记录向所述进料桶中装的料液的体积V，所述体积V大于预设值；在打开冷却装置，并将加热装置加热至预设的温度范围以后，所述数据处理单元重复执行以下实验过程，直至人工触发中断：控制所述添加装置向所述进料桶中添加预定量的待评估阻垢剂，开启所述进料泵、并使其工作在初始功率，在进料桶中的料液在评估系统中循环流动预定时间后，重复执行N次以下计算过程以获得N组传质系数K m 和雷诺系数R e，N为大于2的自然数。所述重复执行N次的计算过程为：基于实时记录所述四个温度传感器实时采集的温度以及流量计采集的数据，计算当前流动料液相对于当前进料泵功率的一组传质系数K m 和雷诺系数R e，将所述进料泵的功率提高预设量。
进一步地，所述数据处理单元计算当前流动料液的雷诺系数，实现为：基于流量计采集的、在进料泵当前工作功率下所述流动料液流动速度计算出相应平均流动速度V，结合测试单元的当量直径d e 以及流动料液的运动粘滞系数，采用以下公式计算得到当前流动料液的雷诺系数R e：
所述计算处理单元依据以下公式计算所述料液的传质系数K m ：
其中，h为加热装置的传热系数，q为加热装置的加热功率，A为加热装置的有效加热面积，为加热装置上端的温度，/>为加热装置下端的温度，/>为进料口的料液温度，/>为出料口的料液温度，/>为结垢与流动料液间阻力系数，K s 为结垢导热系数，为壁温增长速率，/>为结垢的密度，/>为料液的主体浓度，/>为结垢在加热装置加热温度下的溶解度。
进一步地，所述数据处理单元还实时基于所述获得的N组传质系数K m 和雷诺系数R e，在预设的二维坐标中绘制相应的点，相邻点与点之间采用直线连接；所述二维坐标的横坐标为每条实验记录对应的雷诺系数，纵坐标为每条实验记录的传质系数。
本发明提供的技术方案不仅能以科学、精准的量化参数之间的关系对阻垢剂的阻垢性能（相对于特定流动料液）进行客观评估，而且借助提供的评估系统还能快速、自动地获取待评估阻垢剂的评估量化参数值，并以二维坐标曲线的形式展示传质系数和雷诺系数之间的关系，便于用户直观地发现待评估阻垢剂的临界浓度。
附图说明
图1为本发明提供的用于实现阻垢剂性能评估方法的评估系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的基于结晶动力学的阻垢剂性能评价方法包括：逐步在定量的流动料液（流动料液体积一定）中增加待评估阻垢剂（例如每次增加相同量的待评估阻垢剂），并实时获得流动料液在待评估阻垢剂的不同添加量下的结晶动力学系数与流体动力学系数；基于所获取的结晶动力学系数与流体动力学系数，确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制时所述流动料液中所述待评估阻垢剂的浓度作为其临界浓度；将待评估阻垢剂的临界浓度作为其对于所述流动料液阻垢性能的评价指标。显然，对于不同的阻垢剂，临界浓度越低，其阻垢性能则越好。
进一步地，所述结晶动力学系数为所述流动料液的传质系数，所述流体动力学系数为所述流动料液的雷诺数。对于一定体积的流动料液，当未添加待评估阻垢剂时，其结晶成核过程由质量传递控制（结晶速率与流体传质系数相关）。此时，增大所述流动料液的雷诺数，传质系数随着雷诺数增大而增大。随着待评估阻垢剂的添加，流动料液结垢速率降低；当阻垢剂添加量增加至一定浓度时，结晶成核过程转化为表面反应控制（结晶速率不受流体传质影响）。此时，
即便增加流动料液的雷诺系数，其传质系数不随雷诺数的增大而增大。当流动料液的结晶成核过程转化为表面反应控制时，所述流动料液中待评估阻垢剂的浓度为其临界浓度。
优选地，所述流动料液为海水、苦咸水以及工业废水中的任一种。所述阻垢剂为可生物降解型阻垢剂（天然高分子阻垢剂、聚合物阻垢剂和改性天然聚合物阻垢剂等）和不可生物降解型阻垢剂（无机磷酸盐阻垢剂、无机缩聚磷酸盐阻垢剂和重金属阻垢剂等）中的任一种。
如图1所示，本发明的第二方面还提供一种用于实现上述阻垢剂性能评估方法的评估系统。该系统包括：料液输送装置、实验装置以及数据采集处理装置。
其中，所述料液输送装置包括：输液管，进料泵和进料桶。所述进料泵从所述进料桶中向所述输液管泵送以产生流动料液，所述流动料液依次经由所述输液管、实验装置的测试单元回到所述进料桶。
所述实验装置包括含加热装置的测试单元和冷却装置。输入到所述测试单元的流动料液经由所述加热装置后流出所述测试单元经由所述输液管回到所述进料桶，所述冷却装置放置在所述进料桶中对其中的料液进行冷却控温。
所述加热装置的表面温度通过改变加热回路功率来调节（通过加热装置的交流电源AC和发热电感SSR进行调节）。所述数据采集处理装置包括：分别设置在所述测试单元料液进口处和料液出口处、所述加热装置上端、下端的四个温度传感器，设置在所述测试单元料液进口处的流量计，对所述四个温度传感器和流量计所采集的数据进行实时记录以计算得到所述流动料液传质系数K m 和雷诺系数R e的数据处理单元（图1中实现为工作站）。如图1所示，其中设置所述加热装置上端的温度传感器采集到的温度为，设置所述加热装置上端的温度传感器采集到的温度为/>，设置所述测试单元进料口处的温度传感器采集到的温度为/>，设置所述测试单元出料口处的温度传感器采集到的温度为/>。
进一步地，所述评估系统还包括设置用于向所述进料桶中添加待评估阻垢剂的添加装置（图1中未示出）。
所述评估系统对待评估阻垢剂进行性能评估的过程为：在向所述进料桶中加入大于预设量的料液，并通过所述数据处理单元记录向所述进料桶中装的料液的体积V，所述体积V大于预设值（保证整个系统中料液输送以及进料桶各个部分任何时候均有料液）。在打开冷却装置，并将加热装置加热至预设的温度范围以后，所述数据处理单元重复执行以下实验过程，直至人工触发中断：控制所述添加装置向所述进料桶中添加预定量的待评估阻垢剂，开启所述进料泵、并使其工作在初始功率，在进料桶中的料液在评估系统中循环流动预定时间后，重复执行N次以下计算过程以获得N组传质系数K m 和雷诺系数R e，N为大于2的自然数。所述重复执行N次的计算过程为：基于实时记录所述四个温度传感器实时采集的温度以及流量计采集的数据，计算当前流动料液相对于当前进料泵功率的一组传质系数K m 和雷诺系数R e，将所述进料泵的功率提高预设量。
进一步地，所述数据处理单元基于流量计采集的、在进料泵当前工作功率下所述流动料液流动速度计算出相应平均流动速度V，结合测试单元的当量直径d e 以及流动料液的运动粘滞系数，采用以下公式计算得到当前流动料液的雷诺系数R e：
所述计算处理单元依据以下公式计算所述料液的传质系数K m ：
其中，h为加热装置的传热系数，q为加热装置的加热功率，A为加热装置的有效加热面积，为加热装置上端的温度，/>为加热装置下端的温度，/>为进料口的料液温度，/>为出料口的料液温度，/>为结垢与流动料液间阻力系数，/>为结垢导热系数，为壁温增长速率，/>为结垢的密度，/>为料液的主体浓度，/>为结垢在加热装置加热温度下的溶解度。
进一步地，所述数据处理单元还实时基于所述获得的N组传质系数K m 和雷诺系数R e，在预设的二维坐标中绘制相应的点，相邻点与点之间采用直线连接；所述二维坐标的横坐标为每条实验记录对应的雷诺系数，纵坐标为每条实验记录的传质系数。
对于相同的流动料液，在获取每种待评估的阻垢剂的临界浓度后进行对比。临界浓度越低的阻垢剂，其对于所述流动料液的阻垢性能则越好。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种阻垢剂性能评估系统，用于根据实时获得的流动料液在待评估阻垢剂的不同添加量下的传质系数与雷诺系数，确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制时，所述流动料液中所述待评估阻垢剂的浓度作为临界浓度；基于所述临界浓度评价所述待评估阻垢剂对于所述流动料液的阻垢性能；其特征在于，所述评估系统包括：料液输送装置、实验装置以及数据采集处理装置；
其中，所述料液输送装置包括：输液管，进料泵和进料桶；所述进料泵从所述进料桶中向所述输液管泵送以产生流动料液，所述流动料液依次经由所述输液管、测试单元回到所述进料桶；
所述实验装置包括含加热装置的测试单元和冷却装置，输入到所述测试单元的流动料液经由所述加热装置后流出所述测试单元经由所述输液管回到所述进料桶，所述冷却装置放置在所述进料桶中对其中的料液进行冷却控温；所述加热装置的表面温度通过改变加热回路功率来调节；
所述数据采集处理装置包括：分别设置在所述测试单元料液进口处和料液出口处、所述加热装置上端、下端的四个温度传感器，设置在所述测试单元料液进口处的流量计，对所述四个温度传感器和流量计所采集的数据进行实时记录以计算得到所述流动料液传质系数K m 和雷诺系数R e的数据处理单元；
所述数据处理单元计算当前流动料液的雷诺系数R e，实现为：基于流量计采集的、在进料泵当前工作功率下所述流动料液流动速度计算出相应平均流动速度V，结合测试单元的当量直径d e 和流动料液的运动粘滞系数，采用以下公式计算当前流动料液的雷诺系数R e：
；
所述数据处理单元计算所述料液的传质系数K m 的计算公式为：
其中，h为加热装置的传热系数，q为加热装置的加热功率，A为加热装置的有效加热面积，为加热装置上端的温度，/>为加热装置下端的温度，/>为进料口的料液温度，为出料口的料液温度，/>为结垢与流动料液间阻力系数，K s 为结垢导热系数，为壁温增长速率，/>为结垢的密度，/>为料液的主体浓度，/>为结垢在加热装置加热温度下的溶解度。
2.如权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述评估系统还包括设置用于向所述进料桶中添加待评估阻垢剂的添加装置；在向所述进料桶中加入大于预设量的料液，并通过所述数据处理单元记录向所述进料桶中装的料液的体积后，所述数据处理单元打开所述冷却装置并将加热装置加热至预设的温度范围，重复执行以下实验过程直至人工触发中断：
控制所述添加装置向所述进料桶中添加预定量的待评估阻垢剂，开启所述进料泵、并使其工作在初始功率，在进料桶中的料液在评估系统中循环流动预定时间后，重复执行N次预设计算过程以获得N组传质系数K m 和雷诺系数R e，N为大于2的自然数；
所述预设计算过程包括：基于实时记录所述四个温度传感器以及流量计采集的数据，计算当前流动料液相对于当前进料泵功率的一组传质系数K m 和雷诺系数R e，将所述进料泵的功率提高预设量。
3.如权利要求2所述的评估系统，其特征在于，所述数据处理单元，还实时基于所述获得的N组传质系数K m 和雷诺系数R e，在预设的二维坐标中绘制相应的点，相邻点与点之间采用直线连接；所述二维坐标的横坐标为每条实验记录对应的雷诺系数，纵坐标为每条实验记录的传质系数。
4.如权利要求1所述的评估系统，其特征在于，当所述流动料液的传质系数不随其雷诺系数的增大而增大时，确定所述流动料液的结垢过程由质量传递控制转化为表面反应控制。
5.如权利要求1-4任一项所述的评估系统，其特征在于，所述流动料液为海水、苦咸水以及工业废水中的任一种。
6.如权利要求1-4中任一项所述的评估系统，其特征在于，所述阻垢剂为可生物降解型阻垢剂或不可生物降解型阻垢剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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