[发明专利]一种微界面强化蒽醌法的工段模拟的建模方法

权利要求书

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，P_A为氢气的压力，单位Pa；H_A为氢气组分亨利系数，单位Pa·m³/mol；u_G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；u_l为表观液速，单位m/s；a_s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，D_l为液相扩散系数，单位m²/s；d₃₂为气泡平均直径，单位m；v_G为表观气速，单位m/s；v_l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；ρ_L为液体密度，单位kg/m3；σ_L为液体表面张力，单位N/m；c、n和K_b为与体系物性相关的常数，不具有明确意义，常使用经验值；d_e为无量纲气泡直径，计算公式为：

d_e＝d₃₂(ρ_Lg/σ_L)^1/2  (7)；

式(6)中，M_O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＝gμ_L⁴/(ρ_Lσ_L³) (8)；

式(8)中，μ_L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；G_L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，F_CI为进入微元体积的氧气组分的摩尔流量，单位mol/s；F_CO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；P_C为氧气分压，单位Pa；H_C为氧气组分亨利系数，单位MPa·m³/mol；C_C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；A_C为塔截面积，单位m²；Q_G0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，C_B为蒽醌混合物组分在液相中的浓度，单位mol/m3；Q_L0为液相流量，单位m³/s；k_ox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P_C(1，OUT)，以及离开第一氧化塔的蒽醌混合物浓度C_B(1，OUT)，进而实现对整个工段的模型的模拟。