（化学工程专业论文）振荡流反应器注入分散特性的在线实验研究.pdf

摘要 5 0 8 5 1 d 本文在已建立的振荡藏混合反应器装疑下对注丸分数过程进行了辑究。实验采用班蓝 截有机染料为示踪剂的流动鼹形技术，蘸l 摄像头实时舔淑注入分散过程黔动态图豫，计算 机嘲步分析视频流数据，从耐以在线监测的方式获得流场图像的灰度相对方差随时恻衰减 静鼹线。菹此方蓑近傲表挺了示踪裁滚度绣熬 垮訇度，蕊衰减癀昝可穗子定量趱逑攘荡 流场的注八分散特性。 实验努嚣净滚鲎嚣骞一定冷滚量两耱情夥，搽谑了摄蔼雷凑数骶、舅_ 潦劳整数辩 掇荡流场中的波入分散特性的作用以及挣流雷诺数丑的影响情况。 j l 遗过瑟察实验魂象臻及势辑实验数黎，发瑷纛荡籍淫参数如。帮盛对注天努教特性畜 r w 搬强的联系。用参数小r 1 5 液征的混合效率表明：总的来说大振幅、高频率有利予混合， 艇在& 较大熬低鞭凄区串衰撼速凄会有髑勰波动兹特性，存在最佳躬频率振辐配对。弓 入 净流量后实验精采发生了很蕊杂的变化，德总体变他懑势仍与无净漆实验一致，当糖荡强 皮加大嚣，即髓振橱、频率的提高，流场注入分教特性与j 蕊的联系邂渐减弱。 实验研究表疆：振荡流瀛合反应嚣鼹够实瑗高效静注入分觳过糕，两置哥戬耩穗控涮 混合的强度，完全可以满足絮凝等反应过狸对注入区浓度场的特殊要求。， 、 燕键诃：振荡流滟合；注入分散；非均匀度；浓度场；柱线检测 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h e i n j e c t i o nd i s p e r s i o ni u 。驻o s c i l l a t o r yf l o w m i x e rh a sb e e ns t u d i e db yu s i n g t h ef l o wv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u ew i t has o l u t i o no fb l u ed y ea st h et r a c e r t h ep r o c e s so f 溺e c t i o nd i s p e r s i o nw a s m o n i t o r e dw i t had i g i t a lc , q a l a e r ac o n n e c t i n gt o 鑫c o m p u t e r t h a tt r e a t e d t h ev i d e od a t as t r e a ms y n c h r o n o u s l yt oo b t a i nt h ea t t e n u a t i o nc u r v eo f r e l a t i v ed e v i a t i o no f t h e f l o w i m a g e sg r a y s c a l ev a l u e s 。t h ed e v i a t i o nv a l r a e w a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h e i n h o m o g e n e o u sd e g r e eo f c o n c e n t r a t i o nf i e l d s ，m a dt h ea t t e n u a t i o nr a t ew i t ht i m e w a su s e dt o c h a r a c t e r i z e t h e i n j e c t i o n 蔗s p e 蜮黼p c 蠢醣嫩8 n e e o f f l o w f i e l d 。 t h ee x 3 ，e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti nt w os i t u a t i o n s , 城t h o a tn e tf l o wa n dw i t hn e tf l o w t h e i n f l u e n c eo f o s c i l l a t o r yf l o w r e y n o l d sn u m b e r 演e o ) a n ds t r o u h a tn u m b e r t o t h ei n j e c t i o n d i s p e r s i o np e r f o r m a n c eo f o f m w a s e x p l o r e d s ow a s t h ee f f e c to f n e tf l o wr e y n o l d sn u m b e r ( e e o ) ， b y t h eo b s e r v a t i o no fe x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , i t s h o w e dt h a tt h eo s c i n a t o r yp a r a m e t e r s 美岛a n ds th a ds t r o n gc o r r e l a t i o n 谤避t h ei n j e c t i o n d i s p e r s i o np e r f o r m a n c e 。p r o v e dw i t ht h em i x i n gm t eu s i n gp a r a m e t e r s 氛a n d 蜀s i t s h o w e d t h a tl a r g ea m p l i t u d ea n d 糙鎏f r e q u e n c yc o u l dg r e a t l ye n h a n c et h em i x i n g r a t e 。b u ta tl a r g e 鼗 t h er a t eo fa t t e n u a t i o na p p e a r st ob ei np e r i o d i cf l u c t u a t i o na tm er a n g eo fl o wf r e q u e n c y , s o t h e r em u s tb es o m eb e s tp a r t n e r s h i po fa m p l i t u d ea n df r e q u e n c y + 翟v h e nan e tf l o ww a s i n t r o d u c e d 。t h er e s u l ts e e m e dt ot a k eg r e a tc h a n g e s ，b a tt h et e n d e n c yi st h es a 嫦ea st h a t w i t h o u tn e tf l o w ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ni n j e c t i o nd i s p e r s i o nc h a r a c t e ra n dr e n r e d u c e sw i t h t h e o s c i l l a t o r yi n t e n s i t yi n c r e a s i n g t h e e x p e r i m e n t a ls t u d ys u g g e s t st h a to f v lr e a c t o r 嫱o u l dp r o v i d eh i 瘦e f f i c i e n t 鳝e 瑷i o r t d i s p e r s i o np e r f o r m a n c ew i t hg o o dc o n t r o l l a b i l i t y0 1 1t h em i x i n gi n t e n s i t y s oi t s h o u l da l s o s a t i s f yt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to ft h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nt h ei n j e e t i o nf l x e l tf o r p r o c e s s e s s u c ha sf l o c o u l a f i o n k e y w o r d s ：o s c i l l a t o r yf l o wm i x i n g , i n j e c t i o nd i s p e r s i o n ，j n h o m o g e n e o u sd e g r e e ，c o n c e n t r a t i o n 羲_ e l d s , o n l i n ed e t e c t i o n 第一章前言 第一章前言 有研究发现，由于流体在几何突变处会发生边界层分离并进而形成众多的旋涡，所以 流体在有沟槽或者挡板的管道中振动可以很有效的加强混合。为将此种新型的混合技术应 用于实际，众多的科学工作者在理论与实验上对其进行了深入而细致的研究。 1 9 8 8 年，h o w e s 研究了振荡流体在管壁上加有挡板的管道中的流动情况，发现可以得 到良好的涡流从而强化了混合过程。由此展开的进一步研究便衍生出了今日的振荡流混合 ( o s c i l l m o r yf l o wm i x i n g ，简称o f m ) 技术。近些年来，英国剑桥大学的m a c k l e y 等人和其 他一些科研人员对此技术进行了较全面的研究，其中包括管内流体的运动机理、几何结构 的优化、0 刚对传质与传热的增强、管内流体的停留时间分布以及注入扩散与絮凝等许 多方面。 鉴于目前絮凝在工业生产、污水处理等许多领域中的广泛应用，我们拟探索使用振荡 流混合技术作为新的有效絮凝方法应用于絮凝设备中。在振荡流反应器中通过调节振动的 振幅与频率，我们可以很方便的改变振荡强度，从而精确控制管内流体的混合程度与剪切 力的大小与分布，而这正是实现良好的絮凝所需要的。相对于传统的间歇式絮凝设备，振 荡流反应器即可进行分批式操作也可进行连续操作，且在设备的尺寸和处理量上更具优越 性，工业化后必将带来可观的经济效益与社会效益。 评价絮凝过程好坏的一个重要标准就是形成絮凝产物的沉降速度和絮凝产物颗粒的 大小，而根据先前的有关研究发现，振荡流反应器内的絮凝效果又和注入分散特性有着紧 密的联系。因此，我们以注入分散特性作为研究的出发点，为下一步的絮凝实验奠定基础。 由于实验装置的限制，国内对振荡流反应器的研究尚处于起步阶段。吴嘉和m a c k l e y 曾经对振荡流反应器中注入分散现象与絮凝做过实验研究，定性的将注入分散过程区分为 缓陧分散、中等程度的分散和快速分散，没能给出确定的数值关系。为此我们设计加工了 一套振荡流反应装置来做注入分散以及絮凝方面的研究。通过将注入分散实验与连续絮凝 实验相结合，希望能够找到有利于连续絮凝的最佳增大条件。李安实等人己在此装置上进 行了定量研究注入分散的初步实验，并提出了用图像的灰度方差值描述流场非均匀度的观 点，但由于采用非在线检测的数据采集方式，所获得的实验结果误差过大。考虑到数据的 精度和可信度，故无法获得最终规律性的描述。 本实验中采用由数码摄像头拍摄腔室内流体图像，计算机同步分析视频流数据来获取 流体图像灰度相对方差曲线的在线检测方式，对振荡流反应器的注入分散特性做了进一步 1 第一章前言 的研究。通过定量描述的实验结果，重点考察了振荡流特性参数：振荡雷诺数r 巳、净流 雷诺数地和n 准数对无净流和有净流注八分散特性的影响。 2 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 1 研究状况 研究表明，对处在管壁加有等间距挡板的管内流体施加外力产生轴向振荡时，当振幅 约为l 1 0 0 m m ，振荡频率约为o 5 1 5 h z 时就会产生所谓的振荡流混合，如图2 1 所示。 此时流体运动受到挡板的影响发生边界层分离从而产生漩涡，在整个管道内沿着管径方向 分布着这许多漩涡，且会在腔室范围内不停的漂移，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。 从上世纪8 0 年代开始，研究者们对振荡流场的混合 机理进行了广泛而深入的研究与探索，并构造了各种不同 的数学模型来解释实验现象。根据目前已被比较广接受的 理论描述，混合是通过两种方式来实现的：一是长程混合， 使得远距离的流体微团相互靠近：二是短程混合，使数个 流体微团尺度内的浓度均一化。 s o b e y 1 和h o w e s f z l 分别对有沟槽和有挡板管内的振荡 流进行了研究，进一步阐述了漩涡的产生是如何来加强混 2 1 场显形图 图振荡流反应器的流 合的。 振荡流特性可以用几个无因次量来表征：振荡雷诺数胄净流雷诺数丑岛和斯特劳 准数。五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。各 无因次量的定义如下： r e 。：2 ；, r f x o d p r e 。：业 “ s t = d ( 4 l r x 0 ) 其中：d 为管道的内直径，f h o 振荡的频率，u 为管内流体的表观流度，p 为流体的 密度，u 为流体粘度，蜘为振荡的平均增幅。 一般稳态流动中当雷诺数等于2 1 0 0 左右时出现轻微的湍流，而在振荡流中出现在r 等于5 0 1 0 0 时1 2 。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 3 第二章文献综述 振荡漉混合区分为两个范围：当r e 。 2 5 0 时，流场就发展为三维不对称p 1 ，实际上警r e 。大于2 0 0 0 时，已经是 完全滚滚了。 振荡流混合的一个显著特点就是通过改变振荡的频率与掇幅，或崭改变腔室的几何形 状，霹菹缀赣演懿整蒜l 混合獠发。这襻鼗妇藏霹越褥到 瑟广泛翡一个瀛合莛鬻，氍够轻 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，藏不能够得到同等_ 黻酌控籁。 2 1 1 混合效果的 i 歼究 一般说，姆毒溅个默上妁不均匀组分缝成鲍甥料馒之均质让的操作骼为混合。墩就 是对不均匀组分组成的物料加以适当的操作，使其各组份浓度成为均化的过程。对于混 合获惫，霹狱诀戈毒一般无法实瑰约疆想静竞会演会毒砭态与实际哥良逸刭弱，在统计豢义 上说的完全混合状态二种，实际工作中对混台的研究均是指统计意义上的混台状态。粒予 的混合梳理霹认为密穆羲混合f 粒子滚较大豹溪获移动餮换黥瓶理) 耪扩散混合 攀令粒子 渗入混合的机理) 所组成。 许多化工搡棒过程都褥益于懿好韵湿含，于是在这些_ i 童程中测邂混合静效率就臻得 非常熏要了。通常人们通过戏察物料均匀度随时闻的变化来确定混合的效率。对分批或操 作来说，混含效率就由混合时间来表示。对缭定的浓度场，达到一定均匀度所需的靖f 司就 表示混合毂效率1 4 j 。 以前的研究过程中，人们大多是用浓度计测出一系列点处的浓度值，然后根据遮些 数据窳菇诗浓度努京1 5 弱。这秘方法受窭j 毽撼浓疫毒辛瑟羧度等戆限制魄较大。蘧努透露袭 多测定均匀发的方法：有基于分离的强度与范围的 ，有基于浓度场变化的体1 1 9 ，还有是根 据熵的变纯聚确定的p o l 。掰裔这些方浚都需要了解整个流场，难免对瀛场产生干涉缝澎确， 因此缀难在实际中应用。另外，由于混合时间与起始条件，豕踪物质的扩散能力以及所参 照均匀度水平都有关系，这熬主观因索限制了不同的设备、方法所测定的混合行为的可眈 较性。 从混合过程的基本原理考虑，即流体的流动引起流体微豳的表面扩张，于是可得到另 一耱表示混台效率弱方法。豢不存鑫器嚣张力秘分子扩鼓对，“表瑟扩张”楚难一毂疑台 原理，并导致在陡峭的浓度梯度场中形成层状结构【j 。如果存在分子扩散，界面上的传质 就得到杰霜强，浓度梯凄藏会交褥乎毽。裰据流体费力学嚣理，分子扩散其莛在涯舍静最螽 4 苎三主查垫堡垒 阶段，当流体微团的表面积扩大了很多时，才会变得显著起来。所以我们可以假定，从总 体上来说，混合速率与界面处表面积扩张的速率紧密相关。研究混合过程中的这种非扩散 项，就需要l a g r a n g i a n 方法。虽然很久以前，科研人员就已经认识到了引入l a g r a n g i a n 分 析方法的必要性，但是直到最近才被受到重视1 2 。 这样就有两种表征混合程度的方法：运动分析法和浓度分析法。现在我们对这两种方 法进行说明与比较： 一、运动混合效率皿a g 陷n g 赴m 方法) 前面已经提过，如果不存在分子扩散，只能通过缩短组分之间的距离或增加界面的面 积来实现混合。其中一种方法就是l a g r 咖法：通过计算无穷小的流线或者界面扩张的 速度来表征混合速度1 3 。这种方法于1 9 8 6 年，被k h a k h a r 应用于粘性力占主导地位的流 体【14 ；1 9 9 5 年，r o b e r t s 和m a c k l e y 将它应用到惯性力占主导地位的流体上 1 2 1 。 局部的拉伸率可以定义为无限小的线性微元被流体拉伸变形的时间平均速率。这种模 型是k h a ! d a a r 在1 9 8 6 年建立的【”1 。一个与示踪粒子相对应的线性微元在局部流场中的对 流可由下述公式描述： 出1，、 - d 2 百”：n i 2 百叫r ( z , r , t ) 这仅仅说明了示踪颗粒随流体流动。在知道了局部流场后，可以计算线性微元的位置和长 度的指数增长。旋转速率为： 害= c o s zq ，- 誓+ s m 炉。s p ( 等一警 - s i n 2 妒等 c z 固 口的方向是逆时针方向。 线性元的瞬时指数拉伸率和自身长度无关，可表示为： 掣= c o s z t p 誓+ s m ”。s 妒( 詈+ 等 + s i n 2 妒等 c z 研出 l 却出j 加 平均指数拉伸率为： 啪了1f 挚 ( 2 4 ) 当时间t 足够长时，s ( o 会趋进一个常数，即渐进指数拉伸率，用s 。表示。 5 苎三主查苎堡兰 在速度场已知的情况下，可以用r u n g e - k u t t a 法求解( 1 ) 式，求得示踪粒子的位置。然 n n ( 2 ) 式和( 3 ) 式分别计算线性微元的方位和拉伸率。让后根据( 4 ) 式计算出平均指数拉伸 率。平均指数拉伸速率的值与时间步长无关。从而，当时间足够长的时候，可得到s 。 在整个研究区域内，计算出不同初始位置，和不同初始方位的粒子的s 。然后可得到 其体积平均值，这个值可以反应出振荡流场的混合好坏。 二、基于浓度的混合率 这种方法是用粒子示踪法来研究的，之所以在质量方程数值模拟中选择这种方法，是 因为它的计算强度小，并且不易发散”) 。为了考虑分子扩散的影响，这里的粒子对流应用 l a n g e v i n 方程来描述，即在方程( 1 ) 的右边加上一个随机项： 肭) = j _ 孟州r ) ( 2 5 ) 其中鲁o ) 是概率密度函数，它满足均值为0 的g a u s s i a n 分布，且在时间上线性无关。s c 为s c h m i d t 准数，定义为： s c ：丝一 ( 2 6 ) p d 。 值得注意的是，由于扩散是一个三维过程，因此粒子对流必须在三维的c a r t e s i a n 系统中进 行。在每一个时间步长开始时，将z - r 坐标系转换成c a r t e s i a n 系统下的x z 平面，其公式 可表示为： 譬：i 1 v ，( z f ) + 而 i2 面叫r ，f j + 而 罢 ( 2 7 ) 妾：去 o+z3vz(z，7,o ) 石2 百 0 在计算后，再将坐标系转换成原来的坐标系统。 在研究一个腔室中的粒子对流扩散情况时，k h a k h a r t l 川等人采用了以下方法：将一个 腔室划分为许多小的区域( 3 0 0 个) ，然后在一处注入大量的粒子( 1 0 0 0 0 个) ，根据方程( 7 ) 使 粒子对流。s c 的值取1 0 0 0 。这样就可以根据每个子区域中粒子的个数来大致确定浓度场 的分布情况。这种方法使得浓度变量能够计算和监测。 1 9 9 4 年，r i e l y 发现振荡流场中的浓度的非均匀度是指数递减的州： 晕磐：e x p ( - k 2 o 盯2 ( o ) 一 6 g _ - 章文献综述 其中盯2 ( f ) 是在某一时刻t 浓度场的非均匀度，d 2 ( 月) 是残留非均匀度，k 是混合系数。 这两种分析混合效率的方法，不是孤立的，而是相互联系的。根据m a c k l e y 和n e v e s s a r 6 v a 对两种方法进行了比较，发现s 。与k 有着直接的的联系。 从数值化的角度来说，运动扩张速率是一个容易计算但不容易用实验进行测量的量， 浓度的非均匀度则是比较容易测量，但是对注入与测量点的位置过于敏感。 2 1 1 2 对传热与传质的影响 m a c k l e y 等人的早期研究表明在加挡板管内的振荡流能够获得高的传热效率，这对吸 热或者放热反应来说是很重要的。这些试验是在固定s t = 0 6 4 的情况下进行的，研究表明 传热系数受胄影响很显著，而无挡板的振荡流则对传热影响甚微。从流场显形的图像推 断，此结果主要归结于加入挡板后流场模式的改变n 。 1 9 9 4 年，m a c k l e y ，s t o n e s t r e e t 对此进行了进一步深入研究。其实验使用水平安装的管 壳式换热器，壳层通冷却水，管内预热的通矿物油，通过热电偶测定入口和出口温度，获 得了不同净流雷诺数丑下以努塞尔数n u 表示的传热效率。 n u 。：h , d( 2 8 ) 式中d 为管内径，l l 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n 蚰。 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，实验结果如图2 2 所 示。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。在相同的频率和振幅乘积值 时，传热效率受振幅变化的影响很小。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 o 5 的情况下，都得到了一个相对很小的轴向返 混系数，由层流速度场而形成的那些负面影响也显著减小了。 总之，在振荡流中，返混系数对r 和的变化更为敏感，所以返混程度可以由振荡 强度控制口2 】 2 3 1 。在合适的条件下，流体会实现良好的局部混合，而反应器整体尺度上的轴 向返混却很小。 2 2 振荡流反应器的应用领域 振荡流反应器拥有的一系列突出优点已经被很多科学工作者所证实，并被作进一步深 入的研究以获得在实际的应用领域内的推广，下面就对振荡流反应器已经被开发或正在发 掘的部分应用领域做一下基本的介绍。 9 星三主查苎鉴查 2 2 1 在絮凝工艺上的应用 目前，絮凝工艺已被广泛应用于化学工业上的固液分离过程。具体的应用领域已涉 及到污水处理，工业选矿，油田开采等许多工业过程中。大多数的应用场合，都是采用对 悬浮液加入一定量的絮凝剂然后由混合装置处理的方式。 絮凝是指通过加入絮凝齐j 使得溶液中的固体小颗粒与絮凝剂相结合形成较大的絮团 颗粒，从而有利于实现物质分离的操作过程。现阶段工业上多数采用的是高分子聚合物 絮凝剂，一般为线形结构。这种絮凝剂是一种带有许多能吸附微粒的有效官能团的线状的 高分子化合物，高分子聚合物通过与粒子间的相互碰撞吸附，象一条长绳一样将许多粒子 吸附在一起，并通过架桥作用形成粒径较大的絮凝颗粒，从而加速沉降。由高分子聚合物 絮凝形成的絮凝颗粒沉降速度很快，但是絮凝颗粒的大小受到剪切梯度和最初加入絮凝剂 量的影响。一旦絮凝颗粒被打散，它将不能再重新形成。 一般反应器内的絮凝的整个过程可以分为以下几个部分 3 2 1 ： 1 、絮凝剂在溶液中的扩散： 2 、絮凝剂在粒子表面的吸附； 3 、粒子间的相互碰撞； 4 、相互碰撞粒子聚集成大块絮凝颗粒； 5 、在剪切力作用下絮凝颗粒的破裂。 其中絮凝剂的扩散、粒子的碰撞和絮凝颗粒的破裂均跟流体动力学直接相关，尤其是 混合效率和相应的剪切力大小与分布更是有着直接的联系。 传统的絮凝工艺中，混合是用搅拌槽来实现的，该方法存在很多不利于整体絮凝效果 提高的弊端。由于搅拌槽中剪切力分布不均匀，最大的剪切力分布在搅拌浆的顶部，使得 整个操作过程不容易控制，过程的重现性较差。尤其是由于剪切力分布不均匀，很容易造 成己成型的絮团在较高的剪切力的作用下发生破裂，而絮团一旦破裂就不能够再重新聚 结，从而导致整体絮凝效果不好。 s m e l l i e 和l a m e r 在1 9 5 8 年瞄】、l a m e r 和h e a l y 在1 9 6 3 年 2 6 1 进行的研究中发现： 絮凝剂在颗粒表面中等程度的吸附能够增大颗粒在碰撞过程中结合的概率，过量的吸附则 会防止絮凝颗粒的继续长大。因此，与吸附过程的速度相比，在絮凝操作中需要足够高的 混合速度，以避免在絮凝剂加入处的高浓度区域中出现颗粒对絮凝剂的过量吸附。但是如 果混合过于剧烈，反应器内所有位置的絮凝剂量都会很低，就会导致絮凝剂在颗粒表面吸 附不充分，也不利于絮凝的进行。这就要求在絮凝工艺中要将混合程度控制在一定范围内。 1 0 第二章文献综述 因此，一个性能良好的絮凝设备必须同时具备高效的混合效率与尽可能低的最大剪切 力l r 1 2 8 。而振荡流反应器的优点之一就是内部剪切力分布很均匀，最大剪切力比传统的搅 拌釜小得多，并且振荡流反应器的混合程度可以f l t # t 部的振荡条件来实现精确控制，【司此 操作起来很方便，并且可调节的范围也更为广泛。所以，将振荡流反应器应用于絮凝工艺， 一定会达到比使用传统装置更为良好的效果。 吴嘉和m a c k l e y 对振荡流反应器内的絮凝过程进行了一些实验研究，结果发现评价絮 凝过程的两个重要参数( 絮凝产物粒径和沉降速度) 都与振荡条件有直接关系，因此可通过 调节振荡参数来对此两点因素进行优化以达到最佳的絮凝效果。其实验中得到的絮凝物粒 径是原始粒子粒径的4 0 倍，絮凝物沉降初速度是原始粒子沉降初速度的2 6 倍，如此显著 的增幅说明振荡流混合确实能够达到良好的絮凝效果。 2 2 2 在颗粒的悬浮与分离上的应用 一些化工单元操作中常常需要将颗粒悬浮于反应体系内以获得充分的相接触界面和 良好的传质传热效果，如催化反应中的催化剂悬浮和生化反应中细胞的悬浮等。传统的操 作过程都是使用搅拌釜或流化床来实现的，m a c k l e y 等人于1 9 9 3 年时发现在加有挡板的 管式反应器内的振荡流也可以实现颗粒的悬浮t 2 9 j 。 流体在管内流动，遇到腔室之间的挡板时就会产生旋涡，于是带动颗粒随之在腔室内 运动，当粒子运动速度足够大时就能克服重力的影响而悬浮于流体内。 m a c l d e y 等人发现在垂直放置的振荡流反应器内，在一定程度稳定的振荡条件下，沿 管径方向存在着颗粒的浓度分布。如果颗粒的密度比流体主体的密度大，柱体下面颗粒的 浓度最大。当振幅或者频率很小时，颗粒浓度随高度的增加迅速降低；随着振动的加强， 颗粒悬浮的程度也得到加强；当振动强度很高时，颗粒在整个柱体内的浓度就基本上是均 匀的了。总体上来说，颗粒的悬浮是由振荡流的振幅和频率决定的。下图是用不同频率下 l m d p e 在不同高度腔室中的分布，从中我们可以看到这一点。 第二章文献综述 2 5 0 2 帕o 1 5 0 1 0 0 5 0 0 图2 3振荡频率对颗粒悬浮的影响 对于振荡流反应器中的粒子浓度分布可以用数学公式来描述： 研阳触。咖：三鱼 您，0 c f 州口f f o ：r oscillatoryv 。 屹，。h d v 。删是在静置状态下固体颗粒的最终沉降速度可以在实验测得。 v 刚i 】帅是振荡状态下的速度，定义为： p 矗m 。= 2 x f 毛 固体颗粒在相邻两个腔室的浓度比为： v ：三吐 从而可以得出： 鱼：v 方程两边求对数得到： n 却棚h v 为一实验常数，根据实验数据可以拟和为： 川一p 一r 等) 1 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 鲁董七nio；qu鲁z 第二章文献缘逸 其中n 是腔室的排列次序，由底部腔室往上依次递增，晟下面的腔室编号为l ，顶部 黪袈哭n 。 与混合攥佟懿遗撰稿对懿，对诲多诧王进程来巍，查委嚣将不趸缝分静翰袋敲菜一混合 体系中分离出来也粮重要。 m a e l d e y 等久1 2 8 1 薅藏 魏散了研究：匏稍发现在髹荡流弱中，颗粒静悬浮敬决予溉台体 系中由于漩涡引起的混合与颗粒在蘸力作用下的沉降这两个作用之间达到平衡时的状态。 不同密度或体积的颗粒在校体内有着不同的沉降速威，当与振荡流混合达至平衡时就会沿 管粳方超产生浓度分布，根据这种分毒我们城可以将不同的组分进行分蛮。当颞粒誊盎径或 者密度差别很大时，这种方法尤其商效。此方法的腧限性在于获得的分离物纯度有限，不 能够缛到裹缝褒约产瑟，嚣j 迦可以在黠产瑟缝度要求不裹懿工翌过程中餐裂缝廷，魏工韭 选硝“等。 振荡滚爱应器程分离工程上酌努一项臻震，帮过滤，逡蠲稃弓l 怒了诲多耩究a 受的兴 趣。1 9 9 3 年，w i n z l e r 和b e l f o r t t 4 1 】发现用利用振动的流体可以加强过滤。f i n n i g a n h o w e l l 3 0 】 发现在壁丽上加挡授并对流体施盍日外力产生振动后，可以增大过滤常数，不过实验咿发现 只商在壁面上加挡板时可以傲到这一点。 1 9 9 4 年，m a c l d e y 和s h e r m a n 荆硝一种标准颗粒怒浮液对微量过滤过程谶行了研究 3 1 1 ， 发璎管内蠢挡叛戆强荡滚可殴爨过滤躲逶量提毫约嫠。媳们熬磅炎结果袭甥，扳蕊渡对 过滤的加强主要是因为流体的回刷作用。在此作用下，滤饼被不断的带走。漩涡所引起的 混合霹过滤递量羁滤饼结麴瓣影穗稷枣。 前面已经提到，振荡流w 以提高壁面的传质系数。1 9 9 5 年，m i l l w a r d 将此作用戚用于 盘液翡过滤过程瑟2 l ，发现掰茈方法w 戬籍纛液豌过滤遥量怒嵩3 4 倍。 2 。2 3 对爱应器的优化设计 基于过去已经展开豹对振荡濂漫合表骥出来豹特殊性壤进雩亍麴深入磅究，我们已经 知道振荡流混合反应器具有近似平推流的停留时间分布和很低的轴向分散，优于普通管式 反盛器獒簧热与抟臻牲藐，霹戳实璐嵩效懿湿合摄黪等，这擅蘧点郝涯鹤7 哥疆嗣寒瓣理 有的许多化工设备进行优化。 飘一魑稽关翡文献中，我们已经知遂羧荡流弱辩液一液萃取过程1 3 3 】渊穰有努娥，振 荡流混合又可以使颗粒悬浮，这对多相反应体系，如有催化荆的反威，悬浮浆合反应等都 菲常有莉的，敢可取代原来的反应装置来实现过程的优化控铡。 1 3 第二章文献综述 在对混合特性的进一步探索中，研究者使用了振荡流混合反应器来进行了大量的化学 反应过程的研究。例如：使用振荡流反应器来进行悬浮聚合反应卯，可精确控制单体颗 粒的粉碎从而控制最终聚合物的尺寸分布：其他的研究还包括需要很高传热效率和提供高 效固体颗粒悬浮的三相湿氧化反应1 和单相的羟基反应7 1 等。所有的这些系统应用都获 得了成功并且展现出了优于传统搅拌槽式反应器的特性。不过目前已进行的都是按批处理 方式工作的，有关振荡流反应器在连续操作中的应用正在研究之中，但有理由相信在此方 面也将会有很大的优越性。 图2 7 展示了如何将传统的分批式反应器优化为连续操作的振荡流反应器的方法。在 振荡流混合反应器中通过物料置换的方式叠加固定的出料量，就获得了一定的连续处理能 力。以这种方式工作的振荡流反应器有一个特殊的性能，管内的每个腔室都以近似于搅拌 槽的方式工作，因此沿管径方向总体的混合就是这些离散混合单元混合结果的累积。例如， 图中的振荡流反应器是由6 0 个离散的混合单元组成的，这意味着此管子将近似于平推流 反应器，因此反应器的体积也将缩小。如果一个批处理过程中反应时间仅占2 5 的话，那 么以连续处理方式工作的振荡流反应器在相同的产量下将缩小近4 倍的体积。此外，由于 混合是由振荡条件控制的，振荡流反应器既有批处理的强化效果，同时又有管式反应器的 长停留时间( 通常以小时计) 且无需达到这类反应器通常必要的高流速要求。 图2 7 用o f m 对分批式操作进行优化 1 4 第三章实验装置 第三章实验装置 3 1 实验装置设计的依据 二挡板的位置 挡板位置不同主要有两种情况：在壁面上加挡板和在管道中心加挡板( c o l m a n 和 m i t c h e l l 1 9 9 0 ：f i n n i g a n 和h o w e l l ，1 9 8 9 ) ，如图3 1 所示： 厂 i i 田 图3 1o f m 腔室及挡板结构 图3 1 中，左图是壁面加挡板的情况，挡板与管道的内壁面相连，挡板中间开孔，流 体从中间开孔处通过。右图是中心加挡板的情况，挡板放在管道中心处，流体从挡板与管 道之间流过。 1 9 9 1 年，m a c k l e y 对在壁面上和在管柱中一b 加挡板两种情况进行了比较，发现在壁 面上加挡板比在管柱中心加挡板所造成的整体混合效果好。据此，在本实验装置中我们选 择在壁面处添加挡板。 二、腔室结构 b r o n o l d 在1 9 8 9 年所做的研究发现：当腔室长度为管径的1 5 倍时，管径收缩率为 0 1 5 - 4 ) 6 时，在每个腔室内部能够实现良好的混合。在此实验中我们选择管径的收缩率为 o 5 ，即d = 0 5 d ，d 为开口直径，d 为管道直径。 三、管径材料 为了直接观察和摄像流体图像，管柱需要采用透明材料。最常用的透明材料就是玻璃， 而普通的无机玻璃容易破碎，所以采用强度、韧性都比较好的有机玻璃。 1 5 第三章实验装置 3 2 实验装置的建立 我们参考英国剑桥大学的m a c k l e y 等人所设计的振荡流反应器实验装置，再综合考 虑篱攀经济积荔子掭装麓霾豢，建立了本套实验装置，蠡盈3 2 繇示。 原参考黻置的起振部分鼹由偏心圆柱推动顶杆及活塞往上运动的，到达上方后由弹 簧推动活塞将项秆顶在偏心柱上面。在振幅魄较小时，振动情况 e 较涎睁，稳是当振襁比 较大时，由于惯性和撵簧弹性系数的限制，顶楞不能够及时复位，使褥振动的糠定性变得 很差。因此本装置使阁偏，心轮代替了原来的德心圆柱，并用橡胶膜片代替了活塞，这样就 惩凌了以翦在大振幅时顶抒不及时恢复的闻题，蠢虽不会瘁擦管壁，减小了阻力，有利 于设备的保养。 1 进料储罐2 ，进料泵3 变颡电机4 落料日5 橡胶片6 编心轮7 顶秆 8 艘射器9 。注入口1 0 穗像头 11 光：2 嚆1 2 出料口1 3 注入分散孔1 4 白扳 图3 2实验裟嚣流程示意图 熬个结构可班分为起振部分、葳应部分和图像采集三部分； 起振部分主要出变频电机( 接变频器) 、传动板、偏心板、顶杆、橡皮片等组成。用以 产生可调节频率和振幅的振动，并将振动传递到流体，以产生振荡。偏心板扛等角度的开 6 第三章实验装置 有6 对偏心孔，偏心距分别为：0 5 、1 、1 5 、2 、3 、5 m m 。由变频器开动电机后，传动轮 带动偏心轮旋转，偏心轮带动顶杆上下做往复运动，这样项杆就会不停的将橡胶膜片推上 拉下，从而引起流体的振荡，选择不同的偏心孑l 可以获得不同的振幅。为了获得更多的振 幅，可以拆换偏心板。 反应部分主要由顶部、底部腔室和中间的有机玻璃腔室等组成。顶部和底部腔室由不 锈钢制造，在上面可以方便的安置进料口、出料口以及其他必要的接口。有机玻璃腔室 被挡板分隔成1 2 个腔室。每个腔室高度为7 5 m m ，有机玻璃管的内径为5 0 m m 。挡板的构 造如图3 _ 3 所示，挡板套在四根2 m m 粗的钢丝上，用等长度的p v c 管将它们分割开来， 挡板中间开孔率为0 5 。 图3 3 装置中的腔室结构 图像采集部分由数码摄像头、白板、光源以及运行图像采集与处理软件的计算机系统 组成。为了使实验有较好的可重复性，使用2 0 0 w 白炽灯做光源照亮反应器后方的白板， 此外还应该尽量减少外界环境光源对摄像的影响，适度的补偿可在图像处理软件中进行。 摄像头应固定安装在放置于地面的支架上，以尽量避免电机振动的影响。调整其位置和焦 距使反应器的注入腔室可以占据采集图像的主要视野，在之后的实验过程中应尽可能保持 该位置不动，以保证采集区域的一致而减小实验误差。 1 7 第四章实验过程与方法 第四章实验过程与方法 4 1 实验设备的标定 在进行实验之前必须先对可能影响实验结果的有关装置和设备进行标定，以获得较高 的准确性。 1 - 偏心孔对应管内流体平均振幅嘶) 的标定 通过旋转调节偏心板的位置，测量管内液柱高度变化的最大值，该值的一半即为管内 流体的平均振幅) 。测量所得结果列于表4 1 表4 1 管内流体平均增幅标定值 孑l 编号孔的偏心距 管内平均振幅( m m ) 1 #34 3 2 #57 2 3 #0 5o 7 5 4 #11 5 5 #1 52 7 6 #23 4 2 b t 0 0 - 3 0 0 m 蠕动泵配1 8 # 软管的流量标定 将蠕动泵调至某一固定读数后，用秒表测量蠕动泵流出的一定体积的水所需的时间， 换算成体积流量列于表4 2 。 表4 2b t 0 0 3 0 0 m 蠕动泵配18 # 软管的流量标定值 1 面板读数i1 0i 4 0 l 7 0 i 1 0 0 i 1 2 0 i 1 5 0 l 1 8 0 l 2 0 0 l 2 3 0 i 2 6 0 l l 流量( m l s ) io 5 0l 1 9 8 l 3 5 6 l 5 4 7 l 6 7 5 i 8 6 2 i 1 1 5 l 1 2 2 i 1 3 4 i 1 4 6 i 1 6 “ 1 2 1 0 b 枷e 螺 2 0 01 0 0 2 2 3 0 d 面板读数 图4 1b t 0 0 - 3 0 0 m 蠕动泵面板读数和流量关系图 1 8 第四章实验过程与方法 为方便计算有净流量实验时的净流雷诺数，通过直线拟台可得反应器内的表观速度 拈等叫s ) = 0 5 0 9 3 y = 0 0 3 0 5 删5 1 6 9 ( 越1 ) 4 式中y 为体积流量为面板读数，d = 0 0 5 m 3 变频电机转速的标定 o51 d1 52 02 5 3 03 5 变频器显示频率( h z ) 图4 2 变频器频率读数与变频电机转速关系图 所得结果如图4 2 所示，由图可见变频器工作性能良好，变频器面板显示的频率为电 动机实际转动频率的3 倍，即显示频率值的l 3 就是流体的振动频率f 。 4 2 实验条件 一注入示踪溶液的配置 所用示踪剂必须颜色鲜艳、对设备本身没有腐蚀性，并且具有光稳定性，经过试验考 查，我们决定选用有机染料直接耐晒兰0 3 2 r l ) 的水溶液。称取1 0 9b 2 r l 溶解于水，配成 10 0 0 m l 的溶液，得到1 ( g m i ) 浓度的示踪溶液。 二数码摄像头视频设置 摄像头视频源的设置直接影响到实验结果的准确度，在兼顾考虑计算机的处理能力 后，设置成：帧率为3 0 f s ；光圈取消自动，快门速度1 1 0 0 s e e ；白平衡为自动：分辨率为 3 2 0 2 4 0 ：像素深度为r g b 2 4 。 1 9 m 啪 舌 枷 | | 毫 借 。 一ludj一瑙辑暴蒋印 第磷津实验过程与方法 4 3 实验步骤 4 3 1 无净流量的注入分散实验 ( i ) 选取一对编心毳采圆定叛褥参数；孰彳亍鬻豫采集程序o f m s y s 并抒开褫鞭霰 览功能，调节好灯光和摄像头后，用区域选取工具在视频预览区选取合适的分 析区域； ( 2 ) 开痿进拳违蠕动泵向反应嚣内注入融来水，开启动变频器选取某一频率，让魄机 稳定运转，待系统稳定且管内无残留染料后将迸料泵关闭； ( 3 ) y f 窝o f m s y s 孛的注入分数实验图像采集塞口，点击记聚接镊；在弹出救实 验条件对话框中输入此次嶷验的必要参数，如振懈、频率、密度、粘度、袭观 流速等，按确定结索。 ( 4 ) 用注射器吸取1 r n l1 ( g m 1 ) 浓度的示踪剂溶液在1 秒钟内注入反膨器，此时程 序自动开始图像采集和楚疆，实辩显示分析区域鹣灰度方蕤变托灏线； ( 5 ) 特曲线走囊一段时间，也即整个腔嶷颜色均一后停止图像采集，保襻实验数据。 麓复步骤( 2 ) ( 5 ) ，在o 5 1 0 h z 友右的范围内调节变频器频率，进行不同频率参数条 徉下转实验。本实验鼹用稼心轮上共6 对鲍镳心孑l 裁分烈进行了以上实验。 4 。3 。2 褰净浚羹熬蓬入分数实验 ( 1 ) 选取一对偏一t l , 孔来固定振幅参数；执行圈像采集糕序o f m s y s 并打开视频预 笕功能，调节爵灯先帮摄像头后，溺区域选取工熬在凌颓颈览区遥敬合适的分 析区域； ( 2 ) 打开迸料蠕动泵并调节至一定流爨向反成器内输入水，启动变频器选取某一频 搴，谴电规稳定运转，德系统稳定且管内无残髫疑料后继续下