（化学工程专业论文）圆环型挡板振荡流反应器流动模型的研究.pdf

加，z 乎硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 摘要 管式振荡流反麻器( o f r ) 是一种新硝高效反应器，反应器内沿流动方向等距设置的 挡板与流体的l e 弦振荡流动之间的相互作用使其流场具有特殊的形态，大人强化了反应器内 的传递过程，并可通过调耵振荡参数获得不同的流动和混合特性，具有广泛的麻h ；j 性。多年 来国外的研究忽略o f r 的流场特性，无论何种振荡强度统一使用简单的多釜串联模型 ( s m t ) 及轴向扩散模型( a d ) 进行描述。以往的研究表明o f r 流场结构和混合特性十 分复杂，在不同的振荡强度下呈现出不同的特点，简单模型并不能合理描述大范围振荡强度 下的流场特性，并根据粒子成像流场可视化( p i v ) 实验针对中高强度分别建立带有二次流 区的分区腔室和室内及室间返混的多釜串联模型( s m t d c s b ) 及带有二次流区的全混腔 室和室间返洮的多釜串联模型( s m t s i b ) 进行表征。 本论文使用碱性条件下乙酸乙酯水解的二级反应作为模板化学反应，通过实验测定反应 物在o f r 中的反应程度，与各个模型的预测值相对比，以检验模型的预测能力。并在低、 中、高三种不同振荡强度下从r t d 曲线的相符程度与乙酸乙醋水解二级反应的预测能力两 方面考查s m t 、a d 、s m t b 、s m t d c s b 、s m t s 旧等模型的适用性。研究结果表明，新 模璎s m t d s c l l b 及s m t s i b 具有可靠的预测结果，无论从物理意义或数学意义上都可表 征o f r 的流场特征。$ m t 适用于描述低振荡强度下o f r 的流动特性，描述中、高强度+ f 的振荡流场则有较人偏差；$ m t d c $ 1 1 b 在中等振荡强度f 优于其它模型，也可用于高振荡 强度fo f r 流场的描述；s m t s i b 适用于表征高振荡强度fo f r 的流场特征，且较 s m t d s c i i b 模型而言更为简单。s m t b 也可用于描述高振荡强度下o f r 的流动特性，但 物理意义有所欠缺且模拟结果较为粗糙。至于a d 模型，在本论文的考查范围内不适用于描 述任何振荡强度fo f r 的流场特征。 关键词：搌荡流反庸器；流动模型：乙酸乙酯水解反应 加，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) a b s t r a c t a san e wt y p ee f f i c i e n tr e a c t o r , o s c i l l a t o r yf l o wr e a c t o r ( o f r ) b e a r s p e c u l i a rf l o wp a t t e r n sw i t ht h ep e r i o d i c a l l ys p a c e db a f f l e si nt h et u b e ，t h e r e f o r e ， o v e r w h e l m i n g l ye n h a n c e st h em a s sa n dh e a tt r a n s f e r v a r i o u so s c i l l a t e r y p a r a m e t e r sc a no f f e rv a r i a b l em i x i n gf e a t u r e sa n ds oi tw o u l db eu s e dw i d e l y o u rp r e v i o u sr e s e a r c hw o r ks h o w e dt h a tt h ef l o wp a t t e r n si no f rw e r e c o m p l i c a t e d ，c h a n g i n gw i t h d i f f e r e n to s c i l l a t o r yi n t e n s i t ya n du n a b l et ob e c h a r a c t e r i z e db yas i n g l es i m p l ef l o wm o d e l o nt h eb a s eo ft h es t u d yr e s u l t s o fp i v ，w eb u i l tu pt w on e wf l o wm o d e l s ，t h a ti s ，s e r i a im u l t i - t a n km o d e lw i t h d i v i d e dc e l l s e c o n d a r yf l o w , i n t r a - a n di n t e r - c e l lb a c k m i x i n g ( s m t s d c s i i b ) a n ds e r i a lm u l t i - t a n km o d e lw i t hs e c o n d a r yf l o wa n di n t e r - c e l lb a c k m i x i n g ( s m t s i b ) ，t od e s c r i b et h ef l o wp a t t e r n sw i t hm i d d l ea n dh i g ho s c i l l a t o r y i n t e n s i t yr e s p e c t i v e l y i nt h i st h e s i sw eu s et h ea l k a l i n eh y d r o l y s i so fe t h y la c e t a t ea st h e t e m p l a t ec h e m i c a lr e a c t i o nt ot e s t i f yt h ea b i l i t yo ff l o wp a t t e r nm o d e l st op r e d i c t t h er e a c t i o np e r m a n c ao fo f r ，b yc o m p a r i n gr e s i d u a lc o n c e n t r a t i o n so f a l k a l i n ei ne x p e r i m e n t sa n dt h o s ec a l c u l a t e db yd i f f e r e n tm o d e l s w ea l s o e x a m i n et h ea p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n tm o d e l su n d e ral a r g er a n g eo fo s c i l l a t o r y i n t e n s i t i e s t h er e s u l t si i l u s t r a t et h a tt h em o d e lo fs i m p l em u l t i p l et a n ki s s u i t a b l ef o rl o wo s c i l l a t o r yi n t e n s i t y , b u tt h ee r r o rw o u l db eg r e a t e rw i t hm i d d l e o rh i g hi n t e n s i t y , s m i - i d c s i i bi s p r e f e r a b l et oo t h e rm o d e l su n d e rm i d d l e o s c i l l a t o r yi n t e n s i t y b o t hs m t s i ba n dt h em o d e lo fs i m p l em u l t i p l et a n km o d e l w i t hb a c k m i x i n gc a nb eu s e di n h i g ho s c i l l a t o r yi n t e n s i t y , b u tt h ef o r m e ri s m u c hm o r ea c c u r a t e a sr e f e r r e dt ot h em o d e lo fa x i a ld i s p e r s i o n ，w ec a n n o t g a i ns a t i s f i e dr e s u l t st od e s c r i b et h ef l o wp a t t e r n so fo f ri na n yr a n g eo f o s c i l l a t o r yi n t e n s i t y k e yw o r d s ：o s c i l l a t o r yf l o wr e a c t o r , f l o wp a t t e r nm o d e l s ，a l k a l i n e h y d r o l y s i so fe t h y la c e t a t e 加， 上妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 1 1 课题背景 第一章前言 伴有混合的化工工艺生产过程，混合的程度及好坏一直是研究人员长期探索 的课题。带挡板的振荡流反应器( o s c i l l a t o r yf l o wr e a c t o r ，缩写为o f r ) 就 是近年来科学家研究发现的一种新型的化工过程设备，由于它具有传质、传热性 能好的特点，并且工艺过程容易控制，因此在工业生产上具有巨大的应用潜力。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，国外许多科学家将其作为一种强化传递过程特性 的新型主流化工过程设备进行了不断的探索，逐步发展成为本文所研究的带圆环 形挡板的管式振荡流反应器装置。在国内，本实验室对o f r 进行了大量研究， 针对其混合特性、分散特性、流动模型、流场模拟的数值计算、以及絮凝等应用 进行探索并取得一定成果。 在化工生产过程中，传统的搅拌方式是应用搅拌槽等装置来完成混合的。后 来，人们发现在有沟槽的管道中加入振荡，能够大大地改善管子中流体的传质， 传热性能，并在工业生产和医学中加以应用。但是，它仅仅局限在脉冲式压缩柱 和往复板溶剂萃取等方面，如膜生氧器和滤血器等。随后，在工业生产过程中， 人们又发现在有挡板的管道中加入振荡设备能实现更好的混合。实验表明，由于 挡板的存在，使得管道中流体的传质、传热效果更为理想。并且由于振荡设备的 改善，使得整个工艺过程更加容易控制。同时，研究人员发现一定结构的o f r 在特定的操作条件下，流体的停留时间分布接近于平推流的停留时间分布。此外， 由于o f r 具有良好的径向扩散能力，这对于需要有良好混合并需要较长停留时 间分布的化学反应来说，o f r 是种难得的化学反应器。【1 】 国外众多研究人员对o f r 的传热、传质特性及流场模拟做了大量研究工作 并取得相应成果，然而对其流动模型并未作深入探讨，目前为止多用轴向扩散模 型( a d ) 及多釜串联模型( s m t ) 描述反应器的流动特征，并用于预测反应转 化率或进行最佳操作条件的寻优。但未见相关文献针对这些单参数模型是否准确 有效并适应于所有操作条件进行讨论。少部分文献使用带釜间返混的多釜串联模 型( s m t b ) 描述【19 l ，但同样缺乏关于模型可靠性及适应区域的研究报道。 2 卢町，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 本实验室为从物理意义上考察a d 及s m t 等模型描述振荡流反应器时是否 具有合理性，在大范围振荡条件下进行了粒子成像流场可视化( p i v ) 实验，研 究结果表明管式振荡流反应器内的流场结构和混合特性十分复杂，在不同的振荡 强度下呈现出不同的特点。低振荡强度下反应器内没有可见的漩涡存在，流体近 似平行地从进口流向出口，但管中心区的平均流速明显高于挡板区，同时流体微 团沿流动方向有小幅振荡扰动，使用多釜串联模型描述其停留时间分布( f i t d ) 曲线与实验曲线较为符合。中等振荡强度下，腔室内上下各出现两个漩涡，在流 动方向上的混合并不充分，主流区与漩涡不断进行质量交换；高振荡强度下，整 个腔室充满体积和位置不断变化的漩涡，最大的漩涡位于管中心的主流区，其最 大尺寸可接近腔室直径，位置变化贯穿了腔室的整个纵向范围。而在接近管壁和 挡板连接处的区域，存在一些尺寸接近挡板宽度的小漩涡，其中裹挟的流体一部 分在漩涡内循环，一部分与管中心的主流区交换，形成了二次流区。这两种情形 中，多釜串联与轴向扩散模型不仅在物理意义上缺乏合理性，计算r t d 曲线与 实验曲线相对照偏差较大，已经缺乏适用性。翻 综合考虑实验图像中的漩涡及死区、以及振荡的物理特征，本实验室分别采 用带有二次流区的分区腔室和室内及室间返混的多釜串联模型( s m t d c s i i b ) 及带有二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联模型( s m t s 旧) 来表征，中、 高振荡强度下振荡流反应器的流动形态。模型参数使用遗传算法根据脉冲注入示 踪剂法获得的r t d 曲线进行求取。【5 7 】 1 2 研究内容 本实验室所提出的带返混带二次流区的多釜串联模型可以较好的预测的 r t d 曲线，与实验结果相比较可靠性强相符程度高。但若在o f r 中加入特定反 应，该模型是否依然能对反应结果进行准确预测、普通的单参数模型如多釜串联、 轴向扩散模型又是否只能预测低振荡强度下的转化率、不同模型是否有各自的适 用区间尚需进一步验证，也将是本篇论文所讨论的重点问题。 简言之，本文完成了以下工作： 1 在o f r 中加入乙酸乙酯在碱性条件下水解的二级反应，待连续操作的反 应器出口状态达到稳定后，根据出口处电导率计算溶液中残余氢氧的浓度，通过 j ，z 妒硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 实验值与模型的计算值相对比检验新模型的可靠性。 2 将实验获得的r t d 曲线与流动模型的计算曲线相对比，考察s m t 、a d 、 s m t b 、s m t s i b 、s m t d c s b 等几种不同流动模型的在不同振荡条件下是否 能准确描述振荡流反应器的流型特征。 3 将实验获得的出口处残余氢氧化钠浓度与模型计算残余浓度相对比，考 察s m t 、a d 、s m t b 、s m t s l b 、s m t d c s b 等几种不同流动模型在不同操作 条件下能否对振荡流反应内所发生的反应进行可靠并准确的预测。 4 综合r t d 曲线对比与乙酸乙酯水解反应残余氢氧化钠浓度对比实验的结 果，讨论各个模型各自适用于描述何种操作条件下振荡流反应器的流动模式。 4 j ，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 第二章文献综述 利用振荡流动改进化工装置混合特性的研究最早可以追溯于二十世纪六十 年代，核工业的先驱性研究工作表明，在筛板塔中加入流体振荡可以使两相不互 溶液体产生高效混合，该项技术被成功地用于可溶物萃取过程的强化【3 1 ( l o n g s d a i l 和t h o r n t o n 1 9 5 7 ；l o n g ，1 9 6 7 ；l o 和b a i r d ，1 9 8 7 ) 。 1 9 7 3 年，b e l l h o u s e 4 发现在带沟槽的膜氧合器中给流体施加机械振荡可有 效提高传质速率。 此后的几十年内各国研究学者针对振荡流装置的混合特性、r t d 、传质传热 特性、实际应用及c f d 流场模拟做了大量研究工作并取得丰富的成果。 振荡流动的相似准数包括三个无因次量来表征嘲。其中有两个雷诺数：振荡 雷诺数r e o 和净流雷诺数r e n 。振荡雷诺数r e o 和稳态流动的雷诺数比较类似， 只是速度项用的是一个周期中的最大值。另一个无因次量是斯特劳准数& ，各 无因次量的定义如下： r 巳：2 1 r f x d p ( 2 1 ) p r ：d u p ( 2 2 ) s t = 旦 ( 2 3 ) 4 x x o 。 其中：d 是管道的内径； ，是振荡的频率； 是管内流体的表观速度o p 是流体的密度； 毛是振荡的平均增幅。 一般稳态流动中当r e = 2 1 0 0 左右时出现轻微的湍流嘲，而在振荡流中则出 现在r e o 等于5 0 1 0 0 时。根据利用激光测速器和数学模拟对混合现象进行的 研究，我们可以把振荡流混合区分为两个范围：当尺e o 2 5 0 时，流场就发展为三维不对称， 实际上当r e o 2 0 0 0 时，已经是完全湍流了。 研究者们对振荡流场进行了广泛的研究和可贵的探索，并构造了各种不同的 数学模型。一般来讲，混合是出两个途径共同实现的：大范围的涡流使相距较远 的粒子相互靠近，实现整体混合；小范围内粒子的运动使得这一区域内的粒子浓 度均一化，实现局部混合。对在一个等间隔加挡板的管内的流体外加振荡，在振 幅为1 1 0 0 m m ，频率为0 5 1 5 h z 时会出现振荡流混合。流体运动受到挡板 的影响从而产生漩涡，在整个管道内都沿着管径方向分布着许多漩涡，因此能够 实现良好的整体混合。而流体的振荡又使得小区域内的颗粒不断扰动，从而实现 高效的微团( 局部) 混合。 振荡流混合的一个显著特点就是通过改变振荡的频率与振幅，或者改变腔室 的几何形状，可以很精确的控制混合程度。这样我们就可以得到一个很广泛的混 合范围，既能够轻微混合又可以强力混合。其他加强混合的方法，如静态混合器 或者通过循环来增加表观速度，则不能得到同等程度的控制。 2 1 基础研究 振荡流流场是一种非稳态流场，流场的边界随着时间的变化里周期性变化。 随着研究技术的不断发展，人们对它的认识也越来越丰富。 2 1 1 混合特性研究 1 9 8 9 年d i c k e n s 和m a c k l e y r 等对于水平单管装置的操作做了一系列的研 究，使用轴向扩散模型参数进行描述，证实有显著的良好的混合效果。此外，对 于给定的体积流量与振荡频率存在最优的振幅，使反应器的特性与平推流最接 近。对于其所研究的体系，最优振幅为1 m m ，这个相对而言较小的最优振幅在 工业实际应用中容易实现，并且小振幅有利于减少操作能耗。若目标是获得较好 的混合效果，需操作时振幅大于最优振幅；欲获取与平推流相接近的流型特征， 则需使操作振幅尽量保持与最优振幅相等。振幅较高时挡板边缘对流体有强烈的 剪切力，沿管长的轴向扩散非常明显。 1 9 9 1 年m a c k a v 【8 】等的研究表明无论挡板处于反应器中心或是边缘时，稳 6 j 形，z 聋硕士掌位馘( 2 0 0 6 ) 态流体与振荡流体的流型都有不同。在某一雷诺数下，流型丌始呈不对称分布， 这一点实验与数值模拟都得到相同的结论，对于所研究装置，该雷诺数的临界值 为2 0 0 ，同时挡板在边缘的装置有更明显的效果，而每个腔室的流型则体现更加 复杂的依时性。挡板在中心的装置，比挡板在边缘的装置对流体产生更高的剪切 力。 1 9 9 3 年m a c k l e y 和n i 唧扩展了前面单管装置的研究，对多管的管板振荡流 反应器进行了探讨，分别对多管串联( m u l t i p a s s ) 与并联( m u l t i t u b e ) 体系研 究了其f 玎d 。反应器如图2 1 、图2 2 所示；这些研究扩展了先前单管装置的研 究结论，并显示了振荡流反应器操作的灵活性，如用做反应器或换热器时，多管 串联与并联都可以采用。多管串联的r t d 数据采用单参数的轴向扩散模型来模 拟时，与之前d i c k e n s 等的结论相一致。同时m a c k l e y 证明，扩散效率与振幅 密切相关，但与频率相关不大。在多管串联体系，弯头的存在对于混合效果没有 太大的影响。而多管并联体系的r t d 数据则体现了每个管的r t d 非常相近的重 要特征，并且管间没有相变化。 当净流雷诺数较高时，挡板是否存在对于扩散的影响已不是很大。但是，雷 诺数较低时，无挡板无振荡时的扩散比挡板振荡存在时更加明显。这个结果可以 表明，对于某给定平均停留时间且净流量雷诺数处于湍流范围的体系，使用带挡 板振荡流可获得分布较窄的r t d 曲线。 图2 - 1m u l t i p a s s图2 - 2m u l t i t u b e 2 0 0 3 年f i t c h 和n i 【1o l 对于带周期挡板振荡流间歇反应器采取了激光引发 荧光的新方法对r t d 进行测定。所采用的也是单参数的轴向扩散模型。这是首 7 j 形，z 掌硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 次对轴向扩散与径向扩散进行定量描述。 吕伟峰和吴嘉 1 i5 8 l 曾针对o f r 进行注入分散实验研究，结果表明，当反应 器无净流量时可用浓度场二维图像灰度相对方差来表征浓度场非均匀度。通过获 得的流场图像灰度方差随时间变化的曲线来定量表示混合效果，借此可反应振荡 流特性参数r e o 、s t 对整个注入分散过程的影响。二项指数衰减函数c = c o + a f e x p ( - t b 1 ) + a 2 e x p ( - u e 2 ) 可很好的拟合结果并具有实际的物理意义。用参数f w 、尺f 5 表征的混合效率说明：大振幅、高频率有利于混合，但在低频率区会有周期波动 的特性，存在最佳的频率振幅配对。非均匀度随时间呈指数型衰减，衰减速率总 体来说随振荡雷诺数r e o 增大而增大，但在s f 值较大时的低频区范围内衰减速率 会出现周期性的波动。受腔室几何尺寸的影响，在一些特定的振荡频率和振幅下， 流体可以产生环绕腔室的大旋涡从而强化混合。而在大振幅时，即使在较低的振 荡频率下就可以形成很好的旋涡，随频率的进一步提高混合效果已无更多的加强 余地，因而基本上无此种随频率周期变动的现象。总的来说，准数决定了振荡 流场的长程混合效果，而振荡频率则决定了流体微团的短程混合效果。随着振荡 频率的增大，振荡流场的整体混合能力将增强，当频率大于i o h z 时该增强的幅 度已很微小。 在o f r 引入净流量后的注入分散实验结果表明i 】：有一定净流量的振荡流 体的混合特性相对无净流时的流体要显得更加复杂，不宜简单的使用衰减指数的 形式来拟合结果，但仍可通过对实验曲线的积分来获得近似的整体混合效果的定 量描述。在较大的研准数下，净流雷诺数r e 对整体的混合效果影响显著，无法 简单的描述两者之间的关系。但随振荡强度的加大，即振幅、频率的提高，流场 特性与r e 。的联系逐渐减弱。总的来说，有净流时的注入分散特性与无净流时的 总体趋势是一致的。 2 1 2 传质传热特性研究 1 9 9 2 年h e w g i l l 等f 1 2 】对振荡流反应器内氧气与水两相界面的传质进行了研 究。实验方法是在管内插入挡板并对流体施加一定程度的振荡条件，先用氮气置 换水中的氧，然后把气体切换成氧气并用探头检测水中氧气的溶解度。他们先假 定整个管内混合良好，即轴向浓度梯度很小，则可获得总的传质系数。浓度的变 j 抻岁，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 化速度计算式为 冬= k l a ( c 一c ) ( 2 4 ) “l 式中心a 是总传质系数。c 为水中氧气饱和度的百分比值，c 。为c 的饱和 度值( = 1 0 0 ) 。 实验对不同的振幅和频率以及气体流速下的氧气饱和度百分值进行了测定， 并把实验结果用d e c k w e r 等人先前研究中定义的关系式拟合进行比较。 k l a = 6 “； ( 2 5 ) 式中b ，n 为经验常数，u g 为表观气体流速。 流体无振荡时，未加挡板n = 1 0 1 ，b = 1 0 1 ，该结果与d e c k w e r 的结果一致， 加入挡板后n = 0 8 9 ，b = 2 0 6 ，传质系数相对减小了。他们认为这是加入挡板后气 泡被集中到了管中心处，阻碍了气液传质的进行造成的。但是当同时对流体施加 振荡后，传质系数有显著的提高，且相同频率下，随振幅的增大而增大。故振荡 流反应器相对于传统的搅拌式反应器有更好的传质效果，尤其是在生物反应和多 相反应这些方面更能凸显其优势。 1 9 9 3 年，m a c k l e y 和n i 8 针对振荡流反应器多管串联、并联体系所做的流 体可视化实验尤其显示了带挡板的振荡流是一种使粒子均匀分布与良好混合的 有效方式。可视化实验中的粒子是直径为1 0 0 - 1 5 0 微米的聚乙烯颗粒，中性， 密度为9 6 0k g m 3 。无论是多管并联还是串联体系，当挡板与振荡流同时存在时， 粒子随机混合，并且不在反应器中的任何一个区域有积累。这些结果可以证明 振荡流反应器可以适用于固液悬浮体系，有效的混合、传热与停留时间分布可以 得到良好的控制。 1 9 9 4 年，m a c k l e y 和s t o n e s t r e e t 5 对于振荡流反应器的传热效果作了深入 研究。其实验使用水平安装的管壳式换热器，壳层通冷却水，管内通热矿物油， 采用热电偶测定入口和出i ：1 温度，获得了不同净流雷诺数r e 。下以努塞尔数n u 表示的传热效率。 n u t “= 半 ( 2 6 ) k 式中d 为管内径，h t 为管侧的传热系数，k 为流体的导热系数。 他们进行的比较研究有：流体无振动时在光滑管和有挡板管内受净流量影响 加，z 乎硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 的传热特性，振荡的流体在光滑管和有挡板管内受净流量影响的传热特性，在一 系列固定振幅下的传热受振荡频率的影响，以及一组固定振荡雷诺数下传热特性 随净流雷诺数变化的情况。 结果表明，振荡流对管壳式换热器传热效果的增强有着真实的作用。在管 壁上增加挡板已可增加热量传递，再加上流体的振动就可获得最佳的换热效果。 在测试过的一个较宽的频率范围内，传热速率主要取决于振幅和振荡频率的组 和，通过选择一定的频率和振幅就可获得对热量传递的精确控制。在相同的振荡 频率和振幅乘积值时，传热效率基本不变化。振荡流最大的益处表现在小净流雷 诺数( 较小的管内表观流速) 时，从试验结果看，此时可获得3 0 倍于无振动时的 传热效率。通过对实验数据的拟合，他们还获得了当1 0 0 r e 。1 2 0 0 ，0 r e 时，无 因次传热系数n u ( 努塞尔准数) 与r e 。密切相关，与s f 也有一定的相关性，振 荡流反应器可以明显加强传热过程。对于传质，以氧气一水体系作为研究对象， 结果显示，与以前的简单的鼓泡塔相比，其传质效率可以达原先的4 0 0 ，这对 于多相体系反应器与生化反应器来说极其重要。混合速率和传热传质速率与净雷 诺数相关；轴向扩散的程度与振荡的振幅密切相关。 2 0 0 1 年，s t e p h e n s 和m a c k l e y 针对两种操作条件下的间歇振荡流反应器 进行传热特性的研究，一种为反应器内流体做往复振荡运动，另一种则使挡板产 生振荡。研究表明，两种情形下的振荡流反应器其传热系数均取决于振荡强度， 且反应器的传热效果与具有相同净雷诺数及平均停留时间的管式反应器或间歇 搅拌釜相似。实验结果也表明，若达到相同的传热效果，振荡流反应器比其它传 统的混合器所需能耗更低。 2 0 0 3 年，l a u 、c r i t t e n d e n 和f i e l d 15 】报道在实验操作条件所能达到的最大 振荡及振荡频率下( 仁2 4 h z ，x = 1 0 m m ) ，粒子分散过程的各项参数均可有2 0 左右的强化。 o 加，上掌硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 2 0 0 4 年，o l i v e i r a 和n i 1 6 1 关于汽一液体系在振荡流反应器中质量传递的研 究则表明，该反应器具有一系列优点，传质系数显著提高，并随振荡频率及振幅 的增大而增大。 2 1 3 流动模型建立 前面所提到的大部分研究所采用的模型都为轴向扩散模型，应用模型参数 d ，u l 与毕克莱准数( p e = u l d ) 来评价，p e 越大越接近平推流的效果。 流动模式的物理模型提出于1 9 8 0 ( s o b e y ) 【们、1 9 8 8 ( h o w e s ) 【1 8 1 、1 9 9 1 ( h o w e s 和m a c k l e y ) 9 】。 h o w e s 和m a c k l e y 的模型为多釜串联模型，如图2 3 所示 ( a ) n on e t f l o w er ( b ) n e tf l o v e ( n e t ) 口；口；口 图2 3 带釜间返混的多釜串联模型 采用多釜串联模型，实际是将每个腔室看作是理想全混釜，该模型在扩散 较小时理论推导数据与实验数据有较好的吻合，引入一个返混参数，则可以将所 引起的偏差纳入考虑范围之内。当振荡频率比最佳值有所增大时，示踪剂注射口 处的扩散也随之增大，这是由于示踪剂被振荡的平流推进作用而引起的。【2 0 】 当振荡雷诺数小于最佳值时，返混参数并不适合描述多釜串联模型扩散也 随之增大的机理。并非由实验直接观察到，当振荡雷诺数小于最佳值时，扩散随 之增大可能是由于径向漉合的减小和连续的短路流的影响。一个腔室的毕克莱常 数可用来描述扩散的程度。此外，还有另一种方法，1 9 5 8 年c a r b e r n y f ”】使用腔 室效率n 来比较所观察的与使用多釜串联模拟得到的结果。一个含n 个腔室的 反应器的扩散效果与q n 个串联的理想全混釜的效果相同。1 ，n 个腔室是理想的 j 形，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 全混釜。当振荡频率降低时，需要更多的腔室进行混合，于是腔室效率像所观察 的一样下降。同样的，当净流量增大时，流体在每一个挡板间的停留时间减少， 但径向扩散没有相应的增加，所以n 低。 国外研究工作者所发表的有关o f r 的流动特性实验研究的论文中，大多是 应用轴向扩教模型或多级混合模型来模拟o f r 内部流动模式、计算反应转换率 或者选择最优操作条件。对这些单参数模型模拟结果在o f r 中准确程度和使用 范围都没有作进一步的探讨，更没有针对振荡流的特点，建立新的流动模型来描 述o f r 流动状况。 由于流动特性的研究对于反应器的设计和应用都有着重要的意义，因此，本 实验室在应用粒子成像可视化技术对流场进行观察的基础上，将不同振荡条件下 o f r 的流动状况进行分类，对不同振荡强度的流场采用不同的流动模型，并针 对中、高振荡强度下的流场特征从基本物理意义出发建立更符合其流型特征的新 流动模型带有二次流区的分区腔室和室内及室间返混的多釜串联模型 ( s m t d c s i i b ) 及带有二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联模型 ( s m t s i b ) 。 通过r t d 曲线获得模型参数，并考察该模型参数与振荡条件间的内在关联。 实验结果表明根据新模型计算的r t d 曲线与实验曲线相比具有较高的相符程 度。【2 1 l 2 1 4 流场数值分析 1 9 8 0 年，s o b e y _ 【1 7 】对在带沟槽的管道中的振荡流动做了数值模拟研究，他 通过离散n a v i e r - s t o c k s 方程，用流函数一涡量法模拟了管壁边界是连续圆弧或 正弦波形状的管内振荡流动。他研究中发现，漩涡在流体加速时形成，流体减速 时漩涡继续增大，同时向沟槽的下方移动。当流动方向改变时，壁面附近的流体 开始向回流动( 由于漩涡的存在) 。漩涡和壁面间的流体，将会导致漩涡喷出 ( e j e c t i o n ) 。同时也发现少量组分的加入不会改变流场的状态。这些模拟结1 果和实 验得到的结果也很相符。研究表明，在管式反应器中加入等间距排列的挡板，并 对流体施加振荡，则挡板边缘对流体的剪切产生了极好的混合效果。 1 9 8 2 年，s o b e y 田】将他的研究扩展到非对称管道。在研究壁面呈正弦变化 加，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 的管道时，发现若壁面的相变减小会造成漩涡强度的减小，但不会破坏对称性。 当相变继续增大时，漩涡的强度将会继续减小，并开始出现非对称性( 由于上下 漩涡强度的不同) 。s o b e y 后来发现轴向扩散最大时存在一个雷诺数，当s 【增大 时，将会使得轴向混合减小。同时也发现，轴对称管道的混合效果较好。 1 9 8 4 年，s a w i d e s 和g e r r a r d 2 3 】模拟了波纹管中的非稳态流动，以了解动 脉中的血液流动情况。他们发现，当流体开始反向流动时，漩涡是整体流动。波 纹附近的很小区域内存在较好的径向混合。 1 9 8 5 年，s o b e y 2 4 1 发现，无论是在轴对称还是非对称的设备中，振荡流流 场都会由于漩涡的存在而出现非对称性。 1 9 8 6 年，r a l p h 2 4 】对半径呈正弦变化的管中的振荡流动进行了模拟，他通 过坐标变换的方法使得壁面处涡量梯度较大的地方网格点变得比较密集。所得到 的结果在相同的雷诺数和s t 数范围内，与s o b e y 的结果基本相同。同时又发现 在s t 数较大时，漩涡的在波纹腔室内消失需要更长的时间，也就影响了下一个 波纹腔室内流体的流动。这就导致两个波纹内的速度场在相同的时刻不是对称 的。这个结论也在实验中的到了证实。 1 9 8 9 年b r u n o l d 口5 】的数值分析证明挡板设置于反应器中心与设置于管壁处 的效果相似。 1 9 9 1 年，h o w s 和r o b e r t s 2 s 用粒子对流法来研究振荡流的混合过程。研究 表明，振荡流的良好混合效应来自于漩涡的不断产生和衰减。 1 9 9 3 年，t u t i i 和p e d k e y 2 6 , l 毛jc r a n k - n i c h o l s o n 法求解流函数一涡量方程， 对振荡流场进行模拟，也得到了漩涡，与s o b e y 在模拟和实验观测中得到的结 果相符合。 r 其中最典型的振荡流场模拟算法是1 9 8 8 年h o w e s 6 使用的基于流函数一 涡量法的算法。他用有限差分法离散涡量传递方程和p o s s i o n 方程来求解。 辔+ 辔一! 娑一 ( 2 8 ) 瑟2 。加2，a r 、- 詈= 一去噎二) 竹石丢) ) + 一- r c 0 2 _ s f l 塑t z 2 s 等+ 4 罢一刳 ( 2 9 ) j 町，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 求解方法的框图如图2 4 ： 图2 4 求解框图 在计算过程中引入了无因次量，时间步长调整在1 - - 5 x 1 0 - 3 之间。轴向与 径向步长比为3 ，考虑到c p u 的运算速度，径向步长取0 0 1 6 。最终，在雷诺 数小于2 0 0 ，s t 小于1 0 的情况下模拟的结果与实验结果比较相符。 模拟的结果表明：在振荡流反应器中，漩涡混合机理是振荡设备具有较好的 传质，传热效果的重要因素。漩涡混合机理包含：在每个挡板后漩涡的生成，和 在流体反向运动后，漩涡的喷射( e j e c t i o n ) 。这样，在流体流动过程中漩涡就充当 了一个障碍物，使得流体从中心向两边运动，从而产生较好的径向混合。 1 9 9 7 年，m a c k l e y 2 7 】等人应用粒子示踪法模拟振荡流反应器中的混合情况。 用l a g r a n g i a n 方法描述粒子的运动，结合振荡流反应器速度场，计算粒子在腔 室中的浓度分布状况。其研究结论证明振荡流反应器具有良好的混合性能。 但以上所说的模拟过程，都是针对层流流动来实现的。而在真正的实验和生 产过程中，振荡流反应器中的流动更多地处于湍流流态。因此，对于振荡流反应 器流场的模拟还需要不断的深入，直至能够应用到生产当中去。 近几年来本实验室的c f d 模拟工作也取得大量进展：2 0 0 2 年李伟【z 8 】运用 有限体积元法，首次实现了o f r 流场的三维模拟，能够较好地反映层流阶段下 o f r 流场分布状况。首次通过模拟手段得到了o f r 中流场的非对称分布。 三维的o f r 流场具有以下特点：( 1 ) 在s i 准数等于1 ，振荡雷诺数在2 0 0 1 4 j 缔，z 妒硕士掌位论文( 2 0 0 61 左右时，o f r 流场由对称分布转化为非对称分布。( 2 ) 当振荡雷诺数高于2 0 0 时，流场中有跨越中轴线的大尺度漩涡，正是这种漩涡的产生使得o f r 具有较 好的径向扩散能力，从而能够产生良好的混合。( 3 ) 非对称流场在不同周期的相 同相位时，速度分柜并不出现周期性重复。( 4 ) 二维模型仅能模拟对称流场，因 此即使对于层流阶段，也只能用于极低振荡雷诺数情况( 振荡雷诺数小于2 0 0 ) ， 当振荡雷诺数增大到一定数值时应采用三维模型模拟。 2 0 0 5 年吴嘉和吴永文【2 9 】通过c f d 计算结果与粒子成像可视化实验测试结 果的比较分析得出以下结论：c f d 三维模拟能够较好地反映o f r 流场的真实流 型，因此采用c f d 可以为o f r 的研究与应用尤其是工业放大设计提供了较好 的工具和方法；由于计算过程中随机误差的存在和积累，采用非结构化和结构化 网格系统进行计算的效果有所不同。随振荡雷诺数的增长，采用两种网格系统的 计算流场均出现了从对称结构到非对称结构的流场形态变化，但结构化网格系统 本身具有高对称性，计算随机误差较小且积累较慢，因而出现流场形态变化的临 界振荡雷诺数较高；o f r 实验装置的几何边界对振荡流场的形态有重要影响， 正是由于边界存在的不完全对称因素使其三维流场在较高的振荡雷诺数下呈现 不对称形态。酬 2 0 0 5 年吴嘉和邹世强即】对有着完全对称几何边界的o f r 中的三维层流和 湍流流场的数值模拟和具有o 1 轻微挡板偏心度的o f r 流场的仿真计算，以 及后者与实际流场测试实验结果的比较，得知完全对称几何边界条件下，o f r 中的层流流场具有轴对称性和周向均匀性，湍流流场具有轴对称性和周向不均匀 的类泰勒涡结构；当腔室中出现回流时，在靠近上下挡板的地方生成两对大尺度 漩涡，该漩涡对的不断生成与耗散正是o f r 具有良好的径向混合效果的直接原 因。同几何边界完全对称的o f r 流场相比，具有轻微挡板偏心度o f r 的流场 呈现出较大程度的非对称性，说明挡板偏心度是导致o f r 流场非对称流动模式 的一个重要因素；相同挡板偏心度下，o f r 流场的非对称性随振荡雷诺数增大 而增加，表明较激烈的振荡条件会加剧o f r 流场的非对称性。 2 2o f r 的新应用领域 由于振荡流反应器具有近似平推流的停留时间分布，传热与传质性能也比 # 彬，z 掌硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 普通的管式反应器好，因此可认为，该反应器结合了全混流和平推流反应器的主 要优点，是一种优秀且高效的湍动反应器。而这些优点决定了它能够对现有的许 多化工装置进行优化。 该反应器可以加强液体的混合效应，因此可用于加强液一液萃取过程。由于 它可以使液体中的粒子均匀分布，所以对多相反应体系，如有催化剂的反应、悬 浮聚合反应等非常有利的。也可用于絮凝、过滤等过程。此外，若将液体与气体 同时通入该反应器中，气液的传质得到加强。 2 2 1 在化学反应器中的应用 o f r 是一种新型的反应器，振荡流和中空挡板结合的特点所形成的流动模 式有利于传热传质，并保持近似平推流效果。无论间歇操作还是连续操作，o f r 都具有应用的潜力。对于连续操作过程，o f r 不像传统的管式反应器，必须要 保持一个最低的净流量雷诺数，o f r 的径向混合独立于净流量，允许很长的停 留时问而可以降低反应器的管径比。因此适合于一些需要很长的停留时间并需要 严格的温度控制的生产过程。在较低的净流量情况下，反应器的几何结构可以更 紧凑一些。由于o f r 内具有一致的混合和良好的温度控制，因此o f r 也可以 在间歇操作条件下应用。o f r 在反应器、平推流混合器、过滤单元和结晶器等 方面具有应用前景。 目前，o f r 已经在众多的化工单元过程得到应用开发，比如甲基的丙烯酸 甲酯悬浮聚合跚- 3 2 ，3 3 ，3 4 , 3 5 1 ，丙烯酰胺的反相悬浮聚合【删，扑热息痛的结晶和脂 肪酸脂皂化反应f 3 7 l 等。 2 2 1 1 连续操作反应器的应用 在化学反应过程中，反应组分在反应器中的停留时间和混厶t l ：l 程度是影响反应 程度的两个重要因素。一般情况下，化学反应要达到较高的转化率，必须要有较 长的停留时间，而要达到快速的反应平衡，需要良好的混合效果，也就是说需要 湍流流动，而湍流流动需要高流速，这就意味着需要很长的反应器才能达到相应 1 6 j 形，z 掌硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 的目的。在化学反应工艺中也存在着全混流反应器和平推流反应器两种操作工 艺。对于全混流反应器来说，反应器中的混合情况较好，整个化学反应达到平衡 所需要的反应时间比较短，但是，整体的转化率不高。而对于平推流反应器来说， 虽然转化率较高，但需要的停留时间也较长，也就意味着要达到化学反应的平衡 需要管长较长的反应器。 在前边已经提到了振荡流反应器能够提供高效的，可控制的混合，同时能够 增强传质，传热，扩散性能。m a c k l e y 闭在对振荡流反应器中流体的停留时间分 布的研究中发现：流体在振荡流反应器停留时间分布在一定的条件下与平推流相 似。对与化学反应来说反应组分在振荡流反应器中的停留时间应与在平推流反应 器中的停留时间相似。而振荡流反应器具有良好的混合作用，能够实现各反应组 分的良好混合，从而可以使得反应迅速达到平衡。因此，在某种意义上可以认为： 在振荡流反应器中的化学反应能够实现良好的混合，同时具有平推流反应器的停 留时间分布。这一点对于化学反应器，特别是作为简单的高效湍动反应器。因而 振荡流反应器引起了人们的关注。 2