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喷射反应器的数值模拟、优化 及放大研究 摘要 喷射器是利用射流紊动扩散作用传递能量和质量的流体机械设备，用作反应 设备的喷射器具有强化流体混合、加快反应进程和改善反应的选择性等优点，1 1 泛应用于国民生产的各个行业。目前，国内外对喷射反应器的研究大都集中在其 动性能方面，而对其反应性能和放大规律的研究很少。准确、全面地了解喷射反 应器内的流场信息，有助于进一步掌握喷射反应器的特性规律，为其优化设计和 工程放大提供良好的依据。 首先，本文借助于流体力学模拟软件c f x 5 对喷射反应器进行了三维数值模 拟，给出喷射反应器的内部流场、压力场、组分浓度场等信息，并以酸碱快速反 应体系为例，详细地分析了喷射反应器结构尺寸( 扩散段角度、喷嘴混合段直径 比及喷嘴位置) 对流动混合特性、阻力分布及反应行为的影响规律。结果表明： ( 1 ) 扩散角度越小，喷射反应器内流体混合越好，相同截面上转化率越高，但 同时喷射器的阻力也越大，需要消耗的动能越多；( 2 ) 喷嘴混合段直径比存在一 个最优值o 3 5 ，大于该值，则喷射反应器内相同截面上转化率变低，而小于该值 则会消耗更多的动能但转化率不会进一步提高：( 3 ) 喷嘴出口离混合段距离越远， 反应越先完成，喷嘴出口位置与吸入管中心在同一平面时反应效果最好。 其次，本文还对喷射反应器的放大效应进行研究，研究结果表明：根据速度 相似原则放大的喷射反应器的反应性能远远不如原始喷射器的性能，而雷诺数相 似原则用于喷射反应器的放大也不能满足要求。采用同时增大流速和结构尺寸 ( 也即增大雷诺数) 的方法放大喷射反应器并对其进行模拟，找出最佳放大效果 时的数据，然后用最小二乘法将模拟结果进行回归，得到喷射反应器的放大规律： 在同时改变速度和雷诺数的情况下，总是存在一个最佳的速度比能够满足放大要 求，这个速度比随着基准情况下流速的增加和喷嘴直径的增加而增大。 最后，本文运用前述放大规律成功得为某厂进行的工艺改造中试试验设计了 一个喷射反应器，现场试验表明，该喷射反应器运行良好，取得了满意的效果。 关键词：喷射反麻器数值模拟优化放大计算流体力学( c f d ) s t u d yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o p t i m l z a t l 0 n a n ds c a l e u po fj e tr e a c t o r a b s t r a c t e j e c t o ri sam e c h a n i s mw h i c hi su s e dt ot r a n s f e re n e r g ya n dm a s st h r o u 曲t h e t u r b u l e n td i s s i p a t i o n a sar e a c t o r , e j e c t o rc a l li n t e n s i f ym i x i n gp r o c e s s ，p r o m o t e r e a c t i o np r o c e s sa n di m p r o v et h es e l e c t i v i t yo fr e a c t i o n b e c a u s eo ft h e s em e r i t s ，j e t r e a c t o ri se m p l o y e di na l lw a l k so f i n d u s t r i e s ，a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho n j e tr e a c t o ra t h o m ea n da b r o a dm o s t l yh a sf o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o w ，b u tl e s sw o r kh a s b e e nd o n eo nt h er e a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds c a l e u pl a w s u n d e r s t a n d i n gt h ef l o w f i e l di n f o r m a t i o no ft h ej e tr e a c t o ri nd e t a i l sc a l lh e l pm a s t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f j e t r e a c t o rf u r t h e ra n dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h eo p t i m i z a t i o na n ds c a l e u po ft h i s e q u i p m e n t a tf i r s t ，j e tr e a c t o rw a ss i m u l a t e dw i t h3 - dm o d e li nt h i sp a p e rw i t ht h eh e l po f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ec f x 5 i to f f e r e dm u c hi n f o r m a t i o na b o u tt h e i r u l e rf l o wf i e l d p r e s s u r ef i e l da n dc o m p o s i t i o nc o n c e n t r a t i o nf i e l d t h ee f f e c t so f c o n f i g u r a t i o ns i z eo nf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o na n dr e a c t i o nb e h a v i o r w e r ea n a l y z e di nd e t a i l s t h ec o n f i g u r a t i o ns i z e si n c l u d ea n g l eo fd i f f u s e rs e c t i o n ，t h e r a t i oo fd i a m e t e rb e t w e e nn o z z l ea n dm i x i n gs e c t i o n ，a n da l s ot h ep o s i t i o no fn o z z l e t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h es m a l l e rt h ea n g l eo fd i f f u s e rs e c t i o ni s ，t h eb e t t e r m i x i n ga m o n gf l o w si nt h ee q u i p m e n ta n d t h eh i 【g h e rc o n v e r s i o nr a t ei nt h es a m ec r o s s s e c t i o nc a l lb ea c h i e v e d ，b u tm o r ek i n e t i ce n e r g yw i l lb ec o n s u m e d ( 2 ) t h e r ei sa n o p t i m u mv a l u ef o rt h er a t i oo fd i a m e t e rb e t w e e nn o z z l ea n dm i x i n gs e c t i o n ，n a m e l y o ，3 5 i f t h ev a l u ei sl a r g e rt h a no 3 5 ，t h ec o n v e r s i o nr a t ei nt h e j e tr e a c t o rw i l ld e b a s ea t t h es a l n ec r o s ss e c t i o n w h i l ei ft h ev a l u ei ss m a l l e rt h a n0 3 5 ，i tw i l lc o n s u m em o r e k i n e t i ce n e r g yb u tc a l ln o ti m p r o v ec o n v e r s i o nr a t ea n ym o r e ；( 3 ) t h ef u r t h e rt h e d i s t a n c eb e t w e e nn o z z l eo u t l e ta n dm i x i n gs e c t i o ni s ，t h ef a s t e rt h er e a c t i o np r o c e e d t h eb e s tr e a c t i o nr e s u l tc a nb eo b t a i n e dw h e nt h en o z z l eo u t l e ts h a r e st h es a m ep l a n e w i t ht h ec e n t e ro fs u c t i o ni n l e t s e c o n d l y , t h es c a l e u pe f f e c to ij e tr e a c t o rw a sa l s os t u d i e di n t h i sp a p e r , t h e i i r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：t h ec h a r a c t e r i s t i c so fj e tr e a c t o rs c a l e du pa c c o r d i n gt h e v e l o c i t ys i m i l a r i t yp r i n c i p l ea r ei n f e r i o rt ot h o s eo fo r i g i n a lr e a e t o et h es c a l e u p r e q u i r e m e n t so fj e tr e a c t o rc a nn o tb es a t i s f i e da c c o r d i n gt ot h er e y n o l d sn u m b e r s i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，e i t h e r s c a l i n gu pt h ej e tr e a c t o rw i t hi m p r o v i n gv e l o c i t ya n d g e o m e t r ys i z es i m u l t a n e o u s l y , a n dt h e ns i m u l a t ei t t h eo p t i m u mv a l u e sw e r ef o u n d ， t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r er e g r e s s e dt oaf o r m u l au s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d ， a n das c a l e u pl a ww a so b t a i n e d t h e r ei sa no p t i m u mv a l u eo fv e l o c i t yr a t i ot h a tc a l l s a t i s f yt h es c a l e u pr e q u i r e m e n ti fc h a n g i n gv e l o c i t ya n dr e y n o l d sn u m b e r s i m u l t a n e o u s l y w i t ht h ei n c r e a s i n go fv e l o c i t ya n dd i a m e t e ri ni n i t i a lc o n d i t i o n s ，t h e o p t i m u mv a l u eo f v e l o c i t yr a t i o nw i l li n c r e a s ea c c o r d i n g l y f i n a l l y , aj e tr e a c t o rw a sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l yf o rap i l o tp l a n ti nr e b u i l d i n g t r a d i t i o n a lp r o c e s s t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h i sj e tr e a c t o rw o r k e dw e l la n dc o u l d o b t a i nas a t i s 研n ge f f e c t k e yw o r d s ：j e tr e a e t o ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，s c a l e u p c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) 符号说明 p 流体密度，k g m ； u 流体速度矢量： “，v ，w 流体速度在直角坐标系中各方向的分量，m s f 时间，s ； 叩流体的动力粘度，k g m - 1 s - 1 ； p 压力，p a ： s 。，s 。，s 。3 个动量方程的广义源项： h 静态焓值，j m o l ； 7 1 温度，k ： a 流体的导热系数，j ( c m s k ) ； 称为耗散函数； 邑流体的内热源； 通用变量： r 。广义扩散系数； 咒广义源项； d i v 向量函数的散度函数； g r a d 向量函数的梯度函数； 等压热容，j - m o l - 1 k - 1 ； 珥，玩f ，_ ，方向上的时均速度分量，m s ； x i ，j ，f ，方向上的位移分量，i n ； “；，“：f ，方向上的脉动速度分量，m s ； 妒通用状态参数； 通用参数时均量： 西通用参数脉动量； p ，脉动速度所造成的压力； 吼湍流粘性系数； 七单位质量的湍动动能，m 2 s 7 ： s 单位质量流体脉动动能的耗散率，m 2 s 一； q ，q ，c 。经验系数； 盯。，盯。女，s 的湍流普朗特数； r a 组分a 的平均时间的反应速率，m o l l - i s ： & ，湍流施密特数； 厂混合分数； y 一组分a 的质量分率； y b 组分b 的质量分率： 凡富b 入口处的值： 风富a 入口处的值： k 反应速率常数，m 3 - k m o l 。s ； 础反应热，k j m o l ； r d 把反应速率，m o l l - 1 s 一； g 0 流体流量，k g s ； g 放大后流体流量，k g s ； g 。流体流速，m s ； “放大后流体流速，m s ； r e 。雷诺数； r e 放大后的雷诺数： 以圆管直径，n l l n ； d 放大后圆管直径，m m 。 青岛科技人学研究生学位论文 第一章文献综述 1 1 前言 喷射器是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械设备，具有结 构简单、加工容易、没有运动部件、传质高效、能够提高流体的压力而不直接消 耗机械能等优点。除了本身结构特别简单之外，喷射器与各种设备连接的系统也 很简单，被广泛地应用于石化、制冷、冶金、能源等l j k t ”。作为反应设备应用 的喷射器具有混合强度高、改善浓度及温度分布、加快反应进程、抑制副反应和 改善反应选择性等优点，被广泛应用于各个行业的实际生产中，引起越来越多的 研究者广泛关注。 f l u g e l 最早提出了用于描述单相系统喷射反应器实验结果的基本理论【2 j 。 v a n d i e r e n d o n c k 在1 9 8 3 年分析了喷射反应器的优异性能，并指出喷射反应器极 有可能取代搅拌釜反应器成为多相反应器的首选 3 】。之后人们对于喷射反应器的 研究一一直没有间断，尤其近年来喷射反应器作为性能优良的新型反应器，更是越 来越受到国际学术界和工程界的关注 4 】，喷射反应器开发和应用的速度也越来越 快，不断有工业生产新工艺的成功报道 5 - 1 0 】。但由于发展时间相对较短，对于喷 射反应器的研究目前尚不透彻，已有的研究主要集中在喷射反应器流动特性、传 质特性、相分散特性、混合特性、结构性能、操作优化及工程放大几个方面，例 如对于喷射反应器中的流动和传质特性的研究，文献中已有实验和数值模拟的方 法，包括单相流 1 1 , 1 2 】、两相流和三相流 1 3 , 1 4 1 喷射反应器。而把反应动力学与流体 力学结合起来进行研究以及物系特性对反应器性能的影响方面的文献还很少1 1 ”。 目前对喷射反应器特性的研究大都采用实验的方法。由于喷射反应器内流体 的流动混合过程非常复杂，存在着边界层、剪切层的交互作用，混合机理尚不清 楚。特别是涉及多相流、有相变发生时的情况更为复杂，流动、传热、相变和反 应相互影响，增加了研究难度。实验的方法对喷射反应器内部的流动及反应信息 不能给予详尽的描述，尤其当喷射反应器内有有毒、易燃、易燃等危险物料时， 实验的方法就更显得无能为力。计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， c f d ) 通过计算机数值模拟和图像显示，对包含有流体流动和热传递等相关物理 现象的系统进行分析，可以直观地对任意情况下的流动进行分析，为理解流体的 流动和传递现象提供了有力的工具。数值模拟避免了经验方法中繁复的实验过 程，减少了研究者的：【作量，而且具有可重复性、易于控制等优点，可以方便地 进行优化设计，从而降低研究成本、缩短研究周期。 喷射反应器的数值模 | ：l 、优化及放大研究 本文利用大型流体力学软件c f x 5 6 ，建立了喷射反应器的三维模型，探讨喷 射反应器的流体流动及反应特性。通过模拟获得反应器内各流域流体的速度场、 压力场和浓度分布等信息，研究结构参数( 扩散段角度、喷嘴混合段直径比及喷 嘴位置) 对流体流动及反应的影响规律以及喷射反应器的放大规律。可以给喷射 反应器的结构优化及工程放大提供理论依据。 1 2 喷射器简介 1 2 1 喷射器的工作原理 喷射器的主要部件有：工作喷嘴( a ) 、接受室0 3 ) 、混合室( c ) 和扩散器( d ) m 】， 结构简图见图1 1 _ 图1 - 1 喷射器简图 a 一工作喷嘴b 一接受室c 一混合室d 一扩散室 f i g1 - 1s c h e m a t i cd r a w i n go f e j e c t o r 高压工作流体( p r i m a r yf l u i d ，m o t i v ef l u i d ，亦称作主动流体、驱动流体) 通过喷嘴压力降低并转化成动能，从喷嘴高速射出，在喷嘴出口处由于射流边界 层的紊动扩散作用，与被卷吸和携带的低压流体( s e c o n d a r y f l u i d ，e n t r a i n e d f l u i d ， 也称为引射流体、次流体、被吸流体) 进到混合室后混合，进行速度的均衡并交 换能量，某些情况下还发生质量的交换。随后，混合流体进入扩压器，速度不断 减慢，动能不断地转化为压力能，出口处混合流体的压力高于进入接受室时引射 流体的压力。喷射器的整个工作过程大致可分为三个阶段：a ) 工作流体形成高速 射流阶段，压力能转化为动能；b ) 两流股混合阶段，进行质量、动量及能量交换： c ) 压缩阶段，动能转化为压力能，混合流体增压并被排出喷射器。 1 2 2 喷射器的应用 喷射器至今已有1 0 0 多年的发展历史，1 9 世纪末俄国佐伊钠和m 兰金的著 作奠定了喷射器的理论基础，之后的喷射器理论大多是在研究和分析特定用途喷 射器的计算方法上发展起来的。7 0 年代以来，国外十分重视片j 喷射器来改变各种 青岛科技大学研究生学位论文 艺流程，解决一些重要的实际问题。喷射器的用途主要分为以下两个方面： ( 1 ) 在动力工程中的应用 利用喷射器提高引射流体的压力而不直接消耗机械能的性质，将其用作增压 设备可得到更为简单更为可靠的技术解决方案。由于喷射器除了本身结构简单之 外，与各种设备连接的系统也很简单，所以在动力工程和近似动力工程的技术领 域中，如在发电厂、在废汽余热供暖、制冷、工业热工技术、通风装置、自来水 装置、输送固体的散粒状物料和液体等方面都得到广泛应用【1 ”。 ( 2 ) 作为反应器的应用 鉴于喷射器良好的流动及混合特性，将其用作反应器，有利于强化传质，改 善内部温度和浓度分布，加快反应进程，抑制副反应，提高反应的选择性，并且 喷射反应器不消耗机械能，正在越来越广的应用领域代替机械搅拌反应器成为工 程师们首选的反应设备。喷射反应器在气液、气液固等多相反应领域占有很重 要的地位，正在吸引越来越多的科研人员对其进行深入研究。 1 3 喷射反应器简介 1 ，3 1 喷射反应器的分类 目前喷射反应器不再是传统意义上的单元设备，而是喷射器、釜体以及其他 附属装置( 如气液分离器、换热器、循环泵等) 组成的一套装置的总称p 】。并且， 根据不同的生产要求，还可将喷射式反应器直接与反应塔或反应槽或管道反应器 串联使用i ”1 。本文正是在此意义上，对这种“广义”的喷射反应器进行探讨和总 结。喷射反应器的种类很多，目前尚没有一个统一的分类标准。 ( 1 ) 根据射流喷嘴在反应器内的位置及射流流向，分为上喷式、下喷式及 水平式喷射反应器。传统意义上的喷射反应器是典型的下喷反应器，由喷嘴、接 受室、混合室和扩散室四部分组成，如图l 一2 ： 事实上，无论是上喷式还是下喷式反应器都是在工业上应用广泛的喷雾塔和 鼓泡塔的基础上发展而来的，目的都是为了增加物流间的接触面积，强化传质和 传热。 ( 2 ) 根据物料进入接受室的进入方式不同分为自吸式和非自吸式喷射反应 器。依靠高速喷射流体的抽吸作用自行将原料吸入接受室的称为自吸式，而需要 压缩机等设备送入原料的称为非自吸式。 喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究 流艘2 囤1 - 2 下喷式反应器 1 一喷嘴2 一吸入室3 一混合室4 一扩散室 f i g1 - 2r e v e r s e df l o w j e tr e a c t o r 图1 - 3 上喷式内环滴反直器口0 1 f i g1 3u pf l o wj e tl o o pr e a c t o r ( 3 ) 根据物料循环次数的不同对喷射反应器进行分类，有一次喷射反应器， 电有物料多次循环的所谓喷射环路反应器( j e tl o o pr e a c t o r ，j l r ) ( 有时简称为环 路、环流或回路反应器，l o o pr e a c t o r ) 。环路反应器，根据操作原理不同又可分为 内环流和外环流型；根据驱动流体循环作用形式的不同，又分为为气升环流反应 器( 简称a l r ) 和液体喷射环流反应器( 简称j l r ) 。 ( 4 ) 根据反应流体的集态不同将喷射反应器分为单相流喷射反应器、两相 流喷射反应器及含催化剂等悬浮颗粒的三相反应器【l5 1 。包括液液、气一气；液一气、 气一液、气一液一液；及含催化剂等悬浮颗粒的三相喷射反应器。 实际应用的喷射反应器往往是以上分类标准的两种或两种以上的喷射器的 有效结合。例如图1 3 是典型的液气两相上喷式内环流喷射反应器【1 8 l ，内部设导 流筒( d r a f tt u b e ) ，集中了鼓泡、循环流动及喷射等特点。由于喷嘴和导流筒的作 用，使液体形成规整的环流，在喷射区内能量集中，因而剪切场强。当液体喷射 速度增加时，对气泡的破碎作用也增大，气泡平均直径减小，局部气含率增加， 从而增加了气、液相接触面积，强化了传质。同时，喷射所产生的分散作用加强 了混合效果，使气泡在反应空间分布均匀。 1 3 2 喷射反应器的原理及优点 ( 1 ) 喷射反应器的操作原理 当具有一定压力的反应液经喷嘴喷射出时，产生很高的流速，在喷嘴处形成 稳定的湍流且在喷嘴周围形成压力降，将原料吸入室内，然后在混合室内充分混 合，同时进行反应。产物在扩散室内流速逐渐降低，利用增加的静压力将产物送 出去。 ( 2 ) 喷射反应器的优点 喷射反应器作为类新型反应器，有很多独有的优点【l9 】： 4 青岛科技大学研究生学位论文 多相传质性能好； 传热能效大； 密封性能好，便于高压反应； 单位体积输入功率大： 工作体积大，操作弹性好； 反应器结构简单，无运动部件，节约能耗且便于反应过程的连续化； 传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度小，便于工程放大； 操作简单，维护方便，维修费用低； 用途广泛。 1 3 3 喷射反应器的工业应用 喷射反应器前期多应用于输送、除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷【2 2 】 等化工单元操作中，而真正作为强化多相反应的反应器则起步较晚。但这些年不 少科研工作者致力于扩大喷射反应器在工业上的应用上，取得了很大的进展。 ( 1 ) 化工领域 主要用于催化加氢、磺化硫酸化、氧化、次氯化氯化等反应中，还应用于 喷射吸收制超细碳酸钙、生产碳酸钠、纯碱吸收n o 和n o z 制亚硝酸赫和硝酸 盐等生产中。 ( 2 ) 石油化工领域 主要用于氯乙醇的生产、重油的催化裂化、联氨的氧化、聚氧乙烯型非离子 表面活性剂的生产、环氧乙烷氧化等。 ( 3 ) 环境保护领域 在环保领域，喷射反应器应用在废气、废水、污水处理方面。在废气处理中 主要体现在用氢氧化钠溶液吸收氧氯化反应放出的c 1 2 和h c l ，吸收工业废气中 的s 0 2 ，用喷射反应装置对半水煤气脱硫工艺进行改造2 0 】等。一些工厂利用喷射 生化反应技术处理生产中的废水，如富含硫酸盐高浓度的有机废水、造纸废水、 石化废水、生物降解甲基紫染料废水【2 i 】、啤酒废水【2 2 】等。有些城市也采用喷射技 术来处理城市污水。 ( 4 ) 生物工程领域 由于生化反应多是放热反应，且体系温度低，冷却温度小，故要求反应器有 较高的传热系数和较大的传热面积，以使培养液混合良好，避免局部浓度过高或 过低；对于需氧反应，还要有较大的供氧能力，喷射式反应器可以达到要求。主 要用于青霉素的生产、红霉素发酵、苏云金杆菌的制各、假丝酵母和鞭毛孢子的 发酵等。 喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究 1 4 喷射反应器的研究现状 f l u g e l l 2 1 提出的可适用于描述单相物质系统中喷射反应器实验结果的基本理 沦概念，丌始了人们对喷射反应器研究的历史。虽然喷射反应器的研究起步较晚， 但其发展迅速，在工程开发和工业应用上不断取得新进展。国际上有不少公司针 对不同的反应体系对喷射反应器进行了研究开发，如瑞士b u s s 和e c c h e m 公司， 美国c h e m i t h o n 公司等。 我国对喷射反应器的研究相对较为滞后，7 0 年代开始有文献报道，当时的喷 射反应器多应用于除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷等化工单元操作中，而 真正作为强化反应的反应器则起步更晚。从上个世纪7 0 年代开始至今，人们已经 先后针对数十个不同类型和不同反应体系的喷射反应器展开了研究，内容主要涉 及到分析反应器的流动特性、混合特性、传质特性及反应特性。流体动力学的研 究为喷射反应器的优化设计和放大等提供有了有利的依据，对反应特性研究的目 的主要集中在：提高简单反应的时均反应速率和转化率；提高复杂反应的目的产 物的时均产率或和选择性；改善聚合反应的分予量分布等方面。 1 4 1 喷射反应器的实验研究 喷射反应器的实验研究首先在一定规模的生产装置上对反应器内流体流动 特性、混合、传质性能及反应特性等进行分析，然后进行能耗和生产成本的对比 才能完成喷射反应器的选型、设计优化及放大等工作。 最初研究者对喷射反应器内的流动特性进行了研究。1 9 8 1 年o t a k ee ta 1 用上 喷喷射器将气体分散到一个塔中，研究了四种流形即活塞流、环形流、泡流、和 喷射流下的喷射器混合管内的流型。1 9 8 7 年r a g h a v a n ，1 9 9 0 年d i r i xa n d v a n d e r w i e l e ，研究了下喷喷射器内泡流和喷射流的转变。但是两者得出流型转变时的汽 液比的数值并不致。 为了研究喷射反应器内的流体性能，不少人在冷模实验条件下对不同结构的 喷射器内的流动状况进行考察分析。1 9 9 5 年闻建平【l ”，1 9 9 9 年张卫民 2 4 1 以及2 0 0 3 年谢拦漪 2 5 】均利用空气水体系对环流反应器的流动特性进行了分析。闻建平采用 改进的皮托管法和线一线双探针电导法分别测量了下喷自吸环流反应器内的液相 瞬时速度和局部液含率，应用湍流统计理论对液相局部流动参数和局部液含率进 行了统计分析和处理，进一步揭示了该类反应器内的混合、微观流动机理及传递 特性。张卫民研究了冷态模型装置不同结构下环路反应器的流体力学特性( 水的 压力，流量，温度，空气的流量) ，建立了两相流速与喷嘴结构和操作压力的函 数关系。以空气与亚硫酸钠水溶液进行气液反应考察了该环流反应器的化学反应 特征，并与搅拌釜反应器进行反应进程的比较。谢拦漪考察了结构尺寸( 扩散管、 青岛科技人学研究生学位论文 喷嘴混合管直径比、引射器结构) 及操作条件( 循环液流量等) 对液体喷射式环 流反应器传质特性的影响。 喷射反应器的研究大多是针对气液两相流的研究，吕树祥等f 8 l 开拓了气一液两 相喷射反应器新的应用领域，他们将反应喷射器应用到气液液萃取过氧化氢的 过程中。工作液的氧化反应和过氧化氢的萃取过程集成在一个塔中完成，以喷射 方式从塔底引入反应原料气( 氧气或富氧气体) ，氧气既为反应原料又作为扰动 源，反应和萃取同时进行。实验表明喷射反应萃取过程提高了萃取率，增大反应 气体的表观气速增强气液传质加快了反应速率。 此外一些科研工作者也对非气液两相体系下的喷射反应器进行了研究，何培 杰等 2 6 , 2 7 等将喷射器用作液液混药装置，在理论上推导了喷射混药装置的性能方 程，并用实验测得了不同结构尺寸下喷射反应器的性能，结果显示该方程的理论 计算结果与实验结果基本一致。俞丰等”】j 对气一气单相流喷射混合装置进行了研 究。在冷模试验中两股气体均为空气( 其中一股气体加入标示物) ，通过气相色 谱分析对影响混合质量的设备的各种参数( 动量比m s 肌b 、开孔直径d 、开孔面 积s 及混合室长径比l d ) 进行了探讨，并建立了一个经验模型。 c r a m e r s 和b e e n a c k e r s 2 8 l ( 2 0 0 1 ) 以惰性气体吸收氧气使其在水中脱附这一 过程为体系，研究不同几何结构和规模下的流型和传质性能，以及气体密度对传 质的影响。实验结果表明，几何设计参数( 如在喷嘴上游加入漩涡装置，混和管 长度及喷嘴混和管直径比) 非常影响传质性能并提出一套设计和放大规则，实验 验证了气体密度对传质性能的影响。a h o s m a n 等人【2 9 】用实验和可视化的方法研 究小直径混合管内高速两相流的动力学特性，考察了高速的水喷射产生的抽吸作 用将带有研磨颗粒的空气吸入腔内进行混合的过程。 在众多研究者探讨喷射反应器内流体特性的同时，研究喷射反应器的反应体 系的范围也越来越广。张卫民【2 4 在空气与亚硫酸钠水溶液进行气液反应体系中考 察了环流反应器的化学反应特征，并与搅拌釜反应器进行反应进程的比较。谢拦 漪等【2 5 1 对液体喷射式环流反应器进行了d s d 酸非水介质法氧化工艺研究。袁少 明等i3 0 】用实验的方法对高气液比喷射反应器内的阻力特性进行分析，分别利用 n a 0 h + c 0 2 冷模体系和脂肪酸甲酯+ s 0 3 反应体系对喷射反应器的反应性能进行 了系列研究。分别考察了喉管长度、锥角长度、气液比以及反应釜高径比对阻力 性能及反应性能的影响。同年 6 】，他们又对喷射反应器在脂肪酸甲酯磺化： 艺中 的应用进行研究，考察了老化条件、摩尔比、喉管气速、夹套介质温度以及气液 比等因素对产品质量的影响。 反应器内的流体力学特性是反映反应器的性能的重要方面之一，也是近年来 国内外研究学者研究反应器设计、优化的基础，因此详细准确地反映反应器内的 喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究 流场信息异常重要。对于实验方法来说，反应器内流场信息的精确测量是一件复 杂的工作，尤其三维和高度不稳定的湍流脉动和随机湍流给测量带来了很大困 难。较先进的实验方法开始运用激光多谱勒测速仪l d v 技术和粒子成像测速仪 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 技术来测量流场信息。虽然这两种技术能获得精确 的流场信息，但是用这些设备对流场进行测量相当耗费时间和财力，而且对于测 试的对象都有严格的要求，某些设备的流动场是无法用实验的方法得到的，因而 有一定的局限性。并且对反应器的实验研究只能是在一定规模的实验、生产装置 上进行的，要进行反应器的优化设计及放大必须进行设备尺寸上的更改，是一项 费时、费力的工作。c f d 方法可以解决上述问题，因此c f d 方法受到越来越多 的重视。 1 4 2 喷射反应器的o f d 研究 从二十世纪七十年代逐渐发展起来的c f d 方法可以针对过程传递及反应性 能的特点，通过建立各种条件下的基本守恒方程，应用过程局部性能的物理一化学、 流体力学【3 0 等方程组进行数值模拟，从而实现预测各种真实过程的流场分布，继 而实现过程设计、优化、放大及控制的精确描述。随着计算机技术的不断提高， 以及计算方法和湍流模型等方面的不断发展和完善，c f d 方法在工程中的应用越 来越广泛，计算流体力学在喷射反应器中的应用也日益受到国际学术界和工程界 的广泛关注。 利用计算流体力学对喷射反应器进行的研究主要集中在喷射反应器内流体 流动、混合机理、结构优化、工程放大及工业应用方面。用c f d 方法研究喷射反 应器内流动特性时，众多研究者对喷射反应器建立模型进行了简化。最初的一维 理论把流体在喷射器内的流动看成一维稳定的理想气体的无粘流动，不计壁面的 摩擦影响和热量损失，它不能给出喷射器内部流体的速度分布、能量损失等信息， 因而就无法全面考虑喷射器内部具体结构对流动、混合等过程以及喷射器性能的 影响。多年来人们运用二维模型，试图更为准确地描述喷射器里的流动特别是在 混合阶段的流动。多数喷射器主体基本上是二维轴对称结构，吸入口常常是非轴 对称设置的，使吸入流体进入喷射器时的流动呈三维状态。由于吸入流体流速比 较低，吸入通道截面比较大，因此忽略吸入流体在进行混合以前的大部分流动过 程，只考虑从喷嘴周围低速、平行、均匀流出后的过程，使其成为沿喷嘴外侧的 轴向流动，从而喷射器内部的流动区域简化为二维轴对称结构。 近年来，计算速度的飞速提高及计算方法方面的发展使得对喷射反应器的三 维模拟成为可能。r i f f a t 等【3 2 】采用三维、不可压缩模型对喷射器内部全部的流场 进行了计算，考察了三种不同形状喷嘴与吸入通道内回流现象的关系。陈中等p l j 青岛科技大学研究生学位论文 进行了三维( 假设混合室内流动为轴对称) 模拟，将模拟计算域限定在二分之一 混合室，对其内部的气体流动特性进行了分析。何培杰等将射流混药装置进行简 化1 1 “，以二维轴对称形式对混合管流场进行研究，以动量方程和标准k 一湍流模 型建立了混合管的数学模型，分析了混合管内部流动规律，揭示了射流混药装置 的工作机理。 在对“广义”的喷射反应器建立模型时，大多将喷射反应器中的喷射器和容 器或釜作为一个整体研究，很少单独将喷射器作为一个设备研究其传质性能。 d i r i xa n dv a nd e ”】将喷射器和反应容器作为连续的两个反应单元( t w or e a c t o r u n i t si ns e r i e s ) 来考虑。以氧气从水中脱附进入到氮气的过程作为模拟体系，分 别对喷射器和外部容器进行建模，喷射器按活塞流来模拟，将反应容器看作理想 混合，研究了喷射器两种流型下传质系数的影响因素，及外部容器内传质的影响 因素，以此达到优化整个反应器的目的。 国内对喷射反应器的c f d 研究主要是针对冷模体系中的喷射反应器流动性 能方面进行的，而近年来国外对喷射反应器研究的重点则更多得放在其反应性能 方面。j u h a l e h t o n e n ，j y r ik a p l i n t 3 4 l 开发了一种半间歇环型反应器放大的动态模型。 数学模型包括反应釜体，喷射器、及外循环部分，应用续罐( t a n k s i n s e r i e s ) 和 轴向分散的概念来描述反应器的非理想流型，并通过一个均匀一非均相催化反应体 系一芳族胺的烃化还原的案例来验证环型反应器模型。模拟结果表明：实验室中 得出的反应的速率方程可以成功地和环路反应器的流动模型结合，模型预测放大 后的环流反应器的特性具有一定的准确性。y i n g l i u ，v r a m a n 3 5 l 在湍流和反应强 烈耦合的情况下研究了氯化反应器中的放大，引入有限体积法和传输概率密度函 数结合的方法，他们对湍流和反应相互作用的准确描述使得放大过程中反应器的 稳定性得到了保证。n i t i n h k o l h a p u r e 等p 6 】建立了用于缩聚合反应的商用多喷射 管状反应器模型，对单相湍流反应流进行了三维稳态模拟。 c f d 方法在研究喷射器反应性能方面起到了非常重要的作用，但是一些模型 特别是对化学反应的处理模型还不是很完善，需要广大研究者进行大量的工作对 其进行改进和完善。 1 43c f d 模拟中化学反应的处理 湍流反应过程主要由3 个步骤组成：湍流分散过程、分子扩散过程和化学反 应过程。化学反应过程只有在湍流分散过程和分子扩散过程共同作用后达到分子 规模上的混合才能发生。反应器内湍流与反应之间有着强烈的相互作用。例如反 应可通过放热引起密度变化而影响湍流，而湍流又有可能通过浓度及温度脉动而 强化组分的混台与传热，从而影响反应速率。湍流和化学反应的相互作用可以非 喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究 常明显地影响反应器的性能，反过来影响转化率、产量和选择性。很好地理解不 同物理、化学过程的相互影响可以提高过程效率和有效成本。 国外对湍流反应过程的研究有大量报道，早期概念性工作的目的在于了解反 应物的分离在快速反应的作用，都是基于l a g r a n g i a n 微混和模型( 如i e m 模型， i n t e r a c t i o nb ye x c h a n g ew i t ht h em e a nm o d e l ) 或用实验测量混合性能的e n g u l f m e n t 模型( 1 9 8 8b a l d y g aa n db o u m e ) 。如何模拟反应与湍流间相互作用并不容易， 研究者们希望建立适宜的模型来解决有关的传递和反应问题。采用过直接数值模 拟( d n s ) 方法对湍流反应过程进行模拟计算【3 l ”i ，缺点是需要很大的计算资源 耗时巨大。湍流流动过程的浓度分布求解必须考虑流体流动和组分浓度的脉动， 从而在对湍流扩散传质方程进行r e y n o l d s 平均处理后，在其反应生成项中引进包 含浓度脉动的协方差项。为此，要对湍流混合反应过程进行数值模拟研究，必须 对这些项进行封闭处理。近年来有大量文献提出了不同的封闭处理，主要有阶矩 封闭处理( m o m e n tc l o s u r e ) 【3 a 4 0 1 和p d f 封闭处理 4 1 4 2 1 。 基于欧拉一雷诺平均质量方程和动量传输方程结合的c f d 方法发展的非常 好，可以提供简单或复杂几何形状容器内的流动情况。1 9 9 9 年w a n ge ta 1 用c f d 方 法模拟了多管子混和排列单元。显示了质量比率等值线和示踪剂分布，并比较了 混合效率，推导出重要的设计信息。c f d 框架通过耦合详尽的流体流动和对化学 反应的准确处理来模拟反应流体。在最近的文献中，2 0 0 2 年h j e r t a g e r 43 】用该方法 模拟了湍流反应器内的快速酸碱反应，发现用e d c ( 改进的漩涡耗散概念即 m o d i f i e de d d yd i s s i p a t i o nc o n c e p o 模型来模拟液相反应很合适。 另一种复杂方法用联合概率密度函数( j o i n t p r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n ，p d f ) 传输方程。r o e k a e r t s ( 1 9 9 2 ) 及t s a ia n df o x ( 1 9 9 6 ) 用联合密度函数模拟了单相湍流 反应流的流动，反应系统是3 或4 个反应( 6 种物质) 网络。2 0 0 4 年k o l h a p u r e 将该