(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111316547.9 (22)申请日 2021.11.08 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 杨宏燕　韩华云　韩红桂　 (74)专利代理 机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 1 1203 代理人 刘萍 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06K 9/62(2022.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种反应器内部三维反应场动态实时可视 化方法 (57)摘要 本发明涉及一种反应器内部三维反应场动 态实时可视化方法。 基于运行数据库存取模块， 构建反应器的历史运行数据及实时运行数据库； 基于典型工况分析模块， 确定 反应器典型基准工 况； 基于数值仿真模块， 进行基准运行工况下的 反应器内部反应场离线三维CFD数值仿真计算； 基于数据聚类及标准化模块， 对建立的反应器 CFD三维仿真数据库， 采用数据挖掘与主成分分 析法进行数据集划分， 参数处理， 整合冗余， 降低 维数， 经处理后得到8 ‑10个主成分； 基于深度学 习预测模块， 采用回归预测算法及神经网络模型 计算得到反应器全运行工况下的三维反应场数 据。 本发明解决石油化工领域的反应器内部 “黑 箱子”问题， 对反应器运行过程的精准优化运行 及智能调控。 权利要求书4页 说明书11页 附图4页 CN 114117954 A 2022.03.01 CN 114117954 A 1.一种反应 器内部三维反应场动态实时可视化方法， 其特 征在于包括如下模块： 运行数据库存取模块、 典型工况分析模块、 数值仿真模块、 数据聚类及标准化模块、 深 度学习预测模块、 三维可视化模块共计六个模块； 其中， 运行数据库存取模块、 典型工况分析模块、 数值仿真模块， 均为离线模块； 数据聚 类及标准 化模块、 深度学习预测模块、 三维可视化模块， 均为在线模块； 具体步骤如下： 步骤一： 基于运行 数据库存取模块， 构建反应 器的历史运行 数据及实时运行 数据库 a)从反应器的历史运行数据库中， 按照一定时间间隔 △t， 提取反应器的历史运行数 据， 历史运行 数据包括反应 器入口参数、 反应 器内部监测参数、 反应 器出口参数； ‑反应器入口参数， 包括反应器入口进料的成分、 入口进料的流量QI、 入口进料的速度 vI、 入口进料的温度TI， 其中， I表示 不同的入口反应物种类； ‑反应器内部监测参数， 包括反应区域的温度值Tx,y,z、 压力值Px,y,z、 气体组分浓度 Cx,y,z， 其中， x,y,z表示笛卡尔坐标系下反应 器内部的三维空间坐标位置； ‑反应器出口参数， 包括反应 器出口处的气体流 量QO、 平均温度TO、 平均压力PO； b)在反应器运行过程中， 按照一定时间间隔 △t， 提取反应器的实时运行数据， 并进行 工况分析； ‑反应器入口参数， 包括反应器入口进料的成分、 入口进料的流量QI、 入口进料的速度 vI、 入口进料的温度TI， 其中， I表示 不同的入口反应物类型； ‑反应器内部监测参数， 包括反应区域的温度 值Tx、 压力值Px、 气体组分浓度Cx， 其中， x, y,z表示笛卡尔坐标系下反应 器内部的三维空间坐标位置； ‑反应器出口参数， 包括反应 器出口处的气体流 量QO、 平均温度TO、 平均压力PO； c)将反应器的历史运行数据和实时运行数据存储于数据库中， 构建反应器的运行数据 库， 并剔除数据异常点及进行 数据标准 化处理； 具体为： 利用K‑means算法进行处理， 降低数据维度； 判断数据中是否包含空值、 0值或异常值， 如果包括， 则用拉格朗日插值法填充 数据； 而后， 对数据进 行标准化处理； 其中， 所述标准化 处理公式表示 为： 式中， 表示第k个样本在n维数据标准化下的生产参数， 表示第k个样本按时间序 列排列的n维元数据， K为数据集数量， 表示第k个样本的n维数据， k＝1,2, …， N， N为数据 集数量； 步骤二： 基于典型工况分析模块， 确定反应 器典型基准工况 a)在步骤一中构 建的反应器运行数据库， 采用K ‑means均值聚类算法， 计算获得反应器 运行过程中基准 运行工况的数据； 步骤三： 基于数值仿真模块， 进行基准运行工况下的反应器内部反应场离线三维CFD计 算流体动力学 数值仿真计算 a)根据反应器入 口物料成分及化学反应条件， 采用Chemkin软件计算求解各物料间的权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114117954 A 2化学反应过程， 获得各基元反应组成及对应的化学方程式， 以及各步基元反应的反应动力 学参数； b)根据反应 器的运行工艺、 结构及尺寸 参数， 建立反应 器的三维计算 域物理模型； c)采用gambit计算域网格划分软件， 对反应器的三维计算域模型进行网格划分， 对反 应器的入口、 出 口及结构复杂区域， 进行网格的局部加密以获得高精度的仿真结果； 以及， 设置反应器入口、 出口及壁面的边界条件类型， 设置反应器入口的边界条件为质量入口、 反 应器出口的边界条件为压力出口、 反应 器壁面的边界条件为恒温壁 面； d)根据在步骤二中获得的反应器基准工况运行数据， 设置反应器三维计算域模型的入 口进料成分、 入口进 料的流量QI、 入口进料的速度vI、 进料的温度TI， 其中， I表 示不同的入口 反应物类型； e)利用高性能计算机和CFD数值仿真平台， 采用步骤三a)中获得的化学基元反应， 选择 湍流流动模型、 多相流模 型、 辐射及反应机理模 型， 利用在步骤三c)获得的反应器计算域网 格模型进 行反应器内部的三 维化学反应过程求解仿 真， 模拟得到反应器内部三维空间任意 位置坐标(x， y， z)对应的速度(vx， vy， vz， )、 温度Tx,y,z、 压力Px,y,z、 反应产物组分浓度Cx,y,z的 分布数据； 其中， 湍流 流动模型、 多相流模型、 辐射模型及反应机理模型分别表示 为： 在湍流流动模型中， 使用可实现k –ε双方程模型模拟反应 器内的湍流 流动过程； 在多相流模型中， 采用基于欧拉 ‑欧拉方法的Mixture模型， 其 中， 连续性方程和动量方 程分别表示如下： 式中， ρm为密度， 为哈密顿算子， vm为质量平均速度， 为质量平均速度的矢 量形式， μm为混合黏性系数， T为相的温度， 表示温度为T情况下的质量平均速度 矢量形式， F为体 积力， 为体积力的矢量形式， B为总相数， k为第k相， gm为重力加速度， 为重力加速度的 矢量形式， αk为第k相的体积分数， ρk为第k相的密度， vdr,k为第k相的滑移速度， 为第k 相的滑移速度矢量形式； 在辐射模型中， 使用P ‑1辐射模型来模拟辐射热传递， 该模型中也包括了离子间的相互 辐射， 描述辐射 通量 的方程可表示如下： 式中， β 为吸收系数， Cs为散射系数， h为线性各向异性相函数系数， 为哈密顿算子， G 为入射辐射； 在反应机理模型中， 化学反应速率常数遵循阿伦尼乌斯公式， 表示如下： 式中， ka为反应速率常数， Z为摩尔气体常量， Ta为热力学温度， Za为表观活化能， A为指权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114117954 A 3