分离过程

2024-08-20

分离过程（精选9篇）

分离过程篇1

摘要：指出了餐厨垃圾是人们日常生活中食物制造和消费而产生的垃圾, 简述了餐厨垃圾主要来源、物质含量、危害及处理方法。由于地沟油事件严重危害到广大消费者的身心健康, 专门探讨了油水分离这一过程, 对相关研究工作具有一定的参考价值。

关键词：餐厨垃圾,处理,油水分离

1 餐厨垃圾的定义

餐厨垃圾, 也叫泔脚, 是居民在生活消费过程中形成的生活废物, 很容易出现腐烂变质, 并散发恶臭, 带有大量细菌和病毒。餐厨垃圾成分十分复杂主要包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油及肉骨等, 化学组成主要有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等。

餐厨垃圾具有显著的危害和资源的二重性, 其特点可归纳为以下几点。

(1) 含水率高, 可达80%~95%;

(2) 盐分含量高, 部分地区含辣椒、醋酸高;

(3) 有机物含量高, 如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等;

(4) 富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素;

(5) 存在有病原菌、病原微生物;

(6) 易腐烂、变质、发臭。

2 餐厨垃圾的类型

根据来源不同, 餐厨垃圾主要分为餐饮垃圾和居民日常厨余垃圾。前者产生自饭店、食堂等餐饮业的残羹剩饭, 具有产生量大、来源多、分布广的特点, 后者主要指居民日常烹调中废弃的下脚料, 数量相对较少。

3 餐厨垃圾的危害

(1) 污染环境、影响市容。因餐厨垃圾含有较高的有机质和水分, 容易受到微生物的作用, 而发生腐烂变质现象;且废弃放置时间越久, 腐败变质现象就越发严重。特别是到了夏季, 温度较高, 腐烂变质也越快, 这时候产生的大量渗滤水和腐败后的恶臭气体对环境卫生造成恶劣影响[1]。

(2) 危害人体健康。餐厨垃圾中的肉类蛋白以及动物性的脂肪类物质, 主要来自于提供肉类食品的那些家畜家禽, 家畜如直接食用未经有效处理的餐厨垃圾后, 容易发生“同类相食”的同源性污染, 造成人畜之间疫病的相互传染, 危害人体健康, 并可能促进某些致命疾病的传播。如历史上大规模爆发的传染病:1986年英国出现的疯牛病、口蹄疫等[2]。再比如说, 目前在许多地方传播的禽流感等的起因, 可能是由于病牛、病羊或病猪的尸体被制成了动物饲料, 从而引起疾病的大规模传染[3]。

(3) 传播疾病。餐厨垃圾的露天存放会招致蝇、蟑、鼠虫等大量繁殖, 其是疾病流传的主要媒介[4]。

(4) 餐厨垃圾中堆放时产生的下渗液进入到污水处理系统, 会造成有机物含量的增加, 从而加重污水处理厂的负担, 增加运行成本。同时排放到河流引起水质恶化, 出现一些生物过度生长从而出现严重的富营养化现象, 甚至由于水生植物的大量繁殖导致水面大量被覆盖后水体严重缺氧, 而养殖鱼类大量死亡。

综上所述, 餐厨垃圾对环境和人群的危害已十分严重, 是城市环境一个重要污染源, 对人们的正常生活与身体健康构成了威胁, 这一问题已经引起了政府的高度重视和人们的广泛关注。根据农业部有关专家测算, 餐厨垃圾内含大量的营养物质, 主要成分是油脂和蛋白质, 为可重复利用的宝贵资源。

4 餐厨垃圾的处理

餐厨垃圾处理方法大致有以下几种:物理法、化学法、生物法等;具体的处理技术有填埋、焚烧、堆肥、发酵等方式, 总之其资源化再利用呈现多样化的趋势。其中发酵又含有有氧发酵和厌氧发酵两大类, 其处理结果也不尽相同。

5 餐厨垃圾中的油水分离问题

在进行垃圾处理过程中油水分离是一个重要环节, 因为各类油类混杂在大环境垃圾中会造成更加难以分解处理等问题。而这个分离出来的油, 即是我们通常谈及的地沟油, 其危害更是令人瞠目结舌。

5.1 油水分离的作用

目前的地沟油分离技术都是使用油水分离器, 油水分离器的作用原理是将浮于水面的油与水介质分开处理。但是餐厨垃圾中的油往往不仅是浮在水面的油, 还有部分油已经溶解于水之中, 另外如动物油脂 (比如吃剩的肥猪肉、结块的牛羊油等) 既不溶于水也不飘浮于水面, 油水分离器的作用根本达不到, 因此这一问题亟待解决。

5.2 油水分离器的工作原理

油水分离器, 用于分离压缩空气中凝聚的水分和油分等杂质, 使压缩空气得到初步净化。

油水分离器工作原理是:当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化, 再依靠惯性作用, 将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来[4]。

图1为常见的撞击式和环形回转式油水分离器。

压缩空气自入口进入分离器壳体后, 气流先受到隔板阻挡撞击折回向下, 继而又回升向上, 产生环形回转。这样使水滴和油滴在离心力和惯性力作用下, 从空气中分离析出并沉降在壳体底部, 定期打开底部阀门即可排出油滴、水滴。

厦门嘉美晟能源科技有限公司拟进行油水分离解决方案方面的研究, 以解决剩余油脂分离的问题。不过这些残留油物的分离因其特殊性, 因此涉及一些技术秘密, 暂不予公开。待公司专利等出来以后, 即可通过专利进行查询。

参考文献

[1]何晟.浅析餐厨垃圾利用处置不当产生的危害[J].环境卫生工程, 2010, 18 (4) :13~15.

[2]刘卓宝.令全世界恐慌的疯牛病[J].上海预防医学, 2001, 13 (5) :15~20.

[3]Haug R.T.The practical handboox of compost engineering[J].Lewis Publishers, 1993 (2) :285.

[4]李小卉.餐厨垃圾的危害及综合治理对策[J].研究与探讨, 2006, 11 (11) :24~25.

分离过程篇2

火箭助推器从芯级飞行器动态分离过程的数值模拟

利用弹簧近似和网格重构相结合的非结构动网格技术,耦合求解Euler方程及弹道方程,时间方向采用四步Runge-Kutta方法,空间方向采用改进Barth和Jespersen限制器的通量分裂方法,数值模拟火箭助推器从芯级飞行器动态分离动力学过程.首先,计算单独芯级飞行器流场,与实验数据相比,符合较好;其次,计算火箭助推器和芯级飞行器组合体流场,得到分离前状态和气动力特性;在此基础上,比较采用弹簧和火箭作为控制力的两种分离方案,研究两侧火箭助推器分离不同步、攻角、侧滑角等因素的影响.研究表明,弹簧分离初期火箭助推器位移和姿态主要取决于弹簧控制力,弹簧全部断裂后气动力的影响加快姿态发散,在给定的`设计参数条件下,可以实现安全分离;火箭分离存在复杂的喷流干扰,喷流对助推器的包裹作用使得分离初期自由来流影响较小;另外,分离过程对芯级飞行器的气动干扰不容忽视.

作者：王巍刘君刘冰郭正 WANG Wei LIU Jun LIU Bing GUO Zheng 作者单位：国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073刊名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：27(4)分类号：V430关键词：非结构动网格多体干扰助推器分离动态特性数值模拟

分离过程篇3

一策划编辑与文字编辑分开是市场经济条件下出版业发展的现实需要

在计划经济时代，编辑的主要功能是编辑加工书稿。随着我国社会主义市场经济制度的建立和发展，图书出版行业日益市场化，加之数字排版和印刷技术的进步，编辑的工作范围向出版流程的前后环节延伸，编辑的工作状态发生了巨大变化。

在相当长的一段时间内，许多人都认为，如今的编辑不再是传统意义上的文人，而是十八般武艺样样具备、“上天入地无所不能”的社会活动家。出版社的编辑，既要策划选题和组稿，又要对书稿进行编辑加工；策划的选题既要有思想性、艺术性、科学性、先进性，又要有市场潜力、有卖点，即社会效益和经济效益双赢。为此，编辑不仅要搞市场调研，了解读者的需求，为读者服务，而且要了解各专业的学科建设与发展趋势，发现并挖掘好作者，建立高水平的作者资源库；不仅要与作者反复沟通，保证图书的内容质量和编校质量，而且要与美术编辑讨论设计方案，与发行人员讨论图书印制数量，同时要控制出版周期，把握成书时间：不仅要斟酌、推敲选题论证书和图书出版合同，计算稿酬和印制成本，而且要撰写审读报告和编辑加工报告，填写装帧设计通知单、发排单、CIP数据申请单、印制通知单等各种出版文书，还要撰写书评，提出营销方案，参加各类书市和图书订货会……因为，就出版而言，编辑最了解图书的内容、特色和读者对象，做与图书有关的所有工作最具条件和优势。

然而，人的能力和精力是有限的，况且在市场经济条件下，生活和工作节奏越来越快，出书周期越来越短，为了能在竞争日趋激烈的市场中占有一席之地，许多出版社的编辑，上班时间处理各种事务，下班之后编稿子，几乎成了工作狂。即便如此，图书质量仍一再受到批评，致使图书编辑的生存状况日益恶化。因此，无论从对编辑人员的人性化管理方面，还是对图书出版的质量管理方面来看，对图书编辑的岗位职责进行调整势在必行。

随着社会的发展，生产的社会化程度越来越高，社会分工越来越细，在知识更新速度加快、信息量应接不暇的知识经济条件下，每一个人做好生产流程中的一个环节已经不易，要求做好全程，既不现实，也不必要。编辑工作是一项复杂劳动，可以分解为多个项目(或称为环节)，设立相应的岗位，如策划编辑和文字编辑，由具有不同特长的编辑分工协作，共同完成，只要管理到位，则不仅缓解了编辑人员的工作压力，而且可以提高工作效率，在保证图书质量的前提下，适当缩短出版周期。

二策劃编辑与文字编辑分开有利于发挥不同类型编辑的优势，提高图书质量

策划选题和编辑加工书稿虽然都是编辑工作的组成部分，但其工作状态及其对从业者的知识结构、素质和能力的要求却大不相同。一个好的选题策划人员必须头脑灵活、思维敏捷、性格外向，有较强的语言表达能力、交际能力和应变能力，眼勤、腿勤、嘴勤，多看、多跑、多与人交流，能受得起冷遇、经得起挫折，而不至因此止步不前，有开拓新领域的勇气和坚忍不拔的精神，对市场动向敏感、反应迅速。书稿加工编辑则要耐得住寂寞，坐得起冷板凳，有扎实的语言文字功底，有不畏名家、认理不认人的科学精神和认真、细致、严谨的工作作风，有较强的逻辑思维能力，熟悉专业知识和编辑技术规范以及一丝不苟、追求完美的性格特征。

作为出版社主要生产力之一的编辑，是由独立个体组成的团队，这个团队的每一份子可能都有自己擅长的领域：有的对市场比较了解，善于捕捉各种信息，从而提出有价值的选题思路；有的善于社交，与人沟通的能力强，有可能循已有的选题思路从合适的作者那里组到比较满意的书稿；有的不善言辞，但严谨细致，驾驭文字的能力比较强，是编辑加工书稿的最佳人选……在一个出版单位中，具有这种专一特长的人很多，而融上述各种专长于一体的人才却比较少见。在一个现代化的出版单位内部，通过科学的人力资源管理，完全可以把不同特质的人组合在一起，充分发挥个体的特长和优势，实现选题策划和编辑加工这两个相互接续而又不可或缺的关键环节的无缝衔接。

把编辑的工作进行分解，在出版实践中早已有之，且效果良好。例如：基于“让每个人做他最擅长的事”的理念，美国的图书编辑分为选书编辑、策划编辑、文稿编辑、文字编辑、编辑助理等，充分挖掘每一个人的潜力，发挥其最大优势，加上其完善的管理制度，使“每位员工的权责利非常清晰”，因而尽管分工如此细致，却没有因为环节多而产生内耗，工作效率大大高于国内出版企业。国内不少出版社已经开始尝试这一做法，并取得了显著成效。

三策划编辑与文字编辑分开导致责任主体多元化，对出版管理提出了更高要求

任何事物均有两面性，策划编辑与文字编辑分开既有有利之处，也有一些需要在实践中逐渐解决和完善的问题。

其一，策划编辑与文字编辑分开增加了管理成本。过去，责任编辑对一本书负责到底，责任主体单一，管理者提出岗位要求后，甚至可以不问过程，只管最终结果，其间无论出现什么问题，只问责任编辑一人。策划编辑与文字编辑分开后，同一本书的责任主体多元化，必然产生职责、权限和利益的多元化，增加了岗位职责的科学划分、劳动报酬的合理分配等人员管理工作的量和难度。尤其在出版周期比较短的情况下，策划编辑与文字编辑可能产生矛盾：一个强调时间，一个强调质量；一个重视出版时机和销量，一个更重视编校质量。这些矛盾均因考核指标不同所致：前者考核的是利润指标，后者则是编校质量。在分配制度上，策划编辑的奖酬一般是与单书利润挂钩，文字编辑则按编辑加工的字数取酬，导致的不良后果之一是前者对书稿的精细加工不太重视，后者则对选题的市场前景不太关注。因此，管理者要协调选题策划人员和文字编辑之间的关系，平衡其责权利，通过公平、公正、合理的奖罚措施实现图书生产流程的顺畅对接。如果责任不清，赏罚不明，将会影响相关人员的工作积极性。

其二，策划编辑与文字编辑分开，有可能导致边缘环节主体虚化。一般情况下，初审工作应由策划编辑承担，如果初审认为书稿质量没有达到策划意图，即应退给作者修改。三审认为符合出版要求的书稿才能进入文字编辑手中，开始编辑加工。但在目前情况下，很多出版社的策划编辑对书稿的

审查比较粗放，一般做不到认真通读，拿到书稿后，往往大致翻阅一下即交给文字编辑，由文字编辑进行初审。限于出版周期，文字编辑审稿最常见的问题是将审稿与编辑加工合二为一，这样运作的实际结果是三审流于形式。有些图书甚至发排后，校对与复终审交叉进行。如此流程，图书的质量可想而知。

其三，从长远看，策划编辑与文字编辑分开的机制不太有利于复合型人才的成长，在目前情况下这一问题尚未显现。因为，现在的选题策划人员大多是从原有编辑队伍中分离出来的，有较深厚的专业素养和过硬的文字功底，有经验，有优势，熟悉书稿编辑加工及后续环节，组稿时与作者沟通顺畅，能策划质量较高的好稿子。一定时期之后，一些直接进入策划岗位的年轻编辑，尤其是缺乏书稿编辑加工经验的非专业人员，即使有较强的社交能力，也了解市场、懂得营销，却有可能在组稿时对作者提不出具体帮助和切实可行的建议，因而即便有好的创意，也未必能组到好稿子。《编辑人的世界》所描述的现象值得注意：“新一代的编辑轻视文字编辑工作和书籍制作上的细节，而出版业所有权日趋集中和竞争愈演愈烈，使得出版社面临了巨大的时间和金钱压力，不再重视书籍制作水准。结果就是我们眼前这一大堆制作松散、经不起时间考验、充斥着手民之误的书籍。”所以，新编辑要从文字编辑做起，积累一些经验之后再进入策划岗位。当然，也可以适当地进行岗位轮换。

其四，责任者的署名问题。策划编辑和文字编辑分开之前，图书内容质量和编校质量的责任者是一个人，即“责任编辑”，所以责任者署名方式就是“责任编辑×××”。二者分开之后，大部分情况下，责任编辑不是同一个人，责任者的署名方式变成了“策划编辑×××；文字编辑×××”。与此相应，相关的编辑出版专业教科书也好，行业内的其他文件也好，对责任编辑概念的界定也需要作相应调整。过去关于责任编辑“一般是选题的设计者和申报者，也可以说是选题的执行导演，在选题的实现中起着关键性的作用。在选题得到批复的前提下，责任编辑的责任，是对选题的质量负责，对整个选题的物化和成形过程负责；责任编辑的具体工作，是通过对书稿的编辑加工，使书稿的质量达到出版要求”的说法，可能要进行修改。曾经遇到过这种问题：策划编辑组好稿子，交给文字编辑；文字编辑完成了初审、编辑加工等后续工作，作为责任编辑署名。成书后质检合格，策划和文编分别得到各自的劳动报酬，均无异议。后来图书获了奖，文字编辑作为责任编辑拿到了荣誉证书，晋升时可以作为条件之一。策划编辑认为，如果选题不好，这本书不可能获奖。可是策划的好选题，获了奖，却没有策划编辑的份，晋升职称时没有依据。另外，随着图书市场化程度的进一步加剧，无论是出版社還是图书策划者，都把追求经济效益的最大化作为重要目标，责任编辑和策划编辑的报酬都是在单本核算的基础上测算的，单纯文字编辑的生存空间必然受到程度不同的挤压，新的职责范围和奖惩标准恐怕也要做相应的改变。诸如此类，都有待于调整和完善。

化工分离过程的开发及方法选择篇4

开发基础研究、过程研究及工程研究三个因素组成了化工技术开发, 而在化工新技术开发的三个关键环节中最主要的就是放大技术。放大技术有四种方法即:逐级经验放大、数学模型方法、参照类似工业装置放大和工程理论指导放大。

1.1 逐级经验放大

逐级经验放大的方法是:先对过程进行小的试验, 根据试验来确定相关的反应条件和相应的设备, 来满足理想的技术经济指标。小试验如果获得成功就进行规模再大一点的试验, 来确定设备变大后的相关影响作用也就是放大效应, 根据放大的效果再次进行放大到工业规模的大型设备。

1.2 数学模型方法

数学模型方法结果的可靠性, 取决于数学模型的合理性, 而数学模型的合理性则取决于对过程的简化是否抓住了本质, 得到了不失真的物理模型。所谓不失真, 并不是要求模型与原过程在各方面都惟妙惟肖 (如是这样, 就无所谓简化) , 而是要求在所研究问题的方面, 模型与原过程等效。因此, 抓住研究过程的内在规律的特殊性, 明确研究的目的性, 是能否得到合理简化的物理模型的关键。如果模型方程可靠, 就可由数学模型方法的结果直接设计出大设备, 不存在什么放大效应问题, 与逐级经验放大方法相比, 可以节省试验费用, 缩短开发周期, 结果比较可靠, 所以是工程开发者试图遵循的。但是, 数学模型法尽管在方法的逻辑上合理, 从方法论上说也很科学, 但在化工中的实际应用至今仍然有限。主要原因在于化工过程太复杂, 可靠又合理简化的数学模型难以建立。

就传质分离操作而言, 对于常用的蒸馏、吸收, 已经达到了相当探度的认识, 对于工程上广泛遇到的物系, 其设计可以从基本物性和基础平衡数据出发进行, 几乎不必进行实验, 就可以完成设计。对于不熟悉的新物系, 或希望开发的塔设备, 一般也只要作下述的实验测定工作:1) 平衡关系以及必要的热力学和传递物性的测定;2) 板效率, 传质单元数或传质系数的测定。因相平衡热力学的迅速发展, 开发出了一些比较可靠的关联式, 使得相平衡的实测工作量可以大为减少。

总之, 能否自觉应用正确的方法论和利用规律性知识作指导, 开发的速度和效果将大不一样。

2 化工分离方法的选择

随着社会科技水平的提高, 化工分离的方法也越来越多, 每中方法都有利有弊。分离工序的第一步就是进行方法的可行性研究, 对方法进行合理选择, 既要在技术上先进还要更加经济节能。以下的集中方法仅提供些准则, 供大家参考。

2.1 分离方法选择可行性

在对分离的方法进行选择的时候, 第一个要考虑的就是这个分离方法能否可行。通过对分离方法的严格筛选, 选出最好的方法。

如果一个方法在原理上完全可行, 能够满足我们的要求, 我们也要看看进行这个反应所需要的条件, 如:温度、压力等我们是否具备。比如丙酮和乙醚的分离操作, 单单从两种物质的凝固点来看的话, 我们运用升华干燥、浸取和逐区熔融的方法都可以进行两种物质的分离, 达到我们的目的。但是他们的凝固点温度很低, 如果选择这个方法的话, 就得看看我们有没有低温制冷设备进行此次试验, 如果没有设备还是不能选择这个方法。如果我们有了低温制冷设备, 也要考虑一下成本是否较大, 成本很高的话也是得考虑别的方法。所以, 如果有多个分离方法可以选择的话, 我们还是得多多比较, 选择最经济、最合理的方法。

相同的一种原料, 我们如果用不一样的方法进行分离提纯, 得到产品的先后顺序和纯度也不一样。比如丙二烯、丙烯和丙烷这三样物质的混合在一起来分离操作, 采用蒸馏的方式进行分离, 首先我们得到的是丙烯;采用萃取蒸馏的方法进行操作, 加入极性溶剂, 我们首先得到的就能够成为丙烷;采用萃取方法进行操作, 我们加上跟丙二烯、丙烯和丙烷不溶解的极性溶剂, 我们首先得到的将是丙二烯。由此看出, 分离路线的选择也非常重要。

2.2 分离过程类别的选择

通常情况下, 我们把传质分离分成平衡分离过程和速率控制分离过程;也可以根据添加剂的不同成分, 分成添加物质型分离过程和添加能量型分离过程两种。这几种过程都有自己的优点和缺点, 我们可以进行合理选择。

如果考虑能量消耗的量大与量小, 在进行多级分离过程时, 我们应当优先选择平衡分离过程, 其次考虑速率控制过程。之所以这样选择是因为:多级速率控制分离的每一级试验中需要消耗的添加剂量大, 而在平衡分离的试验中添加剂只需要加入一次。平衡分离过程中我们先运用能量添加型分离过程。因为物质添加型分离过程中添加的溶剂在试验的过程中可以再次利用。跟能量添加型的相比起来, 需要消耗更多的能量。所以, 在丙二烯一丙烯-丙烷分离时, 我们先运用蒸馏, 其次萃取蒸馏, 最后选择萃取。当然, 个别的分离试验操作只能够让我们选择多级分离过程。分离过程中有固态的分离, 就会在生产中的连续性造成困难, 只能用复杂的设备来处理。拿气固吸附作为例子, 如果运用固定床吸附的时候我们一定要考虑到吸附剂的动态吸附平衡, 应当使用复套固定床的生产流程线, 但是这个也仅仅能够对混合物中低浓度组分的分离。

2.3 物性与分子性质

利用萃取和吸收操作进行分离的原理就是同一种溶质在不同的溶剂中的溶解度不同。更深层的原因就是分子的偶极矩或分子间的化学反应平衡和极化强度的大小, 从结晶的过程看, 在大的方面表现出来的是溶解度的大小不同, 其实是因为各个分子聚集能力的不同, 跟分子的大小、形状和所带的电荷有很大关系。

3 结论

化工分离过程是一个复杂的过程, 方法有很多, 在选择方法时既要考虑原理上的合理, 还要考虑成本的降低。因为作者自身能力有限, 文中不当之处还请读者批评指正。

摘要：本文根据作者多年经验, 从化工分离过程的开发与方法和方法的选择两个方面探讨了作者对化工分离过程开发及方法选择的见解。

关键词：化学,化工分离,开发,方法

参考文献

[1]任立鹏, 侯侠.化工分离技术的发展.化学与黏合, 2012 (11) .

分离过程篇5

2009年7月31日收到中国博士后科学基金项目(200801275)

特别资助游离水脱除设备有卧式和立式结构两种。但是大量的理论和实践证明:立式结构的油水覆盖面积小,油水分离慢;卧式结构油水界面与水出口距离短、分离时间不足。为了克服上述这些缺点,将卧式和立式结构相结合采用仰角设计。这种仰角式游离水脱除离器是一种采用重力油水分离方法的油水分离设备。采用仰角结构后,设备的水出口与油水界面的有效长度增大、油滴浮升面积增大,从而提高了设备的分离效率[1,2]。在仰角式游离水脱除器的设计方案中,仰角的大小是一个关键参数,合适的仰角对提高脱除器的分离效率意义重大。笔者借助流体计算软件Fluent,以油水两相介质为研究对象,分析了仰角式游离水脱除器内部流场的分布规律和油水两相流的分离特性,以及不同仰角对脱除器分离效率的影响,并结合现场试验确定仰角式游离水脱除器的最佳仰角。

1 控制方程

对于油水分离问题, 仰角式游离水脱除器内两相流体的流动规律由流体力学基本方程控制[3,4,5,6,7,8]。根据本文所研究的问题,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型进行数值模拟,并采用欧拉模型来描述仰角式游离水脱除器中的油水两相流动。

对于湍流的不可压缩流动,其时均方程的张量形式如下:

连续方程:

$\frac{\partial ρ}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u)}{\partial x} + \frac{\partial (ρ v)}{\partial y} + \frac{\partial (ρ w)}{\partial z} = 0 (1)$

动量方程(Navier-Stokes):

$\begin{array}{l} \frac{\partial (ρ u)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u u)}{\partial x} + \frac{\partial (ρ u v)}{\partial y} + \frac{\partial (ρ u w)}{\partial z} = \\ \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial u}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial u}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial u}{\partial z}) - \frac{\partial p}{\partial x} + S_{u} (2) \\ \frac{\partial (ρ v)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ v u)}{\partial x} + \frac{\partial (ρ v v)}{\partial y} + \frac{\partial (ρ v w)}{\partial z} = \\ \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial v}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial v}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial v}{\partial z}) - \frac{\partial p}{\partial y} + S_{v} (3) \\ \frac{\partial (ρ w)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ w u)}{\partial x} + \frac{\partial (ρ w v)}{\partial y} + \frac{\partial (ρ w w)}{\partial z} = \\ \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial w}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial w}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial w}{\partial z}) - \frac{\partial p}{\partial z} + S_{w} (4) \end{array}$

$\begin{array}{l} 其中 S_{u} = F_{x} + s_{x} ‚ S_{v} = F_{y} + s_{y} ‚ S_{w} = F_{z} + s_{z} ‚ \\ s_{x} = \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial u}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial v}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial w}{\partial x}) + \\ \frac{\partial}{\partial x} (λ d i v u) (5) \\ s_{y} = \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial u}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial v}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial w}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial y} (λ d i v u) (6) \\ s_{z} = \frac{\partial}{\partial x} (μ \frac{\partial u}{\partial z}) + \frac{\partial}{\partial y} (μ \frac{\partial v}{\partial z}) + \frac{\partial}{\partial z} (μ \frac{\partial w}{\partial z}) + \frac{\partial}{\partial z} (λ d i v u) (7) \end{array}$

一般来讲,对于黏性为常数的不可压缩流体,sx=sy=sz=0。

湍动能k方程为:

$\frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ k u_{i}) = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + G_{k} - ρ ε (8)$

式(8)中

$\begin{array}{l} G_{k} = μ_{t} {2 [(\frac{\partial u}{\partial x})^{2} + (\frac{\partial v}{\partial x})^{2} + (\frac{v}{r})^{2}] + (\frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial v}{\partial x})^{2} + \\ (\frac{\partial u}{\partial z} + \frac{\partial w}{\partial x})^{2} + (\frac{\partial v}{\partial z} + \frac{\partial w}{\partial y})^{2}} (9) \end{array}$

湍流能量耗散ε方程为:

$\frac{\partial (ρ ε)}{\partial ε} + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ ε u_{i}) = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + \frac{C_{1 ε}}{k} G_{k} - C_{2 ε} ρ \frac{ε^{2}}{k} (10)$

式(10)中ρ—密度;p—压力;u、v、w—分别为x,y,z方向的速度;k—单位质量湍动能;ε—单位质量能量耗散率;μeff、μt、μ—分别为有效黏性系数、湍流黏性系数,动力黏性系数。

在标准的k-ε模型中,根据Launder等的推荐值及后来的实验验证,模型常数C1ε=1.44、C2ε=1.92、σk=1.0、σε=1.3。

2 网格的划分及边界条件的确定

2.1 脱除器模型的网格划分

以12°仰角为例,将脱除器简化为长为18 m,直径为0.9 m,一个进液口,一个出水口及一个出油口的计算模型,进液口直径为0.2 m;出口直径0.15 m。脱除器部分采用结构化网格,进液口和出口处采用非结构网格[9],网格划分结果如图1所示。

2.2 确定边界条件

介质为油水混合物,主相为水,密度为992.45 kg/m3,黏度为0.72 mPa·s,次相为油,密度为849.42 kg/m3,黏度为90.7 mPa·s,将流体定义为不可压缩流体。

(1) 进口边界:

根据油田日处理量为2 400 m3计算得到进液口截面法向时均速度值为0.86 m/s,进液口直径为0.2 m,进口压力为0.2 MP。

(2) 出口边界:

出口静压为标准大气压(1.013 25×105 Pa),上端油相出口和下端水相出口直径相同都为0.15 m。

(3) 固壁边界:

壁面为无滑移边界条件,默认壁面粗糙度为0.5。

(4) 初始条件:

初始设分离器内液体含水体积百分比:88%,含油体积百分比:12%;进口液体:含水88%,含油12%,温度为38.7 ℃。

3 计算结果与分析

3.1 不同倾角的模拟计算

分别对仰角为0°、9°、12°、15°游离水脱除器进行数值模拟,所得模拟结果如图2,3所示。从图中曲线可以看到出油口处油中含水值最小时的最佳仰角为12°,出水口处水中含油值最小时的最佳仰角为15°,但考虑到脱除器决定分离效率高低的关键参数是油中含水量这个指标,所以确定仰角为12°时的分离器的分离效率最高,出油口的油中含水体积百分比7.6%。

3.2 仰角式游离水脱除器内的油水分离过程

图4给出仰角式游离水脱除器油水两相随时间分离过程中的分布情况。图中浅色和深色分别代表水和油[10](分散相浓度分别为0和1),图中展示了油水两相由开始混合的均相流在脱除器内逐渐分离、聚并、迁移的过程,并且可以清晰看出油相出口处的油相介质体积浓度随着时间的变化。

3.3 现场试验

根据模拟结果指导现场试验,在某采油厂转油站分别对仰角为0°、9°、12°、15°游离水脱除器的分离效果进行现场试验,得到实验结果如图5所示。从图中曲线可以看出,仰角为12°时的油中含水率值最低,分离效果最好。

3.4 模拟结果与现场试验数据对比

仰角为12°时的试验数据和模拟结果对比结果如图6、7所示,可见两者误差很小,模拟结果准确率较高。现场试验结果和室内模拟结果存在一定误差,有两个方面的原因,一方面是Fluent模拟计算中所进行的一系列简化造成的误差;另一方面是试验过程导致的误差,所以会使试验和模拟结果在数值上有所区别。但是,试验结论和模拟结论的趋势是基本相符的。

4 结论

(1) 基于计算流体动力学的原理和方法,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型,对仰角式游离水脱除器的油水两相流场进行了三维数值模拟。

(2) 根据Fluent模拟油水分离过程体积浓度云图可以清晰看出油相出口处的油相介质体积浓度随着时间的延长,油水分离效果越来越好,在20 min时分离效果达到最佳。

(3) 通过数值计算得到了不同仰角时游离水脱除器的水中含油和油中含水值,对模拟结果进行深入分析,分析结果表明当游离水脱除器的仰角为12°时,脱除器分离效率达到最高,出油口的油中含水体积百分比为7.6%。

摘要：仰角式游离水脱除器属于重力式油水分离设备,其分离效率高于立式和卧式脱除器。为了分析脱除器仰角对分离效果的影响,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型对脱除器的内部流场进行了数值模拟。分析了脱除器在不同仰角时油水两相由开始的均相流逐渐在脱除器内分离、聚合、迁移的过程,研究了油水两相体积浓度随时间的变化规律。模拟结果表明,脱除器仰角为12°时,分离效率最高,出油口油中含水体积百分比为7.6%。

关键词：脱除器,油水分离,湍流模型,数值模拟

参考文献

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分离过程篇6

相分离过程研究是流体力学中多相流与非平衡流体研究的核心内容之一[1,2,3].从物理上讲,相分离过程又属于非平衡相变研究的范畴,是凝聚态与统计物理学(特别是非平衡统计物理学)研究的重要内容.本文简要概述离散Boltzmann建模的基本思路及其在相分离过程研究方面取得的进展,重点突出离散Boltzmann建模在各类非平衡行为描述方面的优势与目前获得的认识,最后讨论无量纲化、重新标度与量纲、尺度恢复问题.

1 流体系统的建模:粗粒化与细粒化描述

宏观流体建模是基于连续介质假设的;流体的本构关系和物性参数需要由实验来确定;其基本控制方程为Euler方程或Navier-Stokes方程;“流体质点”被视为组成流体的“基本单元”,其内部组成和结构等不再考虑.微观建模一般是指基于分子(或原子)的描述,分子(或原子)间作用势的建立是模型构建的关键;研究方法主要是数值模拟,模拟工具主要是分子动力学;在实际模拟运算中,需要对分子(或原子)间作用势的作用半径进行截断,截断的合理性要求同时保证材料物性参数的合理性和实际运算的高效性.

非平衡统计力学是联系微观运动和宏观运动的桥梁,所以经常称为介观描述.刘维尔(Liouville)方程是非平衡统计力学中最基本的方程,它为大群微观粒子运动状态的演化作了最完备的统计描述,它是各种动理学理论体系的出发点.对于一个实际的宏观系统,粒子数N是阿伏伽德罗常数即10[23]量级.在实际研究过程中,我们无法准确掌控N体分布函数的演化,所以不得不通过抓主要矛盾来逐步适当简化模型.这实际上是一系列粗粒化物理建模的过程.在这些过程中,作为主要矛盾来主要关注的行为特征不能因为简化而丢失或改变.如果同时满足如下5个条件:Bhatnagar,Gross和Krook于1954年提出的,习惯上被称为BGK模型[4].将feq在Maxwell分布的基础上进行修正的模型有椭圆统计BGK,Shakhov,Rykov,Liu等模型.BGK模型因其简单而获得了最为广泛的应用[5,6,7].

离散Boltzmann模型(DBM,discrete Boltzmann model)是由Boltzmann方程经过两次粗粒化物理建模(碰撞算符线性化和粒子速度空间离散化)得到的.粒子速度空间离散化时要保证物理问题研究过程中所需求的动理学矩的计算结果不因粒子速度空间的离散化而改变.目前,DBM有单松弛因子和多松弛因子两种模型.在离散Boltzmann方法建模的理论框架下,目前已派生出两个研究分支:一是作为偏微分方程数值解法的LBM (lattice Boltzmaan method),一是作为流体系统动理学建模的第二类DBM.为方便叙述,在下文中如果没有特殊说明,DBM就特指作为动理学模型出现的第二类DBM.除了Navier-Stokes所描述的宏观流动行为,(第二类)DBM还可以给出与我们关注的宏观流动关系最为密切的那部分热动非平衡行为,可用于研究更深层次或更多侧面的非平衡行为.

2 相分离系统的LBM与DBM研究

在物理建模方面,多相流DBM构造的核心是如何将非理想气体效应合理地加入演化方程.虽然模型的具体形式各异,但其最终目的都是将理想气体状态方程更换为合适的非理想气体状态方程.

2.1 基于原始流体模型的LBM模拟

研究相分离行为的传统流体模型是相耦合的Navier-Stokes方程和Cahn-Hilliard或Allen-Cahn方程[8].前者描述序参数守恒的系统,后者描述序参数不守恒的系统.在已有自由能LBM或相场LBM中,使用的都是第一类传统流体模型,即NavierStokes和Cahn-Hilliard方程相耦合.由于LBM的早期研究主要集中在等温、低速、不可压流体系统,所以早期的多相流LBM模型也主要集中在等温、低速、不可压流体系统.

提出较早且现在仍在广泛使用的LBM多相流模型有伪势模型[9]和自由能模型[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24].近年来基于相场理论的多相流LBM也有较大的进展[25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].伪势模型最初由Shan等[9]提出.该模型通过引入粒子间非局域相互作用势即伪势来模拟两相流系统.相互作用的形式决定了状态方程的形式,当其选取合理,两相间的分离与混合就可以合理地实现.从物理学角度,相互作用势(或力)描述、状态方程描述、相场和自由能描述是相通的;通过自由能描述可以获得其他类型的描述.所以,文献中所称的自由能LBM和相场LBM在物理建模层面上基本一致.前者需要求解Cahn-Hilliard方程,后者需要用到自由能泛函;其差异主要表现在算法层面.就自由能或相场LBM,在物理建模方面,主要进展是由等温模型发展到温度自适应模型,由忽略相变潜热到考虑相变潜热.在应用方面,在固液相分离研究中,研究了复杂条件下的枝晶迁移、生长等过程[29,30,31,32,33,34];在液气相分离研究中,考虑了相变潜热效应,研究了气泡生长和热壁脱离等现象[35,36,37,38,39].在算法设计方面,研究论文较多.因为在这一部分与相场理论相关的LBM工作中,LBM的功能是求解Cahn-Hilliard方程,所以近年来的主要进展是算法稳定性的提高和相界面捕捉能力的改进[40,41,42,43,44,45,46].

自由能LBM模型最初由牛津大学Yeomans课题组的Swift等[10]提出.在自由能模型中,系统的基态由自由能极小值来决定.在高温条件下,系统自由能只有一个极小值,系统处于均匀混合态.当系统温度降低至二相共存温度时,自由能的形式转变为具有两个相等的极小值,这时原来的均匀混合态失稳,从而发生相分离现象.

自由能模型在相分离研究中使用最为广泛[10]①.最初版本是用于研究系统内没有周期结构的相分离过程的[10].1997年,Yeom ans课题组的Gonnella等将其推广用于模拟系统内含周期结构的层状相形成和演化[18];随后Gonnella课题组的许爱国等进行了一些修正与发展:2003年修正了原1995年模型中压强、迁移率等定义式,给出新的平衡态分布函数计算公式[20];2004年提出负反馈等机制来提高LBM模拟的稳定性[21];2005修正了原1997年模型中压强、迁移率等定义式,给出新的平衡态分布函数计算公式[23];2006年提出LBM与有限差分相耦合的混合模型[24].

这些大都是等温不可压模型,其功能都是数值逼近解法,只适用于传统流体模型已知的等温不可压相分离系统.2007年Gonnella,Lamura和Sofonea (GLS)提出一个温度自适应的LBM模型[47].GLS模型是通过外力项实现状态方程的替换,是当时物理上最合理的热多相流LBM模型.我们课题组针对外力项中空间导数计算次数较多以至于数值耗散较大这一问题,使用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)来计算空间导数,构造了FFT-LBM模型,构造了与FFT相适应的边界条件[48,49,50,51].先前的GLs模型相比,在FFT-LBM中,界面附近的虚假速度幅度明显减小,在可接受的误差范围内保证了总能量守恒,并且能够模拟的液气密度比得到了大幅度提升.

由于温度自适应LBM提出较晚,所以文献中多数模拟工作是针对等温、近似不可压相分离系统的.在这一方面,牛津大学Yeomans课题组以及与其相关的一些课题组做出了杰出的贡献[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25].例如,他们研究了二维流体的相分离和平衡界面溶解等动力学过程.研究内容大体分两类:一类是系统内不存在固有周期结构的情形,另一类是系统内存在固有周期结构的情形.第二类情形是以高温无序相向层状相的转变为例来研究的.

在一般相分离情形,即系统内不存在固有的周期结构时,研究表明:[11].(2)在二元流体情形,上述幂律行为仍然存在,只是在高黏性情形(对应于相分离早期),α=1/3;在低黏性情形(对应于相分离后期),α=2/3[11].(3)在存在交流剪切的二元流体系统中,几个不同来源的时间尺度(例如剪切作用力的周期和系统动力学松弛时间)之间相互竞争,以至于系统行为极其丰富和复杂.他们研究了不同震荡频率和黏性对相分离过程中新相畴形成与形态演化的影响.研究表明,当剪切作用的震荡频率远高于速度轮廓的松弛时间时,新相畴几乎是各向同性地增长;在黏性较高时,主要增长机制是扩散,增长指数为α=1/3,在黏性较低时,流动和惯性效应显著,增长指数为α=2/3.当剪切作用的震荡频率与速度轮廓的松弛时间TR可以比较时,新相畴的形态开始表现出明显的各向异性.在一定剪切和黏性条件下,边界层附近的层状相和系统中部的各向同性结构可以并存.另外,在一定黏性条件下,剪切导致的对流效应可能会中断或降低相分离的进程.随着剪切频率的降低,新相畴的形态逐渐靠近直流剪切的情形[20,21].图1给出交流剪切作用下等温相分离过程中一个时刻的构型和结构因子图.在交流剪切情形,在靠近边界的区域,系统形态呈现为含缺陷的层状相结构;水平方向(即初始剪切方向)速度沿竖直方向轮廓的斜率高于在边界处所施加的剪切率.系统中部呈现出一种所谓的“剪切诱导结构”:实际剪切率数值低于边界所施加的剪切率,系统形态呈现为倾斜的层状相、液滴和一些细长区域的混合态.对应力局域行为的分析表明,含缺陷的层状相和“剪切诱导结构”处于一种力学平衡态.在黏性一定时,这种现象可以存在的剪切率存在一个下限.当剪切率低于这个极限时,层状相将占据整个系统.这种“剪切诱导结构”只发生在黏性足够小的情形[22].如图2和图3所示.

当系统内存在固有的周期结构时,例如由高温无序态向低温层状相的转变过程中,在相分离早期或高黏性情形,扩散机制在起主导作用,系统内会出现包含一些缺陷结构的纠缠的层状相;当存在剪切效应或黏性较低时,流动效应变得显著,系统的纠缠状态减轻,层状相的大小和方位可达到其平衡值.系统中层状相结构增长的动力学行为满足如下标度关系:C(k,t)∝Lαf[(k—kM)L.其中C(k.t)是结构因子,其最大值在k=kM处;L是层状相结构的特征尺度.分析表明,缺陷湮灭是幂律增长的重要机制;局域有序化(颗粒化)是增长变慢的重要原因;增长率先表现为幂律型,后表现为对数型;宏观流动效应在这一延化过程的贡献不可忽视[22].图4给出不同时刻的构型(左)、特征尺度和结构因子随时间的演化.图5给出三维构型图和二维截面图的实例.

近年来,随着LBM模拟含温度场流体系统能力的提高[5],温度自适应系统相分离的LBM也逐渐成为一个新的研究热点.2007年Gonnella,Lamura和Sofonea通过他们提出的新模型研究了与冷壁接触的van der Waals流体系统内的液气相分离过程.发现系统与冷壁之间的热交换对新相畴的形态演化具有重要影响[47].

鉴于多相流LBM算法方面已有较多专著和文献,在该综述中,重点介绍近期发展起来的以非平衡行为物理建模与模拟为主的工作.除了建模的基本思路,也给出部分传统流体建模不易给出的、对于从物理上把握非平衡系统有帮助的、与关注的宏观流动行为关系最密切的热动非平衡行为.

2.2 针对非平衡行为的DBM建模与模拟

随着人们对多相流系统粗线条、主要特征的逐渐掌握,以前所忽视的各类微介观非平衡行为逐渐成为人们关注的热点.从物理上来讲,系统内密度、流速、温度等的不均匀和演化均是热动非平衡行为的驱动力.而多相流系统内存在大量的复杂界面,所以热动非平衡效应必定极其丰富、极其复杂!基于Navier-Stokes方程的传统流体模型不足以描述如此丰富、复杂的非平衡行为,而分子动力学或蒙特卡洛等方法能够模拟的时间和空间尺度又远远不能满足我们的需求.所以,人们对于相分离过程中非平衡行为的认识一直非常肤浅.为了深入研究这些非平衡行为,基于Boltzmann方程构建相关的动理学模型成为目前的主要思路之一.我们课题组近期的工作之一就是将DBM的思想推广应用于多相流系统,研究系统内流动非平衡和热动非平衡行为之间的相互作用、相互影响、相互牵制[52].

从历史的角度,在DBM出现之前,曾出现一些风格不同的热多相流LBM模型.有些LBM使用两个分布函数来描述同一套流体力学量;例如,使用一个分布函数来描述密度和流速,使用另外一个分布函数来描述温度.显然,这类处理是非物理的①.与这类双分布函数单流体LBM模型相比,GLS模型遵循了密度、流速、温度等同一套流体力学量使用同一个分布函数来描述的物理原则;根据时空离散格式,GLS模型属于有限差分LBM;它是温度自适应的、可压的,是当时物理上最合理的液气相分离LBM模型[47].我们课题组提出的FFT-LBM是GLS模型的改进和推广[48,49,50,51,52].

进一步将文献[5]中的思想推广应用于含界面的多相流系统,使得改进后的模型真正成为一个研究非平衡相变过程中流动和热动非平衡行为的动理学模型;借助动理学矩空间中“距离”的概念给出了一个“非平衡程度”的粗粒化描述;将液气相分离系统中的非平衡行为分为由粒子间相互作用力引起的和由梯度力引起的两大类.这样,求解原始宏观流体方程不再是新模型的唯一功能;发展后的模型相当于一个传统流体模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型,即为第二类DBM.

借助新提出的DBM动理学模型,定量研究了温度场、黏性、热传导、Prandtl数、表面张力等对相分离动理学过程的影响[48,49,50,51,52].通过形态分析技术比较研究了等温和非等温相分离过程,发现:等温模型给出的新相畴增长速度偏快;相变潜热小的系统,相畴增长速度快.根据“亚稳相分解”阶段边界长度逐渐增大,“新相畴增长”阶段边界长度逐渐减小的特征,给出划分相分离过程中这两个阶段的一个合理的形态判据,并依据这一判据给出一些标度关系.进一步研究了等温和非等温液气相分离过程中各种非平衡驱动力之间的复杂相互作用.发现:[52].为了引入非理想气体状态方程和表面张力,FFT-DBM采用如下形式的演化方程

其中,fki为离散分布函数,为离散平衡态分布函数,vki为离散速度,为外力项,系数分别为

式中,ρ,v,T分别是系统的密度、速度和温度.ζ是体黏性系数.q是调节Prandtl数的一参数.符号“:”表示张量缩并.

是压力张量,I是单位张量,K是表面张力系数

是Carnhan-Starling (CS)状态方程.其中a是描述分子间引力相互作用强度的参数.CS状态方程修正了van der Waals状态方程的斥力项,能更准确地描述硬球相互作用.数值实验表明[52],在平衡态,DBM模拟结果与理论结果符合很好.该模型能够模拟的最大密度比达到255左右;能保证系统质量、动能守恒,系统总能量的涨落在10-7量级.

在该模型构建过程中,平衡态分布函数满足如下7个动理学矩关系

这里表示m阶张量缩并成n阶张量.不带点的乘积表示张量积,在上述7个矩关系中,只有前3个,可以被fki取代,这是因为系统趋于或离开局域热动平衡的过程中质量守恒、动量守恒、能量守恒.在其余的4个矩关系中,如果被fki所取代,那么方程的左右两侧就不再相等,即

这种不等或差异正是系统偏离热动平衡之后的宏观效应.按照上述要求构建的、对应Navier-Stokes方程的2维DBM动理学模型提供18个非平衡量,其中10个是独立的.这10个独立非平衡量从10个不同的角度描述系统偏离热动平衡的具体状态.由这10个非平衡效应量可以进一步构建更加方便分析和使用的非平衡效应量,比如非平衡强度.由于在模拟的每一步都要计算和fki,宏观守恒量和非平衡量分别是分布函数的低阶矩和高阶矩,所以DBM可以同时给出宏观流动特征及其相伴随的、与我们关注的宏观行为关系最密切的那部分热动非平衡效应.

在理想气体情形,流动和热动非平衡效应仅由宏观量梯度或者梯度力引起.在多相流情形,除了梯度力,粒子间的相互作用力是诱发非平衡的另一驱动力.引入该驱动力后,方程(3)可写成

其中θ=—[A+B.(vki-u)+(C+Cq)(vki-u)[2]],是引入外力后的平衡态分布函数.分子间相互作用力引起的非平衡为

系统总的非平衡为

梯度力引起的非平衡为

可见当粒子间作用力消失时

同理想气体情形一致.Mn包含宏观流速u的信息,所以Δn包含流动和热动非平衡效应.如果剔除掉u的信息:,则仅描述热动非平衡效应.

图6展示的是等温相分离过程中的一组状态量为突出基本过程和机制,这里展示的是使用二维模型研究一维等温行为的实例.曲线ρinitial给出的是初始时刻的密度分布,即温度T=1.74下的密度平衡态分布,其余曲线给出的是温度突然降低至1.27之后t=0.01时的密度ρ、压强Pcs和流速ux分布.温度的突然下降,导致系统的液相和气相失稳,界面两侧出现压强梯度.压强梯度驱动两侧粒子向中心汇聚,导致液相(气相)密度进一步上升(下降).图7给出的是非平衡效应量Δ2,Δ3,Δ3,1和Δ4,2在该时刻的分布曲线,密度ρ曲线作为参考.由图7可见,非平衡效应在密度变化最大处达到最大,远离界面时较小.由于该非平衡相变过程是由温度降低牵引的,所以在达到新的平衡之前,界面液相区x和y自由度的内能均朝着大于零的方向偏离平均内能值,且x自由度偏离幅度较大.Δ4,2和Δ2表现出类似的特征,Δ3和Δ3,1表现出类似的特征.因为系统整体行为是一维的,所以Δ2xy=Δ3xxy=Δ3yyy=Δ(3,1)y=Δ(4,2)xy=0;Δ3和Δ3,1的x方向分量表现出与等温条件下物质输运相符合的行为:在左边界附近与密度曲线表现出相似性和正关联,在右边界附近与密度曲线表现出负关联.

粒子间相互作用力和梯度力引起的非平衡效应如图8所示,有以下特点:[52] 下载原图

非等温情形的现象与机制更加丰富.图9展示的是非等温相分离过程中一个时刻的状态量与热动非平衡效应量.在左图中,作为参考,曲线ρinitial给出了初态时的密度分布,即T=1.0时的密度平衡态分布.可见由于相变潜热的释放,系统温度大幅提高,最高温度已大于2.2.由图9右图可见,在该时刻,x和y自由度的内能朝着相反的方向偏离平均内能值,偏离幅度在液滴中部最大;剪切分量为0比较图7和图9可知:[52] 下载原图

进一步研究了热相分离过程中的表面张力效应,如图11所示.发现表面张力强烈影响相形态、相分离深度和速度.并发现了表面张力的先抑后扬效应,即抑制亚稳相分离、增强相畴增长.图12(a)给出了不同表面张力大小条件下相畴特征尺度随时间的演化.从该图也可观测到表面张力延长亚稳相分解过程,加快新相畴增长.新相畴增长速度与表面张力大小在一定范围内呈现出3次方依赖关系.图12 (b)同时给出了相分离过程中边界长度和部分非平衡效应量随时间的演化.可见,在分界点处,粒子间相互作用力和梯度力引发的非平衡效应幅度均达到最值.由此可见,非平衡效应强度可作为划分亚稳相分解和新相畴增长这两个阶段的一个物理判据.图12 (c)给出了不同表面张力系数K下边界长度和非平衡强度随时间的演化曲线.可见上述两类判据给出相同的分界点.图12(d)给出了亚稳相分解阶段持续时间和最大非平衡强度Dmax随表面张力系数K的变化曲线.其中实心圆和方块表示的是模拟结果,实线分别为拟合曲线:和,可见表面张力近似以线性和非线性方式延长亚稳态相分解的持续时间、降低非平衡强度.

3 无量纲化与量纲恢复

在实际研究过程中,我们经常遇到理论研究与工程研究所得结果之间的对应问题,所以根据实际问题,提炼物理模型,进行合理的无量纲化(nondimensionalize)与重新标度(re-scale)处理,得到结果后再进行量纲、尺度的恢复,是实际研究过程中的关键技术.与传统流体建模相比,Boltzmann描述涉及到的自由度、特征(时间、空间)尺度更多,无量纲化与重新标度过程中需要注意的细节更多.这里,我们结合相分离过程的离散Boltzmann研究进行如下讨论.

将时间单位t0、长度单位L0代入含加速度a的Boltzmann方程,消去常系数后会发现:方程形式完全没变.所以,我们完全可以认为作为研究问题起点的Boltzmann方程是已经做过无量纲化处理的,即其中的时间t和τ、位置r、粒子速度v、粒子数分布函数f都己经是无量纲的.进一步,如果气体常数R是经过无量纲化处理的,那么温度T就也是无量纲的.同样,一步步推理,可以发现,我们得到的黏性和热传导系数都是无量纲的;我们由无量纲化Boltzmann方程得到的Navier-Stokes方程是无量纲的.在上述推导中,粒子质量m0没有用到.可以将粒子质量m0取做质量单位;在模拟中使用经过无量纲化处理的参数.

在经过无量纲化处理之后,系统中的特征时间、特征尺度都无量纲,但有具体数值.在量纲不变的前提下,根据需要选取不同尺度做为1个单位的过程,称为尺度调整或重新标度.无量纲化过程不改变方程、关系式的形式,尺度调整则会在方程、关系式中引入常系数.在实际研究中,往往对原始控制方程同时进行无量纲化处理和尺度调整.如果需要,我们可以将已有无量纲量相乘除,再次构造新的无量纲量.通过(合理地)重新构造无量纲量,可以使以前隐藏的一些独立性、关联性更好地呈现出来.

我们的研究中基于无量纲量再次构造的无量纲量有两类:一类是两种作用或效应的相对强弱,另一类则是提供一种类比的描述方法.前一类的实例很多,例如马赫数、比热比、Prandtl数,等等;对于这一类,只要作为分母的量和量纲确定了,分子对应的量和量纲就随着确定了;在研究实际问题时,我们经常需要以这种方式来获得真实系统的信息.后一类的例子有相空间中的距离、形态描述中斑图动力学过程的相似度(形态量空间“距离”的倒数)和我们DBM模拟中引入的非平衡强度(用动理学矩表示的到平衡态的“距离”)等;对于这一类无量纲量,人们往往并不试图通过恢复其中某个量的数值和量纲来考察其余量的数值和量纲.

该讨论可以方便地推广到其他需要考虑外力作用的情形.

4 结论

DBM动理学建模为相分离等复杂流动过程中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁有效的思路和方法.除了传统Navier-Stokes模型能够描述的宏观流体行为,DBM动理学模拟还可以提供目前尚知之甚少的、传统Navier-Stokes模型不易给出的、对于我们从物理上把握非平衡系统有帮助的、与我们关注的宏观流动行为关系最密切的那部分热动非平衡行为.这可看作是DBM动理学建模反过来对非平衡统计物理学非平衡行为基本描述方法的贡献.

目前,在同时包含物质界面与冲击波、稀疏波等力学界面的系统中,DBM模拟所提供的非平衡行为特征已经用于真实分布函数主要特征的恢复,为不同类型界面的甄别提供了物理基础更加坚实的判据[53];DBM提供的冲击波精细物理结构与非平衡分子动力学数值实验结果相互支持,相互补充[54]!在液气相分离系统中,DBM模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离过程的不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据;不同界面附近非平衡行为的特征已用于相关界面追踪技术的设计,从而进一步推动了相关模拟方法和分析方法的发展[55]非平衡行为特征与宏观量空间分布不均匀性之间的关联正在获得更加系统的认识.熵产生是一个物理学和工程技术界都高度关注的物理问题.最近,理想气体系统和化学反应流系统中非平衡特征量与熵产生之间的关系得到了确立[56],但相分离系统中的类似关系式还有待确立;DBM在液液相分离研究中的应用还未见报告.相分离等复杂流动过程中非平衡行为的认识和应用也需要一个过程.从总体来讲,随着系统行为偏离热动平衡程度的增加,DBM动理学建模将表现出更多的优势.今后,DBM动理学建模与模拟将在相分离研究方面做出更多的贡献,这方面的工作才刚刚起步.

摘要：概述相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展.这部分研究内容,根据系统的成分,可分为单介质的两相分离和多介质的相分离;根据物理建模,可分为基于传统流体模型的LBM(lattice Boltzmann method)数值模拟和相分离系统的动理学建模与模拟;根据研究的侧重点,可分为方法(模型)研究和相分离过程研究.离散Boltzmann模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离的两个不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据,可用于不同类型界面的甄别与追踪技术设计.

分离过程篇7

1 对象

以我校医学检验专业2007级、2008级、2009级、2010级4届学生共229人为研究对象。

2 方法

2.1 制备模拟临床细菌标本

2.1.1 粪便标本

由大肠杆菌和肠道致病菌混合而成, 如大肠杆菌+伤寒沙门氏菌为一个标本类型;大肠杆菌+志贺氏菌为另一个标本类型, 依此类推。

2.1.2 脓标本

引起化脓感染的细菌, 如大肠杆菌、变形杆菌等。

2.2 实验考核材料

2.2.1 培养基

血平板、SS琼脂平板、麦康凯琼脂平板、KIA培养基、MIU培养基、Micro-ID系统肠杆菌科鉴定的15种微量生化管。

2.2.2 试剂

革兰氏染液、生理盐水、靛基质试剂、VP试剂、甲基红试剂、3%Fe Cl3、志贺氏菌诊断血清、沙门氏菌诊断血清。

2.2.3器材

无菌操作台、显微镜、酒精灯、接种环、载玻片、培养箱、试管。

2.3 考核设计及过程

(1) 根据学生人数制备模拟临床标本并编号, 如2010级检验16班学生共53人, 我们设计如下。

1~9号:粪便标本, 大肠杆菌+伤寒沙门氏菌;10~18号:粪便标本, 大肠杆菌+乙型副伤寒沙门氏菌;19~27号:粪便标本, 大肠杆菌+志贺氏菌;28~36号:脓标本, 大肠杆菌;37~53号:脓标本, 变形杆菌。

(2) 学生抽签, 按抽中的号码领取标本, 根据标本类型写出检验程序, 完成后上交教师处进行评分, 并开始细菌分离培养的第一步。如抽中粪便标本的学生直接向教师领取选择培养基, 将标本用分区划线法接种, 置于35℃温箱, 孵育18~24小时后观察结果;抽中脓标本的学生则先进行革兰染色, 再根据染色结果领取相应的培养基 (球菌用血平板, 杆菌用选择培养基) 进行细菌分离培养。

(3) 第二天教师先从温箱中取出学生的平板, 根据细菌培养结果进行评分;再让学生取回自己的平板, 观察菌落特征并记录;接着挑取目的菌进行革兰染色, 教师逐一考核染色技术并评分;待革兰染色评分完毕, 学生进行下一步的纯培养或转种生化培养并进行鉴定, 记录实验过程及领取的生化培养基。

(4) 第三天逐一考核学生生化反应的原理、方法及结果的观察。抽中脓标本的学生根据生化反应及血清凝集试验结果, 报告分离培养出的目的菌, 并上交实验的所有记录和纸质报告。学生进行综合分析, 写出诊断目的菌的依据, 报告分离培养出的目的菌。

(5) 抽中粪便标本的学生一定要进行血清学鉴定方能报告细菌分离培养的结果。方法是从SS琼脂平板或麦康凯琼脂平板上挑取无色半透明中等大小的菌落接种在KIA培养基上, 置35℃温箱孵育, 次日观察结果, 并挑取KIA培养基的细菌进行玻片凝集试验。教师考核学生分析、选择诊断血清的能力, 操作的熟练程度以及结果观察能力。

在整个考核过程中, 学生按检验程序逐一进行操作, 并观察实验现象, 解释和记录实验结果。而教师对学生细菌分离培养的每一个环节进行考核评分, 最后综合评价, 登记每位学生的考核成绩。

2.4 基于工作过程的细菌分离培养技术考核评分标准 (见表1)

注:优秀以得分≥单项标准分值×85%计算

注:考核成绩在85分及以上为优良

实验考核前后, 通过段考和期考对学生进行理论考试, 这两次考试除考核的细菌不同外, 题型、难易程度基本控制在同一水平。对4届学生细菌分离培养实验考核前后的理论成绩进行统计分析, 平均成绩用u检验, 实验考核前理论考试平均成绩 (62.03±15.33) 分, 实验考核后理论考试平均成绩 (79.22±10.25) 分, 实验考核前后比较, 差异有统计学意义 (u=15.747 4, P<0.01) 。优良率用χ2检验, α=0.05, 实验考核前理论考试优良率10.48%, 实验考核后理论考试优良率24.45%, 实验考核前后比较, 差异有统计学意义 (χ2=15.509 0, P<0.01) 。平均成绩及优良率均采用PEMS 3.1统计软件进行统计。

4 讨论与分析

随着国内外医学模式的转变及医学检验技术专业的飞速发展, 医学检验已由原先从属于临床医疗辅助性的学科发展为当今医学领域中一门独立的技能应用型学科。医学检验人才技能的培养和素质的提高是保证检验质量的基本条件[2]。为培养学生适应职业生涯发展和变化的职业能力, 按照职业能力培养规律, 我们设计了基于工作过程的细菌分离培养技术实验考核方法。基于工作过程的实验考核设计有利于发挥学生的主体作用, 既锻炼了学生的临床思维能力, 又达到了学以致用的目的, 实现了实验考核的教学设计与临床零距离对接[3]。表2的实验考核成绩经统计呈正态分布, 说明基于工作过程的细菌分离培养技术实验考核设计合理。

从整个工作过程中学生各个环节得分的优秀率分析, 学生进入实验室均能穿好工作服, 整理自己的仪容仪表, 对实验有比较好的态度。通过检验程序的书写, 体现出学生对于细菌分离培养的整个工作流程非常熟悉, 但涉及具体环节时却显得有些力不从心, 特别是分离培养和鉴定分析环节做得最差。分析其原因, 主要是平板分区划线练习太少造成的, 因为平板制备过程复杂, 且准备时间很长, 限制了学生练习的机会。鉴定分析必须要学生具备扎实的理论知识, 掌握细菌的各种生物学特征, 熟悉细菌各种生化反应的原理、方法和结果判断, 学会选择正确的诊断血清做凝集试验, 同时还要求学生能得到正确的生化反应结果以及正确的血清凝集结果。这一环节综合了高难度的理论知识和操作技能, 导致学生优秀率低。革兰染色因在实验课中可以反复练习, 优秀率达到50%以上。多数学生可以根据实验得到结果, 并按格式及要求写出正确的报告。

基于工作过程的细菌分离培养技术实验考核方法能明显提高学生的理论学习成绩。学生要完成这一工作过程的考核, 取得合格的成绩, 必须有扎实的理论知识做指导, 才能做出正确的分析和报告。这会促使学生进一步复习课本知识, 在分析每一环节的结果后才进入下一环节的实验, 这种环环相扣的实验考核过程提高了学生的学习兴趣和自主学习能力, 提高了理论考核成绩。

摘要：目的探讨细菌分离培养技术考核标准制订的合理性以及对学生成绩的影响。方法采用模拟临床标本, 对2007级至2010级医学检验专业共229人进行实验考核, 并制订考核标准。结果考核成绩经统计呈正态分布;考核的各个环节中细菌鉴定分析优秀率最低;学生的理论成绩得到提高 (P<0.01) 。结论基于工作过程的细菌分离培养技术考核标准制订合理, 其中综合分析鉴定的环节最难, 体现出微生物检验教学中的难点与重点。

关键词：工作过程,细菌分离培养,考核标准

参考文献

[1]郭积燕.微生物检验技术[M].2版.北京:人民卫生出版社, 2008.

[2]林雪金.加强实践教学培养高素质技能型医学检验人才[J].临床和实验医学杂志, 2008, 7 (8) :200-201.

分离过程篇8

油中溶解气体分析, 是诊断油浸式大型电力变压器潜伏性故障比较有效的方法。它是将变压器绝缘油中溶解的CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO、CO2等故障气体与变压器运行状态和潜在故障对应起来的分析方法, 因此作为变压器在线监测中最普遍、最重要的技术之一, 研究其油中溶解气体的分离及检测相关技术, 对提高变压器故障诊断的准确性和可靠性有着重要的意义。变压器油中溶解气体的种类、含量和变化趋势是反映变压器运行状况好坏的重要依据, 通过检测变压器油中溶解气体的各项指标, 监测变压器运行状况已经成为电力部门监测变压器的主要手段[1]。

在变压器油中溶解气体分析过程中, 从油中取出气体是一个重要环节, 目前常用的油气分离方法有溶解平衡法、真空法、薄膜法等。膜分离技术是一种新颖高效的分离技术, 与传统分离方法 (蒸发、萃取或离子交换等) 相比, 它是在常温下操作, 最适宜对热敏性物质和生物活性物质进行分离与浓缩, 因而在化工、轻工、电子、纺织、冶金、污水处理等领域得到广泛应用。

通过分析膜对故障气体的油气分离过程, 对膜渗透性能、膜与气室结构、膜温等影响油气分离过程及结果的因素进行研究, 并给出了计算与仿真过程。

1 高分子膜渗透性能对油气分离过程的影响

无孔膜的渗透性能通过渗透系数H量化表示, 渗透系数越大, 膜对故障气体的渗透性能越好, 因此故障气体通过油气分离膜的体积通量越大[2~4]。表1 给出了PFA、F46、PTFE、PI四种膜材料在25℃时对H2、CO和CH4气体的渗透系数H, 以及膜及气室结构参数。设气室中气体体积分数比值Pr=cg/ (9.87kco) , 其中

式中, c0为油中气体浓度;cg0为气室中气体的初始体积分数;cg为经过时间t后气室中气体体积分数;H为膜的渗透率;A为膜的有效接触面积;V为气室容积;d为膜的有效厚度;t为渗透时间;K为气体的平衡常数。

利用MATLAB进行仿真得到PFA膜、F46 膜、PTFE膜、PI膜对H2、CO及CH4的Pr值随时间变化关系, 可以了解到膜材料对气体的渗透性能, 仿真结果分别如图1、图2、图3 和图4 所示。

可以看出, 在油气分离膜与气室结构的参数相同的条件下, PFA膜及FEP膜材料对H2、CO及CH4 气体的渗透效果较好, 其中PFA膜对H2的渗透达到平衡时间最短, 但PFA膜对CO及CH4的渗透性能不及FEP膜, FEP膜与PTFE膜对H2的渗透性能相差不大, 但是对CO及CH4的渗透性能明显高于PTFE膜, PI膜对H2、CO、CH4三种气体的渗透性能均弱于前三种膜, 但PI对H2的选择性最强, 在单氢组分的检测中有优势。

2 膜与气室结构对油气分离过程的影响

油气分离膜结构及气室结构不会对油气分离过程达到平衡后气室中气体的体积分数产生影响, 但是膜及气室结构会影响油气分离过程达到平衡所需要的时间。设油气分离过程中的结构参数为b, 其表达式为:

以气室中气体体积分数cg0=0 作为渗透过程的初始状态, 则式 (1) 可简化为:

设cmax为气室中气体体积分数能达到的极限值, 即cmax=9.87kco, 则气室中气体体积分数可表示为:

当设定气室中气体体积分数cg达到气体体积分数极限值cmax的99%, 即视为油气分离过程达到动态平衡, 则由式 (2) 和式 (4) 可得到平衡所需时间t99的表达式[8,9,10,11]。在实际应用过程中, 当故障气体的油气分离过程达到平衡所需时间较长时, 也可将平衡时间设定为t90, 即cg达到气体体积分数极限值cmax的90%所需的时间, 由式 (2) 和式 (4) 可得t90的表达式为:

由式 (5) 可知, 油气分离膜与变压器绝缘油的有效接触面积A、油气分离膜的厚度d及油气分离的气室体积大小V都会影响油气分离过程达到平衡所需时间[5,6,7]。

以聚四氟乙烯膜对H2的渗透系数计算膜厚度d的变化对油气分离过程平衡时间的影响, 结果如图5所示。

同时计算气室体积与油气分离膜面积的比值的变化对油气分离平衡时间的影响, 结果如图6 所示。

从图6 中可以看出, 油气分离膜的厚度d越小, 气室体积与膜面积比V/A越小, 油气分离达到平衡所需时间越短。因此合理设计膜与气室结构可使油气分离的平衡时间缩短。

3 温度变化对油气分离过程的影响

利用分离膜对变压器进行油气分离过程中, 变压器油温和环境温度的变化会导致分离膜温的变化, 膜温的变化对油气分离过程的影响不能忽视, 需要对其进行修正。

设油气分离膜的温度为T1时, 对某种气体的渗透系数为H1, 油气分离膜的温度为T2时, 对该种气体的渗透系数为H2, 则温度变化对油气分离膜的渗透系数的影响可表示为:

式中, Ep为渗透动能;R为气体普适常数。

由上式可得:

引入温度修正系数 βP表征温度变化对油气分离膜的渗透系数的影响, 设油气分离膜的渗透系数的温度修正系数为 βp=b2/b1=H2H1, 则:

由上式可知, T1、T2及Ep的变化都会对温度修正系数产生影响。聚合物PI、PTFE及PFA对H2、C2H6、C2H2、CH4、CO及CO2气体的渗透动能如表2 所示。

通过PFA膜对H2的渗透动能Ep, 计算得到PFA膜对H2的温度修正系数 βP随温度T1及T2的变化关系, 如图7 所示。

设T1=273.15℃, 温度修正系数 βP随温度T2变化及渗透动能的变化关系如图8 所示。

从图7 和图8两图可看出: 聚合物材料的渗透动能Ep越大, 温度变化对聚合物材料的渗透系数影响越大, 即对油气分离膜的影响越大。

4 结语

(1) 对比PTFE膜、FEP膜和PFA膜对故障气体油气分离过程影响的实验结果, PFA膜在对故障气体具有较好渗透性的同时油气分离效率最高。

( 2 ) 膜的结构与材料、油气分离气室的结构、绝缘油温及气室温度都会对油气分离过程产生影响。

(3) 聚合物材料的渗透动能Ep越大, 温度变化对聚合物材料的渗透系数影响越大, 即对油气分离膜的影响越大。

摘要：基于PFA、F46、PTFE和PI四种高分子膜, 研究膜的渗透性能、膜结构和气室结构、膜温度对油气分离过程的影响。结果显示, 合理的膜选择、膜与气室结构的合理设计以及对温度进行修正是降低影响程度的有效手段。

关键词：高分子膜,变压器,油气分离,渗透性能

参考文献

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分离过程篇9

基于催化裂化的制烯烃技术产生的裂解气中含有氮氧化物(NOX,主要是NO和NO2,以下文字中用NOX表示)和氧气。蒸汽裂解制乙烯装置裂解气中虽没有明确的NOX的来源,但其裂解气中还是含有极少量的NOX,如采用深冷分离技术分离低碳烯烃,这些物质可能聚积在冷加工设备中。因此,烯烃加工装置中的NOX,是一件需要密切关注的事情。在很低的温度(-100～–170℃)下,其会生成危险的N2O3胶质和铵基盐(或硝酸盐)并可能沉积下来。在过去30年中,这些聚积物在若干烯烃装置中发生爆炸和设备损坏事故。

1 氮氧化物的来源

基于催化裂化技术的制烯烃技术中产生的NOX主要是重质原料中有含氮杂质(主要可分为胺、吡啶的衍生物、吡咯的衍生物和酰胺等[3])在反应中生成,以及再生器中生成的NOX随催化剂带入反应器物料中,基于此类技术的流程如果采用深冷分离技术应设有脱除NOX和氧气的设施,保证将进入深冷分离的裂解气中的NOX和氧气的含量降到足够低。

近年来从催化裂化(FCC)的干气中回收低碳烯烃也越来越受到人们的重视,如果采用深冷分离或经过初步处理后并入蒸汽裂解装置回收乙烯等[4],NOX和氧气的问题也应受到足够重视。

基于蒸汽裂解制烯烃的技术,当某些进料存在氮或含氮杂质时,在裂解炉中就会形成NOX,这些杂质可能包括:

N-亚硝基苯胲、亚硝酸钠、羟胺、乙基羟胺。

一些发生事故的烯烃工厂,并没有发现NOX的来源。可能是氮气含在水处理用化学品中或稀释蒸汽中,注入系统后可能形成少量NOX。还有一种可能是,所有液态原料都会溶解少量的氮气,裂解时形成一些NOX。

2 危险性分析

在基于催化裂化和蒸汽裂解产生的裂解气分离过程中,NO2会在酸气脱除设备中进行脱除,而NO和O2则不能被脱除,基于催化裂化制烯烃的技术虽然有酸性气体脱除设备和脱NO和氧气的设施,但很少量的NO和氧气还是会带入深冷分离区域,并且在装置的最冷段会进行如下反应:

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生成N2O3的关键在第一个反应,第一个反应的反应速率:

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k—反应速率常数,(kPa2·s)-1;

PP—反应物、产物分压,kPa;

T—反应温度,K。

由以上反应速率方程可以看出,当温度降低时,反应速度提高,因此,最高反应速度发生在装置的最冷段中。生成产物N2O3作为固态或液态可能沉积下来。当N2O3形成时,其会冻结,并且沉积在管线,阀门和冷箱等换热器中[5]。其危险性除了堵塞设备外,当其遇到重质二烯烃时,会和二烯烃化合物形成NOX胶质,遇到氨时会和氨形成铵基盐。

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虽然从深冷分离的流程来看,N2O3形成在通常没有重质二烯烃的区域中,因此,NOX胶质不会马上形成。但是,装置中的故障或操作的波动会导致重质二烯烃到达更冷一些的区域。然后,二烯烃将与N2O3快速发生反应(数分钟),并且形成胶质。这些胶质的稳定性极差,甚至在低温下能够分解爆炸。

N2O3也能够与氨发生反应,形成不稳定的铵基盐。这些铵基盐危险性小一些,但是,当温度升高到环境温度时,能够快速分解,并且释放出大量热。

如果重质二烯烃或氨由于装置故障或操作波动进入深冷系统,则胶质和盐可能聚积的区域是高压和-100℃以下温度的区域,最有可能的区域是冷箱中,特别是粗氢气分离相关系统。

有关NOX,N2O3、铵基盐、O2的物理性,见表1。

注:NH4NO2在0℃到30℃之间开始分解、放热。因此,物料远低于60℃开始产生热量,最终达到爆炸点。

3 建议及处理措施

基于催化裂化的制低碳烯烃的技术中由于明确存在NOX和氧气,所以如果其采用深冷分离的方法来分离,在其流程中都将设有脱除NOX和氧气的设施。并且由于基于催化裂化技术产生的裂解气中氧气的含量较大,其会形成氧自由基并引起重二烯烃的聚合反应需堵塞设备,同时裂解气中氧气的含量较高会影响聚合级乙烯和丙烯产品的质量,所以现有设计的流程中采用比较多的是在适当位置设置固定床催化反应器将NOX和氧气一起除去,在此过程中NOX加氢生成氨(在下游吸附脱除)和水,氧气则加氢生成水。一般反应物出口要求氮氧化物小于5～10 ppb,氧气含量小于1 mL/m3。即使这样也不能从本质上完全消除NOX在深冷分离可能发生的N2O3的积聚。

目前大多数蒸汽裂解制乙烯的装置中都没有采取检测和减轻NOX问题的方法,但是,这个问题应该引起大家的注意,因为即使蒸汽裂解制乙烯的裂解气中NOX的含量很低,但现在的趋势是乙烯装置的运转周期越来越长,目前国内新建装置的运转周期都在4年左右,可以以1 000 kt/a乙烯装置为例做如下估算:

进入深冷的物料量为:285 t/h

假设其中NOX含量为10 ppb,主要为NO,(NO2在酸性气体脱除过程中被除去)。则一个运转周期进入深冷分离区域的NO的量为:99.86kg/h,可以生成N2O3的量为:136.17 kg/h

如果这些N2O3都沉积在冷备中,一旦遇到装置故障或波动有二烯烃进入将是很危险的。

因此,无论是基于催化裂化的制低碳烯烃的技术还是蒸汽裂解制烯烃的技术,如果采用深冷分离流程,都应该加强对NOX的监测,给出以下建议:

(1)定期检测并控制原料中氮及含氮杂质的含量,并研究原料中氮或含氮杂质和裂解气中NOX含量的关系。

(2)应对装置深冷区域中的冷箱等换热器和其它设备的压降进行监测,如果压降升高,分析是否可能由于N2O3的沉积引起的。

(3)定期对深冷分离区域的排液、排气管线进行排放冲洗,特别是操作温度通常在-80 ℃以下的排放管线,防止N2O3的聚积。

(4)如果装置的制冷丧失,或存在任意类型的故障,使深冷区的冷凝减少或消失,则在温度开始上升之前应停止去深冷装置的流量。如果流量继续,并且温度上升,则重质二烯烃会被带到深冷装置的更冷段,可能接触到N2O3沉积物。

(5)当装置深冷区域有设备或管线被堵塞,应监测温度和压力。

如果最冷段的温度上升到-90 ℃,则应从入口端放气,使深冷段减压。从冷端放气,会带入重质物料。

如果由于氢气分离系统调节阀内漏,压力开始下降,这会造成重质物料被带入。应遏止住泄漏,或通过入口端进入减压系统。