CN116596157A - 一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法，建立方法包括以下步骤：利用传统的双模理论及平推流模型，先对反应器的传质‑反应过程进行建模，得到宏观的传质‑反应模型；对于宏观的传质‑反应模型中的各项模型参数，利用微界面构效调控模型进行补充，从而得到完整的传质‑反应模型；最后，根据真实情况的工艺流程，建立一套可以模拟微界面条件下反应器的生产情况的模型。

Description

一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法
技术领域
本发明涉及微界面强化技术领域，具体而言，涉及一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法。
背景技术
过氧化氢是一种重要的化工环保产品，可作为氧化剂，漂白剂、消毒剂、脱氧剂、聚合引发剂和交联剂等，广泛应用于造纸、纺织、化工、军工、环保、医药、食品等行业。由于其分解释放氧原子的重要特性，作为绿色氧化剂在世界各国各个领域的用途愈来愈广泛，供求呈现快速增长的趋势。
目前过氧化氢使用最广泛的生产方法是蒽醌法，蒽醌法主要由氢化工段和氧化工段组成。蒽醌法的氢化工段技术还存在以下几个需要优化的部分：首先进料氢气由氢化塔顶部直接进入塔内参与氢化反应，其所形成的氢气泡直径较大，气液固相界面积较小，传质效率有待提高，进而导致整体的氢化反应效率不高。其次目前氢气利用率较低，约为89.4％，氢气压缩机能耗还有一定节能空间；且目前工艺的氢化效率为8～9g/L，氢化塔生产能力也有待进一步优化提高。另一方面，氧化工段技术也存在有需要优化的部分：首先进料空气通过气体分布器进入氧化塔，气体分布器的开孔约为1～2mm，虽然开孔尺寸较小，但形成的气泡在反应器内上升的过程容易聚并变大，反应器内气体分散不均且部分空气气泡直径较大，气液相界面积小，传质效率较低，进而导致整体氧化反应效率不高；其次，氧化塔顶部尾气中氧含量为4.5～5.5％，空气中氧气利用效率为74～78％左右，整体氧气利用率不高，还有进一步提升空间。
微界面传质强化技术作为一项能够有效实现“绿色化学”的技术，可以大幅度提高液-液、气-液、液-固等界面反应的传质效率，因此该技术特别适用于受传质速率控制的反应控制，能够全部或部分消除了由于宏界面体系的相界传质速率偏低而造成的传质瓶颈。
因此，预测在蒽醌法制过氧化氢过程中，微界面强化技术对于氢化及氧化工段的强化效果，并根据蒽醌法氢化及氧化工段的反应，建立出一套可以模拟微界面条件下的反应器的生产情况的数学模型，从而最大程度地提高时空产率，进而实现微界面反应强化技术的经济性是一个重要的现实问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法，结合微界面强化技术，预测微界面强化对蒽醌法制过氧化氢中氢化及氧化工段的强化效果，以优化反应参数的设计，构建微界面强化蒽醌法制过氧化氢反应体系的调控数学模型，从理论上探讨提高装置产能、减小能源消耗、降低运行成本的更佳方案。
为实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法，包括以下步骤：
S1、构建氢化工段的传质-反应模型：
将氢气设定为组分A，选用平推流模型，对气相中的氢气进行质量衡算：气相中没有发生反应，氢气的压力梯度与氢气的传质速率相等，可得到：
式(1)中，PA为氢气的压力，单位Pa；HA为氢气组分亨利系数，单位Pa·m3/mol；uG为表观气速，单位m/s；ε为床层孔隙率；为氢气在液相中的传质系数，单位m/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，选用平推流模型，对液相中的氢气进行质量衡算：溶解氢的浓度梯度等于氢气在气-液和液-固界面上的传质，对于液相组分而言，其浓度梯度等同于液-固传质速率，可得到：
式(2)中，和/>为液相中溶解氢的浓度和催化剂表面氢气的浓度，单位mol/m3；和/>为液相中蒽醌混合物的浓度和催化剂表面蒽醌混合物的浓度，单位mol/m3；ul为表观液速，单位m/s；as为固-液传质相界面积，单位m2/m3；/>为氢气在催化剂表面的传质系数，单位m/s；/>为蒽醌混合物在催化剂表面的传质系数，单位m/s；
通过液-固传质的化合物会被消耗，由于反应处于稳态，传质量等同于消耗量，可以得到如下方程：
式(3)中，γ为化学计量常数；
使用龙格库塔法求解公式(1)-(3)，组成全塔模型，其中传质参数使用微界面传质构效调控模型；
S2、构建微界面传质构效调控模型：
微界面体系液侧传质系数调控数学模型的一般形式为：
式(4)中，Dl为液相扩散系数，单位m2/s；d32为气泡平均直径，单位m；vG为表观气速，单位m/s；vl为表观液速，单位m/s；v32为气泡群上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(5)中，V0为无限大静止液体中单个气泡的上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(6)中，g为重力加速度，单位m/s2；ρL为液体密度，单位kg/m3；σL为液体表面张力，单位N/m；c、n和Kb为与体系物性相关的常数，不具有明确意义，常使用经验值；de为无量纲气泡直径，计算公式为：
de＝d32(ρLg/σL)1/2 (7)；
式(6)中，MO为Morton数，为无量纲参数，描述气泡在液相中移动时的外形，计算公式为：
Mo＝gμL 4/(ρLσL 3) (8)；
式(8)中，μL为液相粘度，单位Pa·s；
则微界面气液相界面积计算公式为：
式(9)中，ɑ为气液相界面积，单位m2/m3；为气含率；
则固液传质系数及固液传质相界面积计算公式为：
式(10)中，为i组分的固液传质系数，单位m/s；/>为i组分的液相扩散系数，单位m2/s；GL为液体质量流量，单位kg/m3；
S3、构建氧化工段的传质-反应模型：
将双模理论和平推流模型进行简化，建立传质-反应模型，将氧气设定为组分C，对于进出微元气相中的氧气进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(11)、式(12)中，FCI为进入微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；FCO为离开微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；a为气液相界面积，单位m2/m3；PC为氧气分压，单位Pa；HC为氧气组分亨利系数，单位MPa·m3/mol；CC为氧气组分在液相中的浓度，单位mol/m3；S0为反应器横截面积，单位m2；Z为塔高，单位m；AC为塔截面积，单位m2；QG0为气相流量，单位m3/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，对于进出微元液相中的蒽醌混合物组分进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(13)中，CB为蒽醌混合物组分在液相中的浓度，单位mol/m3；QL0为液相流量，单位m3/s；kox为反应速率常数，单位s-1；
氧气穿过气液界面后，假设传质速率和反应速率相等，可以得到等式：
S4、建立氧化工段三塔工艺的求解方式：
结合氧化工段的传质-反应模型，利用试差法，得到氧化工段三塔工艺的求解方式；
根据求解方法计算得到离开第一氧化塔的氧气分压PC(1，OUT)，以及离开第一氧化塔的蒽醌混合物浓度CB(1，OUT)，进而实现对整个工段的模型的模拟。
优选地，所述氧化工段三塔工艺的求解方式包括如下步骤：
a、给定PC(3，IN)，PC(2，IN)以及CB(1，IN)的初始值；
b、设定CB(1，OUT)的值，令CB(1，OUT，M)＝CB(1，IN)-1，其中CB(1，OUT，M)为设定值；
c、将CB(1，OUT)，PC(2，IN)代入第二反应塔的全塔模型，得到CB(2，OUT)以及PC(2，OUT)；将CB(2，OUT)，PC(3，IN)代入第三反应塔的全塔模型，得到CB(3，OUT)以及PC(3，OUT)；
d、根据公式计算得到PC(1，IN)；
e、将CB(1，IN)，PC(1，IN)代入第一反应塔的全塔模型，得到CB(1，OUT)以及PC(1，OUT)；
f、比对(CB(1，OUT，M)－CB(1，OUT))的绝对值是否小于10-3，若是，则输出PC(1，OUT)以及CB(1，OUT)的值；若否，则令CB(1，OUT，M)＝CB(1，OUT，M)－1后，返回步骤c中。
根据真实情况的工艺流程，结合试差法的求解方式，建立氧化工段三塔工艺的求解方式，最终能够得出PC(1，OUT)以及CB(1，OUT)的值，其可用于计算氧气塔的氧化效率和氧气利用率，得到氧化工段在各参数下的模拟计算结果。
优选地，在S3步骤中，所述将双模理论和平推流模型进行简化的简化条件为：
微气泡大小不变且为理想球体，假设反应器任意位置处气体流量近似不变；
反应器内气泡均一且分布均匀；
假设气液两相呈现理想平推流；
氧气的传质速率等于其在液相中的消耗速率；
气-液界面处氧气处于溶解平衡且忽略气膜传质系数。
其中，由于气泡内氧气含量较低，同时气泡在上升过程中静压降低，故可将气泡看为大小不变的理想球体；为了使得模型更易于建立和应用，通过将各项条件进行简化，减少模型中的变量数量，降低建模难度，使得模型更具有解释性和可操作性。同时，在确保了不影响模型的有效性和合理性下，避免了数据过拟合的问题，提升模型的泛化能力。
优选地，所述与体系物性相关的常数的取值分别为：c＝1.4，Kb＝20.4，n＝1.6。，该取值为经验值，由大量实验模拟所得，确保在微界面以及本发明的反应体系下，公式的计算结果不会偏离经验公式。
本发明的第二目的在于提供一种微界面强化反应器，可通过微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法设计得到。通过上述计算方法设计得到的微界面强化反应器，更符合实际应用情况，以使微界面强化反应器达到优良的反应效果。
另外，本发明的反应器结构可参见发明人在先申请的专利CN106187660A，本发明中不再赘述。本发明基于所构建的构效调控数学模型、操作参数对反应传输效果的关联影响，进行相关的反应器结构参数设计。
本发明利用传统的双模理论以及平推流模型，先对氢化工段以及氧化工段反应器的传质-反应过程进行建模，得到宏观的传质-反应模型，而该宏观模型中的各模型参数，则利用微界面构效调控模型进行补充，从而得到完整的传质-反应模型。再根据真实情况的工艺流程，建立求解方式，以实现模拟计算出微界面强化技术对反应体系所产生的实质效用。根据实际的工艺流程，氢化工段只需使用一个反应塔，进行的模拟计算较为简单，而氧化工段需要使用三个反应塔，彼此之间相互关联，工艺较为复杂，因此对于氧化工段中的多塔工艺，本发明利用试差法构建模型的求解方式，得到可用于计算氧化塔氧化效率以及氧气利用率的参数，从而对整个工段的模型进行模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过构建微界面强化蒽醌法的工段模拟的数字模型，能够预测微界面强化技术对于氢化以及氧化工段的强化效果，为微界面强化反应器在蒽醌法制过氧化氢反应体系的应用提供设计和操作依据，通过分析微界面强化技术给氢化效率、氢气利用率、氧化效率、氧气利用率等参数带来的改变，在提高装置产能、增加安全性、减小能耗和运行成本、保护催化剂等方面具有积极意义。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例所提供的氧化工段的多塔工艺流程框图；
图2为本发明实施例所提供的氧化工段的多塔工艺求解过程图；
图3为本发明实施例所模拟的氢化工段中液时空速和气泡尺寸对反应的影响结果图；
图4为本发明实施例所模拟的氢化工段中气液比和气泡尺寸对反应的影响结果图；
图5为本发明实施例所模拟的氢化工段中反应温度和气泡尺寸对反应的影响结果图；
图6为本发明实施例所模拟的氧化工段中进气压力和气泡尺寸对反应的影响结果图；
图7为本发明实施例所模拟的氧化工段中气液比和气泡尺寸对反应的影响结果图；
图8为本发明实施例所模拟的氢化工段中反应温度和气泡尺寸对反应的影响结果图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例
本实施例基于本发明的建模方法，针对某企业蒽醌法制过氧化氢的工段进行模拟，研究和预测结合微界面强化技术后的生产情况，具体包括以下步骤：
S1、构建氢化工段的传质-反应模型：
对于氢化工段，由于工业上的固定床加氢反应器一般为绝热式，催化剂粒径大，流体线速度大，因此可看成平推流反应器，采用平推流模型。
将氢气设定为组分A，选用平推流模型，对气相中的氢气进行质量衡算：氢气的压力梯度与氢气的传质速率相等，可得到：
式(1)中，PA为氢气的压力，单位Pa；HA为氢气组分亨利系数，单位Pa·m3/mol；uG为表观气速，单位m/s；ε为床层孔隙率；为氢气在液相中的传质系数，单位m/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，选用平推流模型，对液相中的氢气进行质量衡算：溶解氢的浓度梯度等于氢气在气-液和液-固界面上的传质，对于液相组分而言，其浓度梯度等同于液-固传质速率，可得到：
式(2)中，和/>为液相中溶解氢的浓度和催化剂表面氢气的浓度，单位mol/m3；和/>为液相中蒽醌混合物的浓度和催化剂表面蒽醌混合物的浓度，单位mol/m3；ul为表观液速，单位m/s；as为固-液传质相界面积，单位m2/m3；/>为氢气在催化剂表面的传质系数，单位m/s；/>为蒽醌混合物在催化剂表面的传质系数，单位m/s；
通过液-固传质的化合物会被消耗，由于反应处于稳态，传质量等同于消耗量，可以得到如下方程：
式(3)中，γ为化学计量常数；
使用龙格库塔法求解公式(1)-(3)，组成全塔模型，其中传质参数使用微界面传质构效调控模型；
S2、构建微界面传质构效调控模型：
微界面体系液侧传质系数调控数学模型的一般形式为：
式(4)中，Dl为液相扩散系数，单位m2/s；d32为气泡平均直径，单位m；vG为表观气速，单位m/s；vl为表观液速，单位m/s；v32为气泡群上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(5)中，V0为无限大静止液体中单个气泡的上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(6)中，g为重力加速度，单位m/s2；ρL为液体密度，单位kg/m3；σL为液体表面张力，单位N/m；c、n和Kb为与体系物性相关的常数，不具有明确意义，常使用经验值，在本发明的微界面体系下，取值为：c＝1.4，Kb＝20.4，n＝1.6；de为无量纲气泡直径，计算公式为：
de＝d32(ρLg/σL)1/2 (7)；
式(6)中，MO为Morton数，为无量纲参数，描述气泡在液相中移动时的外形，计算公式为：
Mo＝gμL 4/(ρLσL 3) (8)；
式(8)中，μL为液相粘度，单位Pa·s；
则微界面气液相界面积计算公式为：
式(9)中，ɑ为气液相界面积，单位m2/m3；为气含率；
则固液传质系数及固液传质相界面积计算公式为：
式(10)中，为i组分的固液传质系数，单位m/s；/>为i组分的液相扩散系数，单位m2/s；GL为液体质量流量，单位kg/m3；
S3、构建氧化工段的传质-反应模型：
将双模理论和平推流模型进行简化，简化条件为：
微气泡大小不变且为理想球体，假设反应器任意位置处气体流量近似不变；
反应器内气泡均一且分布均匀；
假设气液两相呈现理想平推流；
氧气的传质速率等于其在液相中的消耗速率；
气-液界面处氧气处于溶解平衡且忽略气膜传质系数。
建立传质-反应模型，将氧气设定为组分C，对于进出微元气相中的氧气进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(11)、式(12)中，FCI为进入微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；FCO为离开微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；a为气液相界面积，单位m2/m3；PC为氧气分压，单位Pa；HC为氧气组分亨利系数，单位MPa·m3/mol；CC为氧气组分在液相中的浓度，单位mol/m3；S0为反应器横截面积，单位m2；Z为塔高，单位m；AC为塔截面积，单位m2；QG0为气相流量，单位m3/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，对于进出微元液相中的蒽醌混合物组分进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(13)中，CB为蒽醌混合物组分在液相中的浓度，单位mol/m3；QL0为液相流量，单位m3/s；kox为反应速率常数，单位s-1；
氧气穿过气液界面后，假设传质速率和反应速率相等，可以得到等式：
S4、建立氧化工段三塔工艺的求解方式：
如图1、2所示，由于氧化工段需要使用三个氧化塔，彼此之间的工艺流程较为复杂，因此结合氧化工段的传质-反应模型，利用试差法，得到氧化工段三塔工艺的求解框图与求解方式。求解方式包括如下步骤：
a、给定PC(3，IN)，PC(2，IN)以及CB(1，IN)的初始值；
b、设定CB(1，OUT)的值，令CB(1，OUT，M)＝CB(1，IN)-1，其中CB(1，OUT，M)为设定值；
c、将CB(1，OUT)，PC(2，IN)代入第二反应塔的全塔模型，得到CB(2，OUT)以及PC(2，OUT)；将CB(2，OUT)，PC(3，IN)代入第三反应塔的全塔模型，得到CB(3，OUT)以及PC(3，OUT)；
d、根据公式计算得到PC(1，IN)；
e、将CB(1，IN)，PC(1，IN)代入第一反应塔的全塔模型，得到CB(1，OUT)以及PC(1，OUT)；
f、比对(CB(1，OUT，M)－CB(1，OUT))的绝对值是否小于10-3，若是，则输出PC(1，OUT)以及CB(1，OUT)的值；若否，则令CB(1，OUT，M)＝CB(1，OUT，M)－1后，返回步骤c中。
通过结合试差法的求解方式，最终能够得出PC(1，OUT)以及CB(1，OUT)的值，其可用于计算氧气塔的氧化效率和氧气利用率，进而实现对整个工段的模型的模拟。
本实施例根据模拟计算结果，研究了在结合微界面强化技术后，液时空速、气液比、反应温度和进气压力对反应的影响，分析微界面强化技术对于本发明的反应体系能起到的实质作用。其中，微界面强化技术本质是由于强化体系的传质速率相较于宏界面体系的传质速率获得大幅加速或强化，具体表现在气泡尺寸从宏气泡(5.0mm)转向微气泡(0.5mm)。
如图3所示，为氢化工段中液时空速和气泡尺寸对于反应的影响。从图中可以看出，在固定液时空速的条件下，从宏气泡转向微气泡的过程中，氢化效率皆有一个较大的提升，氢气利用率趋向于100％，同时随着液时空速的提升，氢化效率和氢气利用率有一定的减小，这是由于较大的液时空速使得气泡的停留时间减小，传质能力的减弱导致的。减小液时空速虽然可以得到一个较高的氢化效率和氢气利用率，但会造成产量的降低，因此生产中在保证反应效果的前提下不会选择减小液时空速，同时模拟结果发现，当增大20％的液时空速情况下，在微气泡尺度下氢化效率和氢气利用率相较于宏气泡尺度下增大了13.85％和12.85％，完全可以达到强化蒽醌工作液加氢反应的目的。
如图4所示，为氢化工段中气液比和气泡尺寸对于反应的影响。从图中可以看出，即使在气液比较小的情况下，气泡尺寸的减小也可以有效提高氢气利用率，此外在气液比较大的情况下，凭借其对传质效果的加强，气泡尺寸的变化对于氢气利用率的影响相对较小。在0.5mm的气泡尺寸下，气液比为原设计值时，氢化效率能够达到10.65g/l，可以达到预期的强化目标，此时氢气的利用率95.03％；但在0.9倍气液比的原设计值下，氢化效率虽然减小至10.22g/l，但氢气利用率提升至98.29％，因此在微界面体系中适当减少气液比，也可以同时满足氢化效率和氢气利用率的强化。
如图5所示，为氢化工段中反应温度和气泡尺寸对于反应的影响。从图中可以看出，氢化效率和氢气利用率都随着气泡尺寸的减小和反应温度的升高而增大，这主要是由于气泡尺寸减小带来的传质强化和温度升高带来的本征反应动力学速率的加快。同时还可观察到，在降低反应温度的情况下，氢化效率和氢气利用率分别可以达到10.24g/l和94.18％，这相较于宏气泡下依然有12.5％和11.7％的提升。因此理论上来说，在蒽醌法氢化工段中引入微界面反应强化技术，即使在降低反应温度的情况下，仍然可以获得较高的氢化效率和氢气利用率。
如图6所示，为氧化工段中进气压力和气泡尺寸对于反应的影响。氧化效率是评价氧化工段反应的重要指标之一，此参数表征了氧化的完全率，指氢化的蒽醌被氧化为蒽醌的比率。在原工况条件下，引入微界面强化机组后，氧化效率可以达到99.00％以上，同时对应的尾氧含量较大，大约3.41％，这表示微界面体系可以较大的增强传质效果。基于以上分析，研究了不同压力下的反应情况，可以看到在压力在0.35MPa和0.375MPa的情况下，尾氧含量可以达到小于1％，但氧化效率远远达不到工业要求。而在0.4MPa的条件下，氧化效率达到98.90％，同时尾氧含量小于1％。
如图7所示，为氧化工段中气液比和气泡尺寸对于反应的影响。由数据模拟结果可知，在同一气泡尺度下，随着气液比的提升，氧化效率提升，当气液比提升至0.95倍原气液比时候，微界面对于反应的强化效果逐渐减小，这也是由于氧气的饱和以及较为完全的反应。在0.425MPa，原气液比工况下，氧化效率达到99.28％，尾氧含量2.03％，且减小气液比以后，依然可以保证99.15％的氧化效率，同时尾氧含量仅1.09％。
如图8所示，为氧化工段中反应温度和气泡尺寸对于反应的影响。由数据模拟结果可知，随着温度的升高，氧化效率提升，尾氧含量减少，反应效果变好，在微界面体系下，从46℃到52℃，每升高2℃，氧化效率分别提升0.07％，0.05％，0.05％，同时尾氧含量分别减少1.7％，0.9％，1.8％，温度对于反应体系的影响较小。在气液比减少5.56％，进气压力降低5％，反应温度降低4℃的情况下，微界面体系的氧化效率和尾气含量相较于宏气泡体系分别提升4.02％，减少3.7％。
最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建氢化工段的传质-反应模型：
将氢气设定为组分A，选用平推流模型，对气相中的氢气进行质量衡算：氢气的压力梯度与氢气的传质速率相等，可得到：
式(1)中，PA为氢气的压力，单位Pa；HA为氢气组分亨利系数，单位Pa·m3/mol；uG为表观气速，单位m/s；ε为床层孔隙率；为氢气在液相中的传质系数，单位m/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，选用平推流模型，对液相中的氢气进行质量衡算：溶解氢的浓度梯度等于氢气在气-液和液-固界面上的传质，对于液相组分而言，其浓度梯度等同于液-固传质速率，可得到：
式(2)中，和/>为液相中溶解氢的浓度和催化剂表面氢气的浓度，单位mol/m3；/>和/>为液相中蒽醌混合物的浓度和催化剂表面蒽醌混合物的浓度，单位mol/m3；ul为表观液速，单位m/s；as为固-液传质相界面积，单位m2/m3；/>为氢气在催化剂表面的传质系数，单位m/s；/>为蒽醌混合物在催化剂表面的传质系数，单位m/s；
通过液-固传质的化合物会被消耗，由于反应处于稳态，传质量等同于消耗量，可以得到如下方程：
式(3)中，γ为化学计量常数；
使用龙格库塔法求解公式(1)-(3)，组成全塔模型，其中传质参数使用微界面传质构效调控模型；
S2、构建微界面传质构效调控模型：
微界面体系液侧传质系数调控数学模型的一般形式为：
式(4)中，Dl为液相扩散系数，单位m2/s；d32为气泡平均直径，单位m；vG为表观气速，单位m/s；vl为表观液速，单位m/s；v32为气泡群上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(5)中，V0为无限大静止液体中单个气泡的上升速度，单位m/s，计算公式为：
式(6)中，g为重力加速度，单位m/s2；ρL为液体密度，单位kg/m3；σL为液体表面张力，单位N/m；c、n和Kb为与体系物性相关的常数，不具有明确意义，常使用经验值；de为无量纲气泡直径，计算公式为：
de＝d32(ρLg/σL)1/2 (7)；
式(6)中，MO为Morton数，为无量纲参数，描述气泡在液相中移动时的外形，计算公式为：
Mo＝gμL 4/(ρLσL 3) (8)；
式(8)中，μL为液相粘度，单位Pa·s；
则微界面气液相界面积计算公式为：
式(9)中，ɑ为气液相界面积，单位m2/m3；为气含率；
则固液传质系数及固液传质相界面积计算公式为：
式(10)中，为i组分的固液传质系数，单位m/s；/>为i组分的液相扩散系数，单位m2/s；GL为液体质量流量，单位kg/m3；
S3、构建氧化工段的传质-反应模型：
将双模理论和平推流模型进行简化，建立传质-反应模型，将氧气设定为组分C，对于进出微元气相中的氧气进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(11)、式(12)中，FCI为进入微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；FCO为离开微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；a为气液相界面积，单位m2/m3；PC为氧气分压，单位Pa；HC为氧气组分亨利系数，单位MPa·m3/mol；CC为氧气组分在液相中的浓度，单位mol/m3；S0为反应器横截面积，单位m2；Z为塔高，单位m；AC为塔截面积，单位m2；QG0为气相流量，单位m3/s；
将蒽醌混合物设定为组分B，对于进出微元液相中的蒽醌混合物组分进行质量衡算，选用平推流模型，可得到：
式(13)中，CB为蒽醌混合物组分在液相中的浓度，单位mol/m3；QL0为液相流量，单位m3/s；kox为反应速率常数，单位s-1；
氧气穿过气液界面后，假设传质速率和反应速率相等，可以得到等式：
S4、建立氧化工段三塔工艺的求解方式：
结合氧化工段的传质-反应模型，利用试差法，得到氧化工段三塔工艺的求解方式；
根据求解方法计算，得到离开第一氧化塔的氧气分压PC(1，OUT)，以及离开第一氧化塔的蒽醌混合物浓度CB(1，OUT)，进而实现对整个工段的模型的模拟。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述氧化工段三塔工艺的求解方式包括如下步骤：
a、给定PC(3，IN)，PC(2，IN)以及CB(1，IN)的初始值；
b、设定CB(1，OUT)的值，令CB(1，OUT，M)＝CB(1，IN)-1，其中CB(1，OUT，M)为设定值；
c、将CB(1，OUT)，PC(2，IN)代入第二反应塔的全塔模型，得到CB(2，OUT)以及PC(2，OUT)；将CB(2，OUT)，PC(3，IN)代入第三反应塔的全塔模型，得到CB(3，OUT)以及PC(3，OUT)；
d、根据公式计算得到PC(1，IN)；
e、将CB(1，IN)，PC(1，IN)代入第一反应塔的全塔模型，得到CB(1，OUT)以及PC(1，OUT)；
f、比对(CB(1，OUT，M)－CB(1，OUT))的绝对值是否小于10-3，若是，则输出PC(1，OUT)以及CB(1，OUT)的值；若否，则令CB(1，OUT，M)＝CB(1，OUT，M)－1后，返回步骤c中。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在S3步骤中，所述将双模理论和平推流模型进行简化的简化条件为：
微气泡大小不变且为理想球体，假设反应器任意位置处气体流量近似不变；
反应器内气泡均一且分布均匀；
假设气液两相呈现理想平推流；
氧气的传质速率等于其在液相中的消耗速率；
气-液界面处氧气处于溶解平衡且忽略气膜传质系数。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述与体系物性相关的常数的取值分别为：c＝1.4，Kb＝20.4，n＝1.6。
5.一种微界面强化反应器，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法设计得到。
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