趙 倩 王 峰 白 巖 邊 靖

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 國家級(jí)危化品生產(chǎn)系統(tǒng)故障預(yù)防及監(jiān)控基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029;2.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 510100)

引 言

超重力技術(shù)作為一種具有代表性的過程強(qiáng)化技術(shù),在材料、化工、冶金等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。旋轉(zhuǎn)填充床是實(shí)現(xiàn)超重力技術(shù)的典型設(shè)備之一,其通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來模擬超重力場(chǎng),具有強(qiáng)化微觀混合和傳質(zhì)的功能[4-5],能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能耗,且設(shè)備體積較小[6-8]。然而,物料中一些未反應(yīng)的和反應(yīng)生成的固體顆粒會(huì)不規(guī)律地黏附在旋轉(zhuǎn)填充床正在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子填料上,造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡,并且不平衡質(zhì)量會(huì)隨時(shí)間不斷變化,從而引發(fā)轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)。而轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)填充床的核心內(nèi)構(gòu)件之一,當(dāng)其不平衡振動(dòng)嚴(yán)重時(shí),會(huì)頻繁擠壓摩擦軸承和密封,導(dǎo)致設(shè)備損壞和物料泄漏[9-10]。

轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的產(chǎn)生會(huì)影響旋轉(zhuǎn)填充床的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)變化,進(jìn)而嚴(yán)重影響設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行和傳質(zhì)效率?？刂苹瘜W(xué)反應(yīng)工藝參數(shù)變化可以延緩黏附和減小振動(dòng)。因此,對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程參數(shù)進(jìn)行預(yù)警和調(diào)控是保障旋轉(zhuǎn)填充床長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要途徑[11]。旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流體流動(dòng)狀況及影響轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的很多參數(shù)無法直接測(cè)量、預(yù)警和調(diào)控。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬方法因具有信息處理量大、成本低、易并行化、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì),逐漸成為分析流體流動(dòng)特征及傳質(zhì)過程的有效工具[12-13]。Yang等[14]研究了旋轉(zhuǎn)床內(nèi)速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的分布,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)壓降隨轉(zhuǎn)速的增大而增大,揭示了壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的分布規(guī)律。歐陽毅[15]通過液相的分布、演化等瞬態(tài)信息,分析了黏度、轉(zhuǎn)速和流量對(duì)于填料區(qū)持液量的影響。孫潤林等[16]模擬旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的氣相流場(chǎng),分析了氣相壓力在徑向的分布情況。然而目前很少有文獻(xiàn)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué),通過調(diào)控轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量分布來減緩吸附和減小轉(zhuǎn)子機(jī)械振動(dòng)。

本文基于化學(xué)反應(yīng)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究成果,利用流體動(dòng)力學(xué)模擬方法,通過正交試驗(yàn)研究多參數(shù)變化對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響趨勢(shì)規(guī)律,確定構(gòu)建影響預(yù)測(cè)模型的關(guān)鍵參數(shù),擬合構(gòu)建旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程重要參數(shù)的預(yù)警調(diào)控模型,揭示多參數(shù)變化對(duì)持液量和氣相壓降的影響規(guī)律。由此提出旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程重要參數(shù)預(yù)警調(diào)控模型構(gòu)建方法,將有助于監(jiān)測(cè)預(yù)警重要工藝參數(shù),在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)采取有效措施調(diào)控,降低振動(dòng)效應(yīng)和物料泄漏概率。本文工作由北京化工大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)提供計(jì)算服務(wù)。

1 模型構(gòu)建方法

在旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程中,填料內(nèi)液膜厚度、填料持液量、氣相壓降以及物料停留時(shí)間等參數(shù)都是衡量旋轉(zhuǎn)填充床性能的重要指標(biāo),旋轉(zhuǎn)填充床傳質(zhì)效率的優(yōu)劣、負(fù)荷的大小以及操作的穩(wěn)定性等在很大程度上都取決于這些參數(shù)。然而,受轉(zhuǎn)速、流量及填料孔隙率等多個(gè)因素的耦合影響,監(jiān)測(cè)預(yù)警單一工藝參數(shù)變化并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)這些重要目標(biāo)參數(shù)的調(diào)控。因此,本文通過正交試驗(yàn)確定影響旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程中重要目標(biāo)參數(shù)的相關(guān)工藝參數(shù),研究多參數(shù)耦合對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響效應(yīng),建立旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程中工藝參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型,以實(shí)現(xiàn)多種工況下旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警和調(diào)控。具體方法流程如圖1 所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程重要參數(shù)預(yù)警調(diào)控模型構(gòu)建方法流程Fig.1 Construction method flow of the early warning control model for the important parameters of the rotating packed bed operation process

2 旋轉(zhuǎn)填充床CFD 模型構(gòu)建

2.1 反應(yīng)器流體域模型

旋轉(zhuǎn)填充床結(jié)構(gòu)如圖2 所示。旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)鼓及內(nèi)部填料層構(gòu)成,其殼體內(nèi)容納了轉(zhuǎn)子、液體分布器、迷宮密封、傳動(dòng)軸等,殼體外傳動(dòng)軸與電機(jī)相連接,殼體上分布有氣液相進(jìn)出口,轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子內(nèi)部絲網(wǎng)填料在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。

圖2 旋轉(zhuǎn)填充床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rotating packed bed structure

旋轉(zhuǎn)填充床工作時(shí),填料區(qū)和外空腔區(qū)所在位置為原料的主要流動(dòng)區(qū)域,這兩個(gè)區(qū)域構(gòu)成流體域。建立旋轉(zhuǎn)填充床流場(chǎng)空間的物理模型,如圖3 所示。模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式,總網(wǎng)格數(shù)量為47萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為12 萬。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從447 935 增加到466 731 時(shí),旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量出現(xiàn)小幅變化,數(shù)值變化率為1.7%,即網(wǎng)格數(shù)量的變化并不影響仿真計(jì)算結(jié)果。

圖3 旋轉(zhuǎn)填充床流場(chǎng)空間模型Fig.3 Spatial model of the flow field in the rotating packed bed

2.2 計(jì)算模型

超重力場(chǎng)條件下合成納米碳酸鈣的過程及工藝研究已較為成熟,為更好地對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程中重要參數(shù)的預(yù)警調(diào)控模型進(jìn)行研究,本文基于不平衡質(zhì)量的產(chǎn)生原理,選擇該過程中流體的流動(dòng)行為進(jìn)行分析。漿料在此過程中同時(shí)含有液相與固相物質(zhì),因此采用Eulerian 多相流模型來模擬旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)氣、液、固三相的流動(dòng);漿料中的液相與固相物質(zhì)均是含有多種物質(zhì)的混合物,因此采用組分運(yùn)輸模型;模擬采用瞬態(tài)模擬,監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)從漿料噴入到最后穩(wěn)定的過程。

相間作用力模型對(duì)流動(dòng)特性結(jié)果的影響很大。由于曳力對(duì)流型的影響遠(yuǎn)高于其他相間作用力[17],本文考慮將曳力作為唯一的相間作用力,采用默認(rèn)的Schiler-Naumann 模型計(jì)算氣液兩相間的曳力,并對(duì)氣液兩相間的曳力系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。氣液兩相間曳力模型為[16]

式中,Re為雷諾數(shù),CD為兩相間曳力系數(shù),其在不同雷諾數(shù)下有不同的取值。

式中,下標(biāo)q表示流動(dòng)中的氣相、液相與固相,αq為q相的體積分?jǐn)?shù)矢量,ρq為q相的密度矢量,Δ表示對(duì)各矢量做偏導(dǎo),vq為q相的速度矢量,Sp為源項(xiàng),在本節(jié)模擬中此項(xiàng)為0。

動(dòng)量方程為[16]

式中,p為所有相共享的壓力為第q相的壓力應(yīng)變張量,g為重力矢量,Fq為外部體積力,表示各相之間的相互作用力。

組分質(zhì)量守恒方程為[19]

式中,CS為混合相中組分S的體積分?jǐn)?shù),ρ為混合相中組分S的質(zhì)量濃度,u為混合相中組分S的速度,DS為混合相中組分S的有效擴(kuò)散系數(shù)。

本文采用Standardk-ε模型模擬流體的流動(dòng)。湍動(dòng)能方程為[19]

湍流耗散方程為[19]

式中,ρm為流體密度,k為湍動(dòng)能,vm為流速,μt,m為湍流黏度,Gk,m為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能,ε為湍流耗散率,σk、σε、C1ε、C2ε代表模型常數(shù),默認(rèn)取值為σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

多孔介質(zhì)是由氣體、液體或不均勻混合物填充的、滲透至多個(gè)空隙的固體材料。旋轉(zhuǎn)填充床使用不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料,可近似為多孔結(jié)構(gòu)。本文采用多孔介質(zhì)模型模擬旋轉(zhuǎn)填充床的填料結(jié)構(gòu),多孔介質(zhì)模型為[19]

式中,Si為動(dòng)量方程中的源項(xiàng),Dij為黏性阻力系數(shù),Dij=1.71 ×105,μ為流體黏度,vj為j向速度分量,Cij為慣性阻力系數(shù),Cij=21.66。

2.3 邊界條件與求解過程

氣相與液相進(jìn)口均定義為速度進(jìn)口,需要根據(jù)工藝中設(shè)定的氣液流量來設(shè)置進(jìn)口處速度值。通過式(9)計(jì)算氣液進(jìn)口管處的湍流強(qiáng)度I,并根據(jù)進(jìn)口處圓管直徑設(shè)置水力直徑[20]。

氣相和液相出口設(shè)置為壓力出口,出口壓力為大氣壓;殼體設(shè)置為無滑移的固體壁面;填料邊界設(shè)置為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)邊界,轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向與多孔介質(zhì)區(qū)域的一致。

將壓力、密度、動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率松弛因子分別設(shè)置為0.3、1、0.7、0.8 和0.8,之后進(jìn)行流場(chǎng)初始化,設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s,最多模擬20 000 步。

3 基于關(guān)鍵參數(shù)耦合的調(diào)控模型構(gòu)建

3.1 旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程中重要參數(shù)分析

3.1.1 填料持液量

旋轉(zhuǎn)填充床流場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)下的液相分布云圖如圖4(a)所示。從圖中可以看出,由于重力的作用,液相流體靠近反應(yīng)器底部。液相流體從噴射源進(jìn)入外腔的流線圖如圖4(b)所示。從圖中可以看出,液相從噴射源噴出后由于填料的旋轉(zhuǎn),流向是彎曲的,同時(shí)由于離心力作用,液相流體繞轉(zhuǎn)子周向運(yùn)動(dòng),并在填料內(nèi)流動(dòng),最終從液相出口流出。液相在填料區(qū)的流動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)有著重要的影響,由于液相在轉(zhuǎn)子上分布不均勻產(chǎn)生瞬時(shí)偏心質(zhì)量,使得轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)偏心擾動(dòng),最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)失衡。本文通過填料持液量來表征旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),持液量過大,轉(zhuǎn)子的負(fù)載會(huì)增大,將會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)填充床的傳動(dòng)裝置負(fù)荷增大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行;持液量過小,又無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求,會(huì)影響傳質(zhì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 旋轉(zhuǎn)填充床液相流場(chǎng)分布Fig.4 Liquid flow field distribution in the rotating packed bed

3.1.2 氣相壓降

氣體壓降是衡量旋轉(zhuǎn)填充床性能指標(biāo)的重要因素,本文對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床的氣相壓降性能進(jìn)行分析。旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓力分布云圖如圖5 所示。從圖中可以看出,氣相流體從切向進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部后,沿著設(shè)備徑向從氣相進(jìn)口到氣相出口的壓力值逐漸減小,壓力分布均呈中心對(duì)稱分布,且反應(yīng)器外腔區(qū)域和填料區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了明顯的氣相壓降。

圖5 旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓力分布云圖Fig.5 Contours of gas phase pressure distribution in the rotating packed bed

進(jìn)一步對(duì)不同區(qū)域位置處的壓降進(jìn)行研究,并對(duì)氣相壓力值沿旋轉(zhuǎn)填充床徑向的分布曲線進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6 所示。由圖中曲線可以看出,從反應(yīng)器填料區(qū)到外空腔區(qū),填料區(qū)內(nèi)側(cè)壓力最小,外空腔區(qū)外側(cè)壓力最大,壓力值隨反應(yīng)器徑向厚度的增大而升高。填料區(qū)域內(nèi),旋轉(zhuǎn)填充床壓力值從686 Pa增大到6 426 Pa,壓降為5 740 Pa;外空腔區(qū)域內(nèi),旋轉(zhuǎn)填充床壓力值從6 426 Pa 增大到9 371 Pa,壓降為2 945 Pa。由此得出,旋轉(zhuǎn)填充床的整床壓降為8 685 Pa,填料區(qū)壓降占整床壓降的66%。旋轉(zhuǎn)填充床的壓降主要是由離心壓降和摩擦壓降引起的,離心壓降由轉(zhuǎn)子填料旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,摩擦壓降由氣體在填料中流動(dòng)時(shí)受到的阻力而產(chǎn)生。在離心壓降和摩擦壓降的共同作用下,填料區(qū)壓降對(duì)整床壓降的影響明顯。本文通過氣相壓降來表征旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

圖6 氣相壓力值沿旋轉(zhuǎn)填充床徑向分布Fig.6 The gas pressure value distributed radially along the rotating packed bed

3.2 影響旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程重要參數(shù)的主要因素分析

影響旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量和氣相壓降的因素較多,為了進(jìn)一步分析各因素影響的重要性,需要確定各變量的參數(shù)取值范圍。在旋轉(zhuǎn)填充床實(shí)際工況的基礎(chǔ)上,選擇轉(zhuǎn)速、液體流量、氣體流量、孔隙率以及固含率這5 個(gè)因素進(jìn)行分析,分別根據(jù)實(shí)際的工況條件選擇4 個(gè)變量波動(dòng)值,通過正交試驗(yàn)的方法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

以轉(zhuǎn)速、液體流量、氣體流量、孔隙率和固含率作為正交試驗(yàn)的5 個(gè)因素,每個(gè)因素取4 個(gè)水平,因素水平表見表1。由于該試驗(yàn)為五因素四水平試驗(yàn),選擇L16(45)作為試驗(yàn)方案,并根據(jù)該方案利用CFD 模擬計(jì)算,判斷因素的主次順序。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

3.2.1 影響填料持液量的主要因素

按照五因素四水平正交試驗(yàn)建立因素水平表,共計(jì)16 組試驗(yàn),如表2 所示。提取填料持液量計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表2 五因素四水平正交試驗(yàn)方案Table 2 Five-factor four-level orthogonal test scheme

表3 旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of orthogonal tests of the liquid holding capacity of the rotating packed bed

使用極差分析法對(duì)填料持液量正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。首先得出所有因素下每一水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)值,記各因素m水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和為Km,將Km除以各因素下m水平的試驗(yàn)組數(shù)得到km,若找出各因素下數(shù)值最大的k值,則該因素在此水平下對(duì)所監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)影響最顯著。將每個(gè)因素下數(shù)值最大的km減去數(shù)值最小的km即可得到極差R,極差R值的具體計(jì)算公式如式(10)所示。

依據(jù)極差R值可對(duì)各因素的影響作用進(jìn)行判斷,R值越大,意味著該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響作用越明顯。填料持液量正交試驗(yàn)分析結(jié)果如表4所示。

表4 填料持液量正交試驗(yàn)分析結(jié)果Table 4 Orthogonal test analysis results of packing liquid holdup

將R值進(jìn)行排序,能夠得到各因素影響轉(zhuǎn)子填料持液量的主次順序,從而確定出主要影響因素。在眾多影響轉(zhuǎn)子填料持液量的因素中,根據(jù)正交試驗(yàn)分析結(jié)果,得出因素影響的主次順序?yàn)?液量(液體流量) ＞固含率＞轉(zhuǎn)速＞孔隙率＞氣量(氣體流量)。由極差計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),液量的極差值最大,固含率的極差值次之,其次是轉(zhuǎn)速的極差值,以上三者的極差值較孔隙率和氣量的差距較大,意味著在當(dāng)前分析的試驗(yàn)條件下,液量、固含率以及轉(zhuǎn)速對(duì)于填料持液量的影響比其他因素顯著。

3.2.2 影響氣相壓降的主要因素

關(guān)于壓降的正交試驗(yàn)方案與3.2.1 節(jié)對(duì)于填料持液量的分析一致,本節(jié)不再贅述。建立壓降正交試驗(yàn)方案并提取計(jì)算結(jié)果,如表5 所示。

表5 旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of orthogonal tests of the gas phase pressure drop in the rotating packed bed

使用極差分析法對(duì)壓降正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如表6 所示。依據(jù)極差R值,可對(duì)各因素的影響作用進(jìn)行判斷。

表6 氣相壓降正交試驗(yàn)分析結(jié)果Table 6 Orthogonal test analysis results of the gas-phase pressure drop

根據(jù)上述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降的正交試驗(yàn)分析結(jié)果,可得出因素影響的主次順序?yàn)?轉(zhuǎn)速＞液量＞固含率＞氣量＞孔隙率。根據(jù)極差計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速的極差值最大,液量的極差值次之,其次是固含率的極差值,以上三者的極差值較孔隙率和氣量的差距較大,意味著在當(dāng)前分析的試驗(yàn)條件下,轉(zhuǎn)速、液量以及固含率對(duì)于氣相壓降的影響比其他因素顯著。

3.3 旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程重要參數(shù)與各工況耦合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

3.3.1 填料持液量與各工況間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為了提高各狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確性,選取影響作用最大的3 個(gè)因素作為主要影響因素?；谇拔膶?duì)旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量影響因素的分析,可以確定轉(zhuǎn)速、液體流量及固含率這3 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)填料持液量的影響最為顯著。因此利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)該公式并通過各工藝參數(shù)推算得到填料持液量,可以較準(zhǔn)確地掌握持液量與各工藝參數(shù)間的耦合關(guān)系。以轉(zhuǎn)速、液體流量和固含率為多因素變量進(jìn)行模擬,得到旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),借助Matlab 軟件對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到轉(zhuǎn)速、液體流量及固含率與持液量之間的經(jīng)驗(yàn)公式。

設(shè)填料持液量為y,轉(zhuǎn)速為x1,液體流量為x2,固含率為x3,經(jīng)過回歸擬合推導(dǎo)出工藝參數(shù)與持液量的關(guān)系如下。

式中,a1= - 0.017 3;a2= 4.608 5 × 1019;a3=-317.482 5;a4= - 0.008 5;a5= 0.401 8;a6=2.326 8 ×10-5。

計(jì)算擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式的擬合系數(shù)R2為0.991 3,意味著擬合程度良好,誤差較小。將實(shí)驗(yàn)值與擬合值進(jìn)行對(duì)比,如圖7 所示,可看出擬合值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,因此認(rèn)為該擬合公式在一定范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果是可信的。

圖7 旋轉(zhuǎn)填充床填料持液量實(shí)驗(yàn)值與擬合值對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental values and fitting values of the packing liquid holding capacity of the rotating packed bed

根據(jù)模擬仿真建立的工藝參數(shù)與持液量之間的耦合關(guān)系式,結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)需求,可通過修正相應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的持液量進(jìn)行調(diào)整,在維持反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),提高設(shè)備的傳質(zhì)效率或產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3.2 氣相壓降與各工況間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

基于前文對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降影響因素的分析,可確定轉(zhuǎn)速、液體流量及固含率這3 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)壓降的影響最為顯著。因此利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)該公式并通過各工藝參數(shù)推算得到氣相壓降,可以較準(zhǔn)確掌握氣相壓降與各工藝參數(shù)間的耦合關(guān)系。

設(shè)壓降為z,轉(zhuǎn)速為x1,液體流量為x2,固含率為x3,經(jīng)過回歸擬合推導(dǎo)出工藝參數(shù)與壓降的關(guān)系如下。

式中,a1= - 4.939 2 × 103;a2= 0.021 5;a3=1.951 6 ×103;a4=4.923 5 ×105;a5= -22.786 9。

計(jì)算擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式的擬合系數(shù)R2為0.992 8。旋轉(zhuǎn)填充床壓降實(shí)驗(yàn)值與擬合值對(duì)比如圖8 所示,可以看出實(shí)驗(yàn)值與擬合值擬合程度良好,誤差較小。

圖8 旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降實(shí)驗(yàn)值與擬合值對(duì)比Fig.8 Comparison of experimental values and fitting values of the gas phase pressure drop in the rotating packed bed

根據(jù)模擬仿真建立的工藝參數(shù)與壓降之間的耦合關(guān)系式,可通過對(duì)轉(zhuǎn)速、流量以及固含率的控制來調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)壓力,從而保證反應(yīng)器的連續(xù)操作以及長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

以上通過多因素變量模擬得到旋轉(zhuǎn)填充床相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后得到經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?雖然旋轉(zhuǎn)填充床數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)值與該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合值吻合較好,但可能存在擬合過度的風(fēng)險(xiǎn)。若需要預(yù)測(cè)得更加精確,可以綜合3 個(gè)以上的參數(shù)來構(gòu)建耦合模型,但也可能會(huì)帶來過擬合的問題。

4 結(jié)論

(1) 本文構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)填充床運(yùn)行過程填料持液量和氣相壓降兩個(gè)重要參數(shù)的預(yù)警調(diào)控模型,通過正交試驗(yàn)計(jì)算多參數(shù)對(duì)持液量和氣相壓降的影響效應(yīng)程度,確定了影響持液量和氣相壓降的關(guān)鍵參數(shù)為轉(zhuǎn)速、液體流量以及固含率。

(2) 選取轉(zhuǎn)速、液體流量和固含率3 個(gè)工藝參數(shù)擬合建立了基于關(guān)鍵參數(shù)耦合的持液量和氣相壓降預(yù)警調(diào)控模型,實(shí)驗(yàn)值與擬合值的吻合度較好,可認(rèn)為所建立模型正確可信?；谠擃A(yù)警調(diào)控模型,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求,通過調(diào)整工藝參數(shù)可以提高設(shè)備的傳質(zhì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,保證反應(yīng)器的連續(xù)操作和長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

后續(xù)將搭建旋轉(zhuǎn)填充床實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)合CFD 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證基于關(guān)鍵參數(shù)耦合的持液量和氣相壓降預(yù)警調(diào)控模型,并在保證模型可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整和分析。預(yù)警數(shù)值需要結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求、反應(yīng)條件工況和預(yù)警調(diào)控模型去設(shè)定,當(dāng)工藝參數(shù)、反應(yīng)過程和反應(yīng)條件不同時(shí),持液量和壓降的具體預(yù)警數(shù)值也不同,后續(xù)將通過實(shí)驗(yàn)等方式確定與優(yōu)化數(shù)值,此外也將參照超重力場(chǎng)條件下合成納米碳酸鈣的過程,更換新的物質(zhì)開展研究。