一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置、系统及其自适应控制方法

本发明属于气体分离，具体涉及一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置、系统及其自适应控制方法。

背景技术：

1、水合物法气体分离技术凭借其工艺简单、能耗低、环境友好等优势，在含氢工业尾气处理领域具有广阔的应用前景。该技术的基本原理是，在高压低温条件下，水分子通过氢键形成笼型晶格结构，将二氧化碳分子选择性地包络于晶格内形成固态水合物，从而实现二氧化碳与氢气的分离。

2、然而，水合物生成速率慢、气液传质效率低、诱导期长等问题长期制约着该技术的工业化进程。研究表明，水合物的生成速率在很大程度上取决于气液两相间的接触面积。气液接触面积越大，气体分子溶解于液相并参与水合物成核的概率越高，诱导期越短。因此，在气液混合物进入水合物反应罐之前，预先将气体高效分散于液相中形成富含微气泡的“气液乳液”，是缩短水合物诱导期的有效技术路径。

3、现有装置通常将气液混合与水合物生成在同一反应罐内完成，反应罐需兼顾高压低温环境维持与搅拌混合双重功能。在此类一体化设计中，搅拌器的设计受限于密封、防沉、防粘等多重约束，难以在气液预混合这一单一指标上实现最优化，导致气体分散不充分、气泡尺寸大、逃逸严重，进而引发水合物生成诱导期长、分离效率低等连锁问题，已成为制约技术落地的核心瓶颈之一。

4、针对上述问题，已有研究尝试通过设置预混合单元来强化气液接触，但现有气液预混合装置缺乏对气体流动路径的有效约束。现有装置中气体在罐内通常从液面直接逸出，无法被强制送入剪切区域，导致大量气体未经细化即短路逃逸，气含率难以提升，气泡细化效果被严重削弱；而且，搅拌结构通常为单级桨叶，气泡仅经历一次剪切即排出，破碎能量输入不足，气泡粒径分布宽，微米级气泡占比低，气液接触面积的提升幅度有限，难以满足水合物快速成核对气液接触界面的高要求。

5、此外，罐内流体流动缺乏组织性，混合流场呈无序湍流状态，局部气含率分布极不均匀，出料品质波动大，直接影响下游反应罐的运行稳定性与水合物生成的一致性。而且还缺乏针对氢气/二氧化碳混合气特性的专门化设计。含氢工业废气的组分随气源不同波动较大，二氧化碳体积分数可在较宽范围内变化。不同组分条件下，气液的密度、黏度、表面张力等物性参数存在显著差异，对剪切细化所需的能量输入和流动条件要求不同。现有装置缺乏自适应调节能力，无法根据气源组分波动自动匹配最优运行参数，难以在宽范围气源条件下均维持最优预混合效果。另外，预混合过程若在水合物生成温度条件下进行，生成的水合物固体会附着并堵塞搅拌桨叶、气体分布器及管路，导致装置无法连续运行。因此预混段需在非水合物生成温度区间运行，而下游水合物反应罐则需维持在低温生成条件。现有装置缺乏对预混段温度的主动管控，亦缺乏预混段与反应段之间温差平滑过渡的设计，大温差冲击反而会抑制水合物的成核过程，延长诱导期，部分乃至全部抵消预混合环节所带来的增益效果。

6、因此，针对上述所存在的技术问题缺陷，急需设计和开发一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置、系统及其自适应控制方法。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术存在的不足及困难，本发明之目的在于，提供一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置、系统及其自适应控制方法；以缩短后续反应罐中水合物的生成诱导期、并提高气体分离效率。

2、本发明的第一目的在于提供一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置；本发明的第二目的在于提供一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合系统；本发明的第三目的在于提供一种用于所述气液预混合装置的自适应控制方法；本发明的第四目的在于提供一种用于所述气液预混合装置的自适应控制系统。

3、本发明的第一目的是这样实现的：所述装置包括内部形成一密封腔室的罐体；以及同轴地设置于所述密封腔室内的导流构件；其中，所述导流构件将所述密封腔室沿径向分隔成位于所述导流构件内侧的第一流道区域及位于所述导流构件外侧的第二流道区域；

4、所述导流构件的顶端开口在所述罐体处于工作状态时位于其内部液面之下，构成限制所述罐体顶部气相空间内气体直接逸入所述第二流道区域的液封结构；所述第一流道区域与所述第二流道区域在所述罐体内部连通，且共同构成供流体循环流动的所述强制循环流道；

5、所述装置还包括搅拌机构和定子构件；其中，所述搅拌机构包括同轴设置的第一桨叶组件与第二桨叶组件；所述第一桨叶组件设置于所述导流构件内部，构成第一级剪切结构，且配置为受驱旋转时产生驱使流体沿所述第一流道区域朝向所述罐体底部行进的轴向推进力；所述第二桨叶组件设置于所述导流构件的下端出口处，构成第二级剪切结构的一部分，且配置为受驱旋转时对排出所述第一流道区域的气液混合物施加剪切应力；所述定子构件固定地设置于所述第二桨叶组件的外周，并且与所述第二桨叶组件之间形成预设间隙，构成所述第二级剪切结构的另一部分，用以与所述第二桨叶组件协作增强所述剪切应力。

6、本发明的第二目的是这样实现的，所述系统包括所述的气液预混合装置、反应器和调温组件；

7、所述反应器通过输送管路连接至所述气液预混合装置的出料口；所述调温组件设置于所述输送管路上，并被配置为将所述气液预混合装置输出的气液混合物的温度调节至所述反应器所需的反应温度。

8、本发明的第三目的是这样实现的，所述方法包括：

9、获取所述气液预混合装置的入口气体组分参数；

10、至少根据所述入口气体组分参数，自预设的工况匹配策略中调取所述搅拌机构的转速、所述分流调节单元的循环比以及所述双级文丘里组件的补气量；

11、于所述气液预混合装置运行期间，采集所述气液预混合装置输出端的气液混合物的状态参数；

12、根据所述状态参数与目标参数的偏差，修正所述转速、所述循环比以及所述补气量中的至少一者。

13、本发明的第四目的是这样实现的，所述系统包括：

14、参数获取模块，用于获取所述气液预混合装置的入口气体组分参数及输出端气液混合物的状态参数；

15、存储模块，存储有工况匹配策略及目标参数集；

16、处理模块，分别与所述参数获取模块及所述存储模块通信连接，所述处理模块配置为根据所述入口气体组分参数自所述工况匹配策略中调取对应的运行参数设定值，并根据所述状态参数与所述目标参数集中对应目标值之间的偏差生成修正指令；

17、执行模块，与所述处理模块及所述气液预混合装置的执行机构控制连接，用于依据所述修正指令控制所述执行机构调节所述气液预混合装置的运行参数。

18、本发明通过一种具有强制循环流道与双级剪切结构的气液预混合装置，即通过所述系统内部形成一密封腔室的罐体；以及同轴地设置于所述密封腔室内的导流构件；其中，所述导流构件将所述密封腔室沿径向分隔成位于所述导流构件内侧的第一流道区域及位于所述导流构件外侧的第二流道区域；所述导流构件的顶端开口在所述罐体处于工作状态时位于其内部液面之下，构成限制所述罐体顶部气相空间内气体直接逸入所述第二流道区域的液封结构；所述第一流道区域与所述第二流道区域在所述罐体内部连通，且共同构成供流体循环流动的所述强制循环流道；所述装置还包括搅拌机构和定子构件；其中，所述搅拌机构包括同轴设置的第一桨叶组件与第二桨叶组件；所述第一桨叶组件设置于所述导流构件内部，构成第一级剪切结构，且配置为受驱旋转时产生驱使流体沿所述第一流道区域朝向所述罐体底部行进的轴向推进力；所述第二桨叶组件设置于所述导流构件的下端出口处，构成第二级剪切结构的一部分，且配置为受驱旋转时对排出所述第一流道区域的气液混合物施加剪切应力；所述定子构件固定地设置于所述第二桨叶组件的外周，并且与所述第二桨叶组件之间形成预设间隙，构成所述第二级剪切结构的另一部分，用以与所述第二桨叶组件协作增强所述剪切应力。以及相对应的系统、控制方法，通过强制循环流道约束气流路径、双级剪切结构细化气泡、梯级温控衔接温差及自适应控制匹配气源的多重协同，实现了含氢工业废气与水的高效预混合为富含微米级气泡的气液乳液，从而缩短水合物生成诱导期，并适配宽范围气源组分波动的工业废气处理。

19、也就是说，本发明通过构建由导流构件分隔而成的强制循环流道，配合同轴设置的第一桨叶组件与第二桨叶组件，并辅以固定于第二桨叶组件外周的定子构件，共同构成对气液混合物依次施以轴向推进、径向剪切的梯级破碎路径，使气体被强制卷入液相并经历从初步分散至精细破碎的完整演化过程，从而在非水合物生成条件下产出富含微米级气泡的高气含率气液乳液；在此基础上，进一步通过在出料路径上串联双级文丘里组件并设置级间补气接口，实现对输出气液乳液的二次活化剪切与气含率提升，同时以分流调节单元可控地调节外循环比例以增强气泡细化效果的工况适配性，并以两级梯次温控单元实现预混段恒温防堵与出料段平滑降温衔接，最终通过在线组分检测与闭环参数修正的自适应控制机制，使整套装置能够响应于气源组分波动自动维持最优运行状态，由此在杜绝气体短路逃逸、实现微米级气泡规模化生成、缩短水合物生成诱导期、保障连续运行安全性以及适配宽范围工业废气组分等多重维度上取得协同提升。