填料塔内流体轴向返混系数的确定

科研开发填料塔内流体轴向返混系数的确定*王琨1，张鹏1，冯立2，黄亮国3，郝静3（1.吉林化工学院，吉林吉林中国石油吉林石化公司聚乙烯厂，吉林吉林中国石油吉林石化公司研究院，吉林吉林132021）到的示踪剂停留时间分布曲线采用等距法进行异常数据的剔除，再采用五点三次平滑公式进行滤波处理，然后用一居轴向扩散模型对曲线进行拟合，根据扩散模型在一定初始条件和边界条件下的解析解，采用时间域较小二乘法确定了轴向返混系数。结果表明，阐述的方法具有较高的精度，示踪停留时间曲线的实验测定值与其拟合值的均方差在0.034~间分布函数进行技术处理，从而用扩散模型进行模拟，确定返混系数的方法。1实验数据的处理因受各种因素的影响及采集精度的提高，由数据采集卡采集的电信号并不是理想的平滑曲线，而是带有高频杂波的锯齿状的曲线，因此实验的原始数据在应用前必须经过处理，才能使其更合理，更能准确反映研究过程的内在规律，所得的实验结果才能更准确。1.1异常数据的剔除由于连续测量时，被测值在实验过程中是变化的，因此应按照动态函数具有连续性的特点，检验动态量数据的合理性，对数据取舍做出判断。连续测量得到的函数值是变化的，但其必按研究过程的内在规律，连续地发生变化。据此，可以用数据平滑移动的办法，测知连续数据的合理性。采用等距法，用4个相邻点对第5个点进行合理性检验。外推公式为：将外推值与该点的测定值相比较，当以剔除，并以拟合的外推值代替，按此逐一检验其基金项家碟科学学湖各测愿数据n剔除后留下的数据即数。net流体在填料塔内流动时，由于受到流体的粘度、分子扩散、涡流扩散、流体间相互作用力、流体间的密度差、流体在塔内的不良分布及流体与塔内件间相互作用力的影响，使其流动要偏离活塞流流动，这种流动行为通常称为返混，包括轴向返混和径向返混。可见由于返混的存在，引起传质推动力（即浓度梯度）的下降，降低了传质效率，对填料塔的分离效率有明显的不利影响，因此确定填料塔内流体的返混情况，对于研究填料塔的分离效率具有重要意义。用来描述流体返混的一个重要工具就是所谓的停留时间分布（RTD）函数。停留时间分布函数E（t）定义为体系流出物中停留时间小于t的流体所占的分率，即停留时间分布函数常用示踪响应技术来确定，在过去几十年中，许多学者对填料床内气、液相流体的轴向返混特性进行了大量的研究，在实验测试方法上均采用了动力学响应技术，绝大多数学者都是用扩散模型来模拟停留时间分布曲线，从而来求算返混数据。据。上述中R.为标准偏差，常用其无偏估计值代替，即：1.2滤波处理剔除了异常数据后，保留的测量值均属正常数据。由于塔内气液流动具有一定的随机性，也由于实验过程中仪器、仪表的零点漂移及外界干扰等原因，实验曲线存在有高频杂波。为此实验数据还必须进行滤波处理。对数据进行滤波处理就是通过增强实验信号的有用份量，压低或滤掉高频干扰，实现数据平滑。滤波方法中，比较常用的有褶积滤波、递归滤波。一般认为递归滤波比褶积滤波优越些。递归滤波的突出优点是运算速度比较快，其不足之处就是相位不易控制。根据本实验曲线的情况采用五点三次平滑公式滤波，这是采用运算速度较快的递归方法处理。五点三次平滑的基本原理是，假设数据排列得相当紧密，而且每个测定点的附近三阶导数为常数。一般的曲线用一次即可达到令人满意的效果个别杂波较大的，用二次即可达到要求。递归滤波（五点三次平滑）公式：的比较，可见原始数据的高频杂波均已被滤掉，而曲线的形状即其变化趋势却没有受到影响。原始数据平滑前后的比较2返混系数的确定对于填料床内轴向混合的研究，目前已有许多成熟、实用的模型。基于示踪响应实验，采用较多的用来模拟停留时间分布曲线的数学模型主要有：轴向扩散模型，完全混合池模型，具有质量交换的分散活塞流模型和爱因斯坦统计模型。虽然这些模型从根本上说都是半经验的，但仍不失为一种可接受的用来描述填料塔内流体返混特性的数学方法。轴向扩散模型可能是描述返混较成功的模型，也是当前人们使用较多的模型。较初是Danckwerts|5|1953年提出的，这种模型假设整个返混现象可用一个包含分子扩散系数、涡流扩散系数和考虑填料对流体影响的返混系数（De）来描述。其数学模型可由微元体内示踪剂的质量衡算来推得，在假设流体径向分布均匀的条件下，轴向一维扩散模型为：Yi为实验值为滤波后Yi的改进值其中模型参数为轴向返混系数De和有效速度w，并假定它们是与浓度C、轴向位置z、时间t无关的参数。用示踪-响应技术来测量气液两相在规整填料中的混合和流动行为。若示踪剂以脉冲的方式注入，上式的初始条件和边界条件分别为：平滑后的实验数据与其原始数据用Laplace变换法可得到方程（8）的解析解：式（8）中的模型参数的估算方法有图形对比法、矩法、加权矩法、傅立叶分析法、传递函数法、时间域较小二乘法，其中时间域较小二乘法是当前关联参数比较好的方法，它与实验响应曲线吻合相当好，用此法来估算轴向返混系数De与轴向有效流速U.首先需建立构造较小二乘问题的目标函数，其为一维混合一维流动模型之理论值减去实验测得的示踪剂浓度值的平方和，此优化问题可表述为：3结果与讨论采用变尺度法（DFP）求解上述非线性较小二乘问题。此法既保持了牛顿法速度快的优点，同时又摆脱了关于Hesse矩阵计算的问题，效果好，速度快，到目前为止仍是较好的算法之一。流量条件下的气相示踪停留时间分布曲线的拟合情况。为便于比较，定义均方差如下：吝（的实验测定值与其拟合值的均方差为0.044.表1为部分实验条件下，采用时间域较小二乘法确定的气相单相流的轴向返混系数和有效流速值，同时也给出了示踪停留时间曲线的实验测定值与其拟合值的均方差，其数值在0. 034~0.096之间，可见用时间域较小二乘法来估算填料塔内一维流动的轴向返混系数具有较高的精度。张鹏。加压规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟|D|.天津：天津大学研究生院，2002.本刊声明本刊已入编《中国学术期刊网》（光盘版）等国内外十几家数据库，作者的著作权使用费含在稿费中一次性付清。