电子过程断层成像系统在流体混合技术中的应用

电子过程断层成像系统在流体混合技术中的应用

搅拌和混合是大多数化学过程中最重要的单元操作之一。流体混合技术在60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险和毫无把握的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长,据统计美国的化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。因此从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对混合设备的优化设计具有十分重要的经济意义,而且对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。近些年来,除了激光多普勒测速仪LDV和计算流体力学CFD模拟技术的应用外,混合技术的进展还集中在以下几个方面。1ept电子处理技术elasticprocedural1.1过程断层成像系统ept辐射断层成像技术在医学测试仪器中得到了广泛应用,如CT(ComputedTomography)和PET(PositronEmissionTomography)分别采用X射线和γ射线对患者身体进行断层扫描,获得病灶处的详细信息,如肿瘤的准确位置和尺寸等,为医生准确诊断和确定手术治疗方案提供保证。有人曾经设想将此技术应用到化工过程中的反应器、槽、管线等设备上,获取它们内部复杂的现象和特征,但由于昂贵的价格和同位素的辐射安全问题,使此技术在工业过程中难以得到应用。直到80年代后期,英国UMIST大学开发了电子过程断层成像技术EPT,包括电阻断层成像系统ERT(ElectricalResistanceTomography)、电容断层成像系统ECT(ElectricalCapacitanceTomography)和电磁断层成像系统EMT(ElectromagneticTomography)三类。它们避免了辐射危险、价格便宜、易于制造,响应速度比CT快且可以满足工业实时过程要求,但图像解析度比CT要低。EPT的原理与CT相差不多。在被测槽或管道外壁等距离贴附一组8到16只传感器一周,此传感器为长方形不锈钢电极片,既是发射器又是接收器。槽或管道内要有两种具有不同电性能(电导率、电容率等)的物料(不同电导率的液体、气体和固体、液体和固体),然后在有规律的电脉冲作用下,所有可能的相邻传感器组合的电压通过数据采集单元传送回计算机。计算机将记录所有电极的信号和先后次序,并采用图像重建技术还原出槽或管道横截面的图像,每秒可获得高达100帧图像。如果采用多组传感器对不同高度进行断层成像,则可在图像重建技术的辅助下,建立槽或管道的三维图像和实体造型。1.2气体流动特性的测量ERT已经被用于研究半连续互溶液体的混合体系,得到了体系内三维浓度场。对于复杂的气液两相搅拌混合问题,通过ERT可以获取槽体系的载气分布的三维图像,可以直观了解混合流型如何影响传质和反应性能,对桨型、挡板和气体分布板的设计优化提供了验证条件。ERT还被用于固液悬浮体系的研究,获得了固体在搅拌槽中的浓度分布。气固流化床中基本的气体流动特性非常难以测量研究。但利用ECT研究气固流化床,不仅可以观察气泡形状和合并现象,直接测量气泡直径等关键过程参数,而且可以得到详细的瞬时和平均的固体浓度分布,为流化床开发提供了研究利器。ECT还被用于气固管道输送、油井的油气输送和燃烧工程的研究。而EMT的研究刚刚开始,尚未得到实际应用。LDV是一种光学仪器,它只能在光学透明容器内进行测量,液体内不能有高浓度的气泡和悬浮固体。EPT则是多相流体系的非接触式的实时检测和可视化技术,可以测量不透明介质的流场。由于EPT可以准确地测量出搅拌反应器中的流动区域、速度场、气体和固体组分浓度分布,而这些数据可用于从空间和时间两方面验证多相体系的混合模型和CFD模型,EPT技术可直接用于优化搅拌器的设计和操作,随着电子技术、图像重建算法和计算机硬件的发展,EPT还将被用于过程的在线监测和控制。电子过程断层成像技术发源于欧洲,目前已得到了世界学术界和工业界的关注,分别于1995年和1997年在美国和新西兰召开工业断层成像技术前沿主题会议。我国天津大学目前已开展了此方面的研究和开发。2计算流混合模型的cfm复合期望混合2.1循环流、中混合式反应器多层桨以前研究不多,但在生物发酵领域有大量的应用。国内外目前对多层搅拌桨反应釜内的混合模型可分为三类,分别为轴向对流扩散模型、分区串联模型和循环脉动模型。轴向对流扩散模型认为在多层搅拌桨的塔式反应槽内,流体处于湍流状态,假设其中不存在死区、短路和循环流,反应器接近活塞流。该模型本身具有缺陷,目前一般不采用。分区串联模型将桨单元划分为三个区(图2),认为桨单元内部的混合由循环参数控制,桨与桨之间的混合由返混参数控制。循环参数Q由循环流量来确定,返混系数q由混合时间拟合得到。毛德明等提出了循环脉动混合模型,按照多层桨搅拌釜内的实际流型划分网格,如图3。值得指出的是,在求解模型时,两个模型参数(单元脉动排量和单元循环流量)均直接来自双层透平桨的流场数据(脉动排量系数和循环流量系数),不需要由混合时间数据拟合得到。这几种模型都过于简单,模拟值与实验值相差较大,无法准确描述和揭示混合过程。模型参数需要从实验数据中获取或修正,且实验数据只有简单的混合时间一个物理量,因此这些模型的应用范围相对狭窄。2.2槽内网格单元间相互作用目前利用CFD方法来模拟搅拌槽内的流动混合已经十分普遍。可以完成从基于搅拌流动的实验数据的简单模拟,到基于简化的搅拌桨尺寸和操作条件的三维滑动网格模型的复杂模拟。但CFD方法一般需要利用高档工作站甚至超级计算机去求解复杂的偏微分传递方程。非均相是化学工业中最为常见的应用体系,由于大量基础理论尚未得到正确认识,CFD技术在此方面的应用尚无乐观的表现。RegMann等提出了区域网格模型,对槽内按流型进行等体积网格划分,每个网格单元内全混,单元间进行动量、质量和热量传递。图4显示了二维区域网格法的单元划分,现已扩展成三维模型。单元间传质有两种方式:循环流和湍流。单元间的主体循环流可由循环准数求出,而湍流是交换流,其值假定为主体流的β倍,β的数值由EPT图像重建技术得到的流动图像计算得到。对于三维模型,还包括单元的净漩涡流,同样由EPT估算。区域网格模型不仅可以模拟均相混合体系,而且已经被成功应用于气液和固液多相搅拌混合体系,只需将气泡上升速率方程和固体沉积速率方程与网格单元间的循环流和湍流结合,就可得到持气率和固体浓度在槽内的分布。区域网格模型还可应用于混合和反应耦合的体系,模拟加料位置、转速和液位高度等对混合的影响,以及槽内非完全混合对反应路径、反应选择性、产率和放大过程的影响。利用区域网格模型对搅拌槽体系的半连续反应过程进行了模拟,反应是竞争性两步反应,在三个不同规模搅拌槽中进行放大模拟,结果发现模型参数β不变化,因此可利用该模型进行定量化模拟放大。此模型与EPT技术配合,将不同时间与空间的流场图像与模型匹配,可以获得较好模拟效果和有效地揭示混合过程的实质。模型采用简单的一阶常微分方程组,计算量较小,可较好地对多相流体系的流动、混合与反应进行模拟和可视化仿真,并可进一步用于放大研究和基于模型的过程控制。3搅拌桨和搅拌槽目前,国际上混合技术的研究主要集中在专业混合设备公司,如美国Lightnin、Chemineer等公司、德国EKATO公司、法国Robin公司等。它们不但有自己的设备制造厂,而且在研发上投入巨额的资金,在科研、大学等机构中,研究混合技术的已经相对较少。大量的搅拌设备用于低粘物系的混合和固液悬浮操作,需要叶轮能以低的能耗提供高的轴向循环流量。传统的船舶推进式叶轮能满足这个要求,但其叶片为复杂的立体曲面,制造困难,且较难大型化。因此混合设备公司都竞相开发节能高效、造价低廉且易于大型化的第二代高效轴流搅拌桨。美国莱宁公司开发了A310和A315系列。A310叶轮(图5a)的叶片由钢板按一定规律弯曲制成,不必使用铣或精密浇注等成型工艺,且叶片用螺栓固定在轮毂上,易于装配成较大型的叶轮。当用于固液悬浮操作时,达到同样悬浮效果,A310叶轮比传统使用的45°折叶涡轮节能50%。A315叶轮(图5b)的叶片倾角不是很大,大面积的叶片起阻止气体从叶轮穿过,延长气液接触时间的作用,故适用于气液体系的搅拌。Robin公司的HPM桨(图5c)叶片在轮毂处的倾角为45°,而在叶片端部处的倾角仅有17°左右,可用于槽容积数百立方米的大型搅拌槽。据报道这些桨都是通过LDV测量结果和CFD数值模拟相结合开发研制出来的。国内如北京化工大学和华东理工大学等也分别开发了CBY轴流桨和翼型桨(图5d)。适用粘度范围很宽的搅拌桨也是开发重点。许多聚合反应过程开始时物料的粘度很低,随反应的进行粘度越来越高,这使得搅拌桨的选用发生问题。日本住友重机、三菱重工等公司开发了最大叶片式、泛能式、叶片组合式等搅拌桨(图6)。这三种叶轮都有一个共同的特点,即叶轮在搅拌槽的纵剖面上的投影面积占槽的纵剖面面积的比例很大,不仅适合于固液悬浮及晶析等操作,也适合于液液分散以及使气体从液表面吸入的气液传质过程,同时大叶片不仅使槽壁的局部传热膜系数较均匀,也提高了传热膜系数。另外,近年来欧洲和日本还开发了很多种适用于高粘和超高粘物系的卧式自清洁搅拌设备。瑞士卧式双轴全相(AllPhase)型搅拌机见图7。其左边一根是主搅拌轴,另一根为清洁轴,清洁轴以四倍于主搅拌轴的转速进行旋转,通过二根轴上的元件相互啮合,使搅拌器具有自清洁功能。搅拌轴和盘片中间是空的,能通入传热介质,加上夹套的传热面积,使其具有很高传热能力。4智能设计技术。在国外,曾曾见由于混合设备设计大多依靠混合专家的经验和常识,将人工智能技术(AI)和基于知识的系统(KBS)应用于混合设备选型和设计,是通常的处理手段。据推测大多数专业混合设备公司可能已经开发了相应的设计软件,但由于保密原因,不知其详情。智能化设计技术通过在整个工厂范围内,对大量过程应用体系进行快速的设备设计和配置,最终可以更加有效和充分地利用空闲混合设备资源。90年代以来,有关搅拌设备选型和设计的专家系统在国外已有少量报道。如1994年美国Chemineer公司报道了该公司有一个用于涡轮式搅拌设备设计的知识库软件AgDesign,据称该公司90%顶伸入搅拌器的设备均已用此软件进行设计。芬兰的Lappeenranta工业大学在1994年发表了有关混合设备初步设计的知识库系统的论文。在国内,浙江大学也正与大型石化企业合作开发搅拌槽式反应器的智能化辅助选型和设计软件。5流体混合设备的智能化应用展望由于应用体系的多样性和物料流变特性的复杂性,长期以来流体混合都是通过实