（流体机械及工程专业论文）浸没循环撞击流反应器的压力波动及混合特性研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 浸没循环撞击流反应器的压力波动及混合特性研究 摘要 在浸没循环撞击流反应器( s u b m e r g e dc i r c u l a t i v ei m p i n g i n gs t r e a mr e a c t o r , 简 称s c i s r ) 内，通过两股高速相向流动的流体强烈对撞，产生压力波动强化传热传 质，从而达到促进物料的均匀混合，加速化学反应的目的。 s c l s r 能够有优越的混合及反应性能，在于相向流动的流体之间发生强烈的 相互作用。本论文是国家自然科学基金资助的“浸没循环撞击流反应器中的波动 特性、微观混合及其影响”课题中的一部分工作。主要通过实验掌握s c l s r 中的 压力波动特性，分析压力波动产生原因并研究压力波动对混合特性的促进作用。 为掌握反应器中的压力波动特性，使用高精度压力探头建立数据采集系统， 并应用自主开发的数据采集辅助软件对反应器中的压力波动进行了测量，得到反 应器中不同操作条件下的压力波动信号。以压力波动均方差为强度尺度，研究了 反应器中压力波动强度的空间分布，结果显示压力波动强烈区在空间的分布呈两 个中空的对置圆锥台形，锥台表面附近的压力波动强度最大。压力波动强烈区关 于撞击面镜象对称，并近似具有轴对称性。反应器内各点的压力波动强度及波动 积分强度都随撞击速度的增大而增大。根据测量得到的压力波动分布数据拟合出 了压力波动强度空间分布的数学表达式。 使用f o u r i e r 变换，得到压力波动在频域上的功率谱，主要的波动功率峰集中 在1 0 0 0 h z 之下，其余频率的功率较弱。在相同撞击速度下，反应器内不同位置点 的功率谱不同。随撞击速度的增大，各频率的波动强度同时随之增大，主频率范 围也随之提高。 为进一步了解波动信号在频率域上的特性，使用小波分析方法对压力波动信 号进行分解，得到压力波动在不同频率尺度上的能量分量。各频率尺度波动能量 在空间分布的形状不同：沿导流筒壁流出的流体在导流筒出口处产生的压力波动 频率范围为5 8 6 9 3 7 5 h z ；主流体流动方向改变产生的压力波动频率范围为3 7 5 8 6 h z ；撞击面附近产生的压力波动频率范围为0 4 6 1 - i z 3 7 h z 。波动能量体积积 分表明主流体流动方向改变产生的波动强度最大。 为研究粘度对压力波动强度的影响，使用不同浓度的甘油水溶液为工质，测 东北大学博士学位论文摘要 量了不同操作条件下的压力波动。结果表明工质粘度对压力波动强度有显著影响， 各点压力波动强度随粘度增加而减小，波动强度积分随粘度增加而减小，在本实 验中粘度大于6 2 x 1 0 - 3 p a s 时，总波动强度随撞击速度的改变很小。粘度较低时， 压力波动的空间分布与以水为工质时基本相同，粘度大于6 2 1 f f 3 p a s 时，反应器 中压力波动强度分布趋于平均，没有明显的压力波动强烈区域。 为研究压力波动与流场之间的关系，使用计算流体力学软件对s c i s r 中流场 进行了模拟计算，得出了不同操作条件下及反应器中的速度场和压力场。计算出 的压力场与实验结果基本一致。计算出的有效能量消耗随撞击速度增大而增加。 根据撞击区速度分布与压力波动分布的比较，分析出压力波动产生的原因是撞击 的流体具有较高的流速以及流体中存在速度梯度或速度方向的突然改变。 为了解反应器中的混合状况，使用电导脉冲响应法进行了测量。结果显示反 应器中的宏观混合时间随撞击速度的增大而减小。加入的电解质经过两次循环流 动，就可以达到充分的宏观混合。电导实验的结果证明混合主要发生在两导流筒 出口面之间的区域内，也就是压力波动强烈区所在的区域，而其它区域为非混合 区。 根据动能与压力能之间的关系，推导出压力波动与速度脉动之间的关系。根 据速度脉动促进物质交换的机理，建立了速度脉动促进传质的模型。脉动速度直 接影响流体中的对流传质系数。 使用能谱分析法得出了惯性子区对应的频率范围及波数范围，通过求得 k o l m o g o r o f f 长度，计算出了以水为工质时的微观混合时间。计算结果与相同尺寸 反应器中实验测量得到的微观混合时间符合较好。 通过本文的实验及理论研究，对s c i s r 中压力波动的分布状况有了全面的掌 握，确定了压力波动产生与速度场之间的关系，建立了压力波动促进混合机理的 模型，得到了关联压力波动与微观混合的方法。为s c i s r 具有良好的混合特性给 出了更深入的解释。 关键词：撞击流；反应器；压力波动；数值模拟：混合；能谱；小波分析 i i i 东北大学博士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dm i x i n gp r o p e r t yi n s u b m e r g e d c i r c u l a t i v ei m p i n g i n gs t r e a mr e a c t o r a b s t r a c t i ns u b m e r g ec i r c u l a t i o ni m p i n g i n gs t r e a mr e a c t o r ( s c i s r ) ，t h ei m p i n g i n go ft w o s t r e a m sf l o wa g a i n s to n ea n o t h e ro nh i g hv e l o c i t yg e n e r a t e sp r e s s u r ef l u c t u a t i o n t h e w e a s m m ef l u c t u a t i o ns t r e n g t h e n sh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r , a n dr e s u l ti np r o m o t i n g o fm i x t u r ea n da c c e l e r a t i n go fc h e m i c a lr e a c t i o n t h i st h e s i si sa p a r tw o r ko ft h e f o u n d a t i o ni t e m - t h ee f f e c to ff l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dm i c r om i x i n gi ns c i s r ， w h i c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h ec e n t r a l w o r ki nt h i st h e s i si s m a s t e r i n gt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c i ns c i s a n a l y z i n gt h eg e n e r a t i o no fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dr e s e a r c h i n gh o wd o e sp r e s s u r e f l u c t u a t i o np r o m o t em i x t u r e i no r d e rt om a s t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni ns c i s r , p r e a s u r e s i g n a l sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n sa l em e 弱u r e db yt h eh i g hp r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e ma n dt h es i g n a l sa r em a n a g e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o na s s i s t a n c es o f t w a r e d e v e l o p e db yt h ea u t h o r t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so fp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n t e n s i t ya r e a c q u i r e dw i t hq u a d r a t i cm e a nd e v i a t i o ne m p l o y e da sf l u c t u a t i o ni n t e n s i t y t h e d i s t r i b u t i o n ss h o w st h a tt h ei n t e n s er e g i o nd i s t r i b u t i o nt a k e st h ef o r mo fac o u p l e t r u n c a t e dc o n e sw i t he m p t y 他a n dt h es t r o n g e s ti n t e n s i t yp o i n t sl o c a t eo nt h es u r f a c e o ft h ec o n e s t h ei n t e n s i t yf l u c t u a t i o nr e g i o ni ss y m m e 仃i c a lw i t hr e s p e c tt ot h e i m p i n g e m e n tp l a n e ，a n dt h er e g i o ni se s s e n t i a l l ys y m m e t r i c a la b o u tt h ef l o wa x i s t h e p r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n t e n s i t yo na l lp o i n t sa n dt h ei n t e g r a li n t e n s i t yb o t hi n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo fi m p i n g i n gv e l o c i t y b a s eo nt h ee x p e r i m e n td a t a , t h em a t h e m a t i c e x p r e s s i o nf o rf l u c t u a t i o ni n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n si sa c q u i r e d t h ep o w e rs p e c t r u m so nf r e q u e n c yd o m a i nc a l c u l a t e db yf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n s h o wt h a tt h ef l u c t u a t i o ni sr e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e di nt h er a n g eb e n e a t h1 0 0 0h z w i t h w e a kp e e k so no t h e rr a n g e t h ep o w e rs p e c t r a ld i s t r i b u t i o no l lf r e q u e n c yd o m a i nv a r i e s 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t a td i f f e r e n tp o s i t i o n , a n dt h ef l u c t u a t i o ni n t e n s i t yo nd i f f e r e n tf r e q u e n c ya n dt h ec r i t i c a l f r e q u e n c yb o t hi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fi m p i n g i n gv e l o c i t y i no r d e rt or e v e a lm o r ec h a r a c t e r i s t i co ff l u c t u a t i o ns i g n a lo nf r e q u e n c yd o m a i n ， w a v e l e ta n a l y s e si su s e dt od e c o m p o s et h es i g n a l st og e te n e r g yc o m p o n e n to nd i f f e r e n t f r e q u e n c ys c a l e b ya n a l y s e st h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ff l u c t u a t i o ne n e r g yo nd i f f e r e n t f r e q u e n c i e ss c a l e ，t h r e ef r e q u e n c yr a n g e sa r ea c q u i r e d t h ef r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o n g e n e r a t e db yt h ef l u i df l o wa l o n gt h ee d g eo ft h ed r a w i n gt u b ei sr a n g e df r o m5 8 6t o 9 3 7 5h z t h ef r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o ng e n e r a t e db yt h ec h a n g eo fm a i nf l o w s d i r e c t i o ni sr a n g e df r o m3 7t o5 8 6h z t h ef r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o ng e n e r a t e db yt h e v i b r a t i o no ni m p i n g e m e n t sp l a n ei sr a n g e df r o m0 4 6t o3 7h z a m o n gt h e s er a n g e s t h ef l u c t u a t i o ng e n e r a t e db ym a i nf l o wp r o d u c e st h es u o n g e s ti n t e n s i t y , a n di ti n c r e a s e f l e e t l yw i t h t h ei n c r e a s eo fi m p i n g i n gv e l o c i t y d u r i n gf l o w i n gf r o md r a w i n gt u b et ot h e i m p i n g e m e n tp l a n e ，t h ed o m i n a n tf r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o nd e s c e n d s t o e x p l o r e t h ei n f l u e n c eo f v i s c o s i t y o n p r e s s u r ef l u c t u a t i o n , d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fg l y c e r i n - w a t e rs o l u t i o n sa r eu s e da sw o r k i n gf l u i da n dt h ep r e s s u r e f l u c t u a t i o ns i g n a l so nd i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e do fp r o p e l l e ra r em e a s u r e d t h er e s u l t s h o w st h a tv i s c o s i t yh a sn o t a b l ei n f l u e n c eo np r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n t e n s i t y ，t h ei n t e n s i t y d e c r e a s e sb yt h ei n c r e a s eo fv i s c o s i t y t h ei n t e g r a li n t e n s i t yh a so n l ys m a l lc h a n g ew i t h t h ec h a n g eo fr o t a t i o ns p e e do fp r o p e l l e rw h e nv i s c o s i t yi sg r e a t e rt h a n6 2x1 0 - 3p a s i no r d e rt o e x p l o r e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u c t u a t i o na n df l o wf i e l d , c o m p u t a t i o n a lf l u i dm e c h a n i c ss o f t w a r ei su s e dt oc o m p u t et h ef i e l do ff l o wi ns c i s r t h ev e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r ef i e l do nd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o na r ec a l c u l a t e d ，a n d t h ee f f e c t i v ee n e r g yi nt h er e a c t o ri s c a l c u l a t e d b yt h ec o m p a r i s o no fv e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n t e n s i t yd i s t r i b u t i v eo ni m p i n g i n gz o n e ，t h e g e n e r a t i o no fp r e s s u r ef l u c t u a t i o nm u s tf i tt w oc o n d i t i o n s ，t h ef i r s ti sh i g hv e l o c i t yo f f l o w , a n dt h es e c o n di sh i i g hv e l o c i t yg r a d i e n ti nf l u i do rt h er a p i dc h a n g eo fv e l o c i t y d i r e c t i o n t h ec o n d u c t a n c ei m p u l s er e s p o n s em e t h o di se m p l o y e dt om e a s u r et h em i x t u r e p r o p e r t yo ft h er e a c t o r r e s u l t ss h o wt h a tt h em a c r om i x i n gt i m ed e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fi m p i n g i n gv e l o c i t ya n dt h ei n j e c t e de l e c t r o l y t ec a nr e a c hs u f f i c i e n tm a c r o v 东北大学博士学位论文a b s t r a c t m i x i n gi nt w oc i r c u l a t i o n s t h er e s u l t so fc o n d u c t a n c ee x p e r i m e n tp r o v et h a tm i x t u r e m o s t l yo c x a i r si nr e g i o nb e t w e e nt w od r a w i n gt u b e s ，i e t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n t e n s e z o n e ，a n dt h eo t h e rr e , o ni nt h er e a c t o ri sn o - m i x t u r er e g i o n 。b a s eo nt h em e c h a n i c a l e n e r g yc o n v e r s a t i o no fk i n e t i ce n e r g ya n dp r e s s u r ee n e r g y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dv e l o c i t yf l u c t u a t i o ni sd e d u c e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m t h a tv e l o c i t yf l u c t u a t i o np r o m o t i n gm a s se x c h a n g i n g , t h em o d e li sb u i l tt od e s c r i b et h e p r o m o t i n go fv e l o c i t yf l u c t u a t i o nt om a s st r a n s f e r t h e f r e q u e n c yr a n g ea n d w a v e - n u m b e r r a n g eo fi n e r t i as u ba r e aa r eg o t t e nb yu s i n ge n e r g ys p e c t r o m e t r ya n a l y z e ， m i c r om i x i n gt i m ei sc a l c u l a t e d t h er e s u l to fm i c r om i x i n gt i m ei sc o n s i s t e n tw i t ht h a t m e a s u r e de x p e r i m e n t a l l yi nt h es a m es i z er e a c t o r b yt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o ni nt h i st h e s i s ，t h ed i s t r i b u t i o no f p r e s s u r ef l u c t u a t i o ni ns c i s ri sw e l lm a s t e r e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e n e r a t i o no f p r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dv e l o c i t yf i e l di sd e t e r m i n e ，t h em o d e lo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n p r o m o t i n gm i x t u r ei se s t a b l i s h e da n dt h em e a n st oa s s o c i a t i n gp r e s s u r ef l u c t u a t i o nw i t h m i c r om i x i n gi sa c q u i r e d d e e p e re x p l a n a t i o ni sg i v e nt ot h eg o o dm i x i n gp r o p e r t yi n s c i s r k e yw o r d s ：i n l p i n g 吨s t r e a m ，r e a c t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i x i n g , e n e r g ys p e c t r o m e t r y , w a v e l e ta n a l y z e v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：兰受许当 日 期：7 1 护7 、了f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：彳- 怦刍 日 期：- z 多f ，g # t 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学住论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 本课题是国家自然科学基金资助项目浸没循环撞击流反应器中的波动特性、 微观混合及其影响( 2 0 1 7 6 0 4 3 ) 中的部分工作。浸没循环撞击流反应器( s u b m e r g e d c i r c u l a t i v ei m p i n g i n gs t r e a mr f , a g l o r , 简记为s c i s r ) 1 1 l 在反应一沉淀法制备超细粉体 等多项实验研究中显示出优越的性能。 撞击流反应器利用两股流体相向运动产生的强烈撞击，从而促进传递及反应 过程的强化。浸没循环撞击流反应器是指反应器浸没在液体中，两股相向流动的 流体为液体。在该反应器内两股液体相撞击，在撞击过程中流体产生强烈的相互 作用，相互作用的宏观表现之一就是压力波动。压力波动的存在说明至少部分液 体流团或分子改变了运动方式，这种运动方式的变化将促进混合的进行；既然发 生了波动，就必然发生了能量转换，而能量的转换有可能改变分子能量分布而对 反应动力学产生促进。因此，压力波动与反应器中的能量消耗、流团运动方式和 混合效果都有密切的关系。所以，研究压力波动对于深入了解撞击流的特性有重 要意义。 研究压力波动首先需要通过实验掌握反应器中压力波动的特性，包括压力波 动强度、压力波动强度的空间分布及压力波动的频率特征等。撞击速度是重要的 操作条件，粘度是重要的物性，研究它们对压力波动的影响是有意义的。 压力波动与流体的流动密切相关，压力波动的产生过程实质上是一个能量转 换的过程。所以研究压力波动与流场及能量消耗之间的关系有助于掌握压力波动 产生的条件及能量转换的特征。 反应器的重要特性之一就是其混合特性，包括宏观混合特性和微观混合特性。 作为反应器，首先需要为反应物提供充分的接触机会，只有在宏观混合及微观混 合都充分的情况下，参加反应的分子才能够有足够机会接触并进行反应。研究反 应器中混合区域的分布以及混合效果随操作条件的变化是必要的。压力波动与脉 动速度必然存在联系，而速度脉动又将促进混合过程。通过研究机理分析压力波 动如何影响混合效果，建立压力波动与混合效果之间的联系对于反应器的设计及 1 东北大学博士学位论文第1 章绪论 应用有实际价值。 本课题在实验及理论方面的研究有助于加深对s c i s r 中压力波动的认识，并 更好地理解反应器中压力波动与混合之间的关系。课题的研究有以下意义： 在理论方面阐明s c i s r 中压力波动产生的原因、分布特性及影响因素；明确 s c i s r 中的混合特性及影响因素，分析压力波动促进混合的机理，建立压力波动 与混合之间的关系。 在实际应用中：对于在分子尺度上进行的液相或以液体为连续相的多相过程， 压力波动和微观混合有重大的促进影响。因此，本研究为分析s c i s r 的反应效果， 确定混合和反应的最优操作条件提供了理论基础，具有重要的应用价值。 1 2 撞击流理论及其应用 1 2 1 撞击流的历史、基本原理及特点 撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m s ，简记为i s l 的概念于1 9 6 1 年首先由e l p e r i n l 2 1 提出。 从那时起到2 0 世纪9 0 年代中期，有关i s 的研究主要集中在强化相间传递方面。 2 0 世纪7 0 年代中期以来，以色列b e n g u r i o n 大学的t a m i r 教授及其领导的研 究组对撞击流进行了较深入的研究【3 1 ，将其应用于固体颗粒的干燥、固一固和气一 气混合、气体的吸收和解吸、气体和煤的燃烧、乳液制备、液一液萃取、离子交 换、粉尘收集和造粒等多种化工单元操作过程。 近年来，人们开始注 意到撞击流的另一个重要 性质，即促进混合尤其是 微观混合非常有效，并注 意到这一特性在液相、液 固相反应和反应一沉淀或 结晶等过程中应用的潜 力。 撞击流的基本原理 是：两股等速流沿同轴相 撞击面 v r - - u p 1 0 ) ；在过饱和度相对比较高 的情况下( 浓度过饱和比在3 0 0 0 - 4 0 0 0 ) ，硫酸钡的沉淀实验证明了核晶过程完全由 撞击流混合器控制，不仅是核晶过程，包括核晶生长过程的全部沉淀过程都发生 在撞击区，而外部搅拌对核晶过程无任何影响，也就是说沉淀过程只在撞击反应 区附近狭窄区域发生。因此由于在撞击前被稀释，远距离射流比近距离射流产生 的晶核要少；而射流速度在5 2 0 m s 范围内对核晶过程无重要影响。 a m a r j i t 等1 1 3 1 在研究a 一萘酚和对氨基苯磺酸重氮盐的二级b o u r n e 反应中，用 流体动力学和混合器几何尺寸来表征撞击流混合器的微观混合效应，实验的微观 混合时间至少在6 5 m s ；喷口直径越大，达到同样微观混合效果的射流雷诺数越高， 微观混合时间与d a m k o h l r 准数有关，在化学反应与混合同时发生的过程放大中常 采用d a m k o h l r 准数，它是混合时间常数与反应时间常数f r 的比值，混合时间 常数与射流流速u 的1 5 次幂成反比：研究还分别在微观混合好和差的条件下 进行了l o v a s t a t i n 沉淀实验，实验表明，只有当微观混合时间不小于溶质核晶过程 诱导时间时，沉淀器微观混合水平才影响沉淀产物的晶体尺寸分布。 4 东北大学博士学位论文第1 章绪论 1 2 2 3 撞击流烟气脱硫应用 t a m i r l l 4 等采用双筒撞击流吸收器对石灰乳吸收脱硫过程进行了实验和模型 化研究，研究了撞击速度及其它操作条件对脱硫效果的影响，在理论上获得了较 好的结果，但在工业上还距离实际应用有一定的距离。 1 - 2 2 4 撞击流超细颗粒粉碎应用 北京理工大学的张小宁采用撞击流粉碎法制备超细颗粒的研列1 5 1 1 1 6 1 ，利用了 撞击流碰撞过程中产生的超声波及高压冲击力作用，制备出粒度小且分布窄的超 细颗粒。实验以硝胺化合物颗粒为例，用专电位实验研究了奥克托金和黑索金颗 粒悬浮体系的分散性，加载压力及循环次数对颗粒大小的影响，结果表明：随着 加载压力和碰撞次数的增高，颗粒的平均粒径减小、小颗粒峰增强、颗粒分布变 窄。对超细二氧化钛的研究表明：采用撞击流技术能够有效的完全将二氧化钛颗 粒超细化粉碎至亚微米级，部分能粉碎至纳米级，加载压力8 0 0 1 5 0 0 m p a ：处理 次数1 3 次。 ：。 1 2 3 撞击流技术的理论研究及进展 1 2 3 1 撞击流传质过程研究 ， g a d d i s 等对撞击流循环反应器的性能研究表明【1 7 1 ，这种反应器相对于其它传一 统气液接触设备具有更高的传质速率和效率，因而反应器体积比较小，投资费用 和操作费用低；试验同时还对撞击流循环反应器的两种变形进行了比较，其中喷 口安置在底部的反应器具有更高的传质性能，并能在较低的输入功率下操作；而 喷口安置在顶部的反应器可以在较低的气体压力下操作并产生自吸，因此无需气 体压缩机，如果此种变形反应器的液相速率保持在较低的水平范围内，其传质速 率会增加并在某种情况下会接近前种变形反应器的性能。 g a d d i s 等还应用撞击流循环反应器对氧气在水中的溶解过程的气液相传质性 能进行了研纠1 s l ，探讨了液相输入功率比、气相流速和喷口直径对体积传质系数 的影响。实验表明：由于存在喷口附近区和撞击反应区两个强混合传质区域，体 积传质系数随着气相流速的增大而逐步增加，随着输入功率比的增大而增加的越 来越快；输入功率比在0 4 1 0 k w m 3 区域时，不同喷口直径的反应器有着近似相 同的传质性能，然而在低输入功率比下，小直径喷口反应器的传质性能较好，反 之亦然。 5 查些垄兰堡主兰堡垒查堡! 主竺垒 随后g a d d i s 还分别测试了反应器高湍流撞击区、其它反应区和整个反应器的 体积传质系数1 1 9 l ，并进行了比较，结果表明在输入功率比0 6 k w m 3 时，各反应 区对反应器的传质影响是相同的，但在输入功率比 0 7 k w m 3 时传质速率系数主要 受撞击区传质过程影响。 g a d d i s 等还研究了撞击流反应器的流体动力学行为【驯，以气相流速和液相流 速作为变化参数，测定了在主反应管的气相持料量，平均气泡直径和气泡绝对速 度；这些测定值决定了塔内气相循环比和气液比，其中塔内气相循环比对评价撞 击流反应器的传质性能十分重要。 a l f o n s 等也对同种撞击流反应器传质性能进行了研究【2 l 】，他把反应器分为撞 击区、主管反应区和喷口区；撞击区被认为是理想搅拌区，主管反应区和喷口区 被认为是理想管式反应区，实验表明体积传质速率系数( k 曲与输入功率t 七( e 0 基本 服从指数关系k i , a o c ( e o a ：在输入功率比o 7k w m 3 时，指数a 可达到o 6 ；输 入功率比在0 7 2 ok w m 3 范围时，由于受气相速率的影响，指数值在0 7 1 2 范围内，其中撞击区的体积传质速率系数明显高于其它区，并在输入功率比等于 2 0k w m 3 时达到最大值，约0 7 0 8 s 一，高于整个反应器的传质速率系数0 5 s 。 这说明了撞击区在整个撞击流反应器的高传质性能中起决定性因素。 k l e i n g e l d 等通过n a o h 溶液化学吸收c 0 2 过程对相间传质性能进行了研究 1 2 2 ，研究表明：在k 型反应器和p 型反应器中，气相流速和液相流速的增加都将 引起体积传质系数k l 的增加，但气相流速比液相流速的影响要明显得多：在实验 所测定的液相流速范围内，k l 值相对保持常数，而气相流速在8 x 1 0 4 1 5 1 0 3 m s 范围时，k l 值有相当大的增加；试验还基于湍流环境下的气泡破裂运用蒙特卡罗 模拟对界面面积产物建立了数学模拟。 1 2 3 2 撞击流吸收过程研究 m o r t e z a 等1 2 3 1 1 2 4 l 通过二氧化碳和一乙醇胺气液相反应测定了带喷口的连续两 相撞击流反应器的化学吸收性能，并建立了随机模型来预测反应器的停留时间分 布。研究发现气相流速的增大有利于增加界面面积，增大碰撞液滴的撞击力，从 而提高反应程度；而增加液相速率则减少了液相停留时间和一乙醇胺的转化率： 研究还发现在进料喷嘴相距较大时( 2 0 c m ) ，两流体相互作用比较低，大量液滴在 达到撞击区前与器壁碰撞，而当喷嘴相距相近时( 8 锄) ，液滴在气相中很少完全 分散，因而这两种情况均降低反应器的吸收性能。 6 东北大学博士学位论文第1 章绪论 m o r t e z a 等还对连续撞击流反应器中甲苯的一硝基化液液反应进行了实验研 列2 5 】，测定了在不同实验条件下的反应程度，并与连续搅拌槽性能进行了比较； 在反应器的平均停留时间、温度、进料组成和液液比相同的情况下连续撞击流反 应器的性能要优越得多；研究还基于马尔可夫过程对反应系统建立了随机模型， 描述了反应器的流动模型以及停留时间分布、气相流速和喷嘴间距对反应程度的 影响，分析结果与二氧化碳和一乙醇胺的气液反应实验结果基本吻合。 1 2 3 3 撞击流混合过程研究 混合现象按混合发生的尺度分为宏观混合和微观混合1 2 6 1 。宏观混合通过流 动、湍动和涡流扩散等方式进行。它使分隔尺度很快减小到所谓k o l m o g o r o f f 微观尺度。当达到该尺度后，分子扩散迅速发生，达到完全均匀状态。宏观混 合和微观混合过程是相互联系、连串发生的，即物料的混合在三个同时发生的 阶段中进行：( a ) 一种流体在另一种流体中分散并达到流团层次的均匀程度，但 仍有局部浓度差异；彻不均匀组成区域尺寸减小和不同组成区域之间接触面积 增加；( c ) 依靠分子扩散混合均匀。 作为反应器，其主要目的之一就是按照反应的需要，为反应物提供一个良 好的混合效果，使反应物之间能够有充分接触的机会，以促进反应的进行。另 外减小反应物浓度在空间中的分布差别也对控制反应物的质量及产率十分重 要。所以首先需要进行考虑反应器中的混合效果。 研究反应器中混合所关心的几个主要问题是：流体在混合器的流动模型， 混合器的能量消耗，混合效果等。 d a v i d 及其同事对撞击流反应器中粘性流体快速混合的层流流动进行了研究 吲，运用颗粒成像速度计和三维数值模拟对低雷诺数流动下的流量场、速度场和 延展场进行了测定，通过速度概率密度函数得到的速度场的计算结果与实验结果 基本一致；反应器中撞击流体存在两个稳态流动区：一是在雷诺数( r q ) 1 0 时，流体开 始撞击并在撞击点的上下形成循环区。粘性流体应变变形率与雷诺数有关，研究 发现流体高变形只发生在进口处、反应器出口和撞击区三处；研究利用颗粒示踪 刺技术对流体混合的模拟表明，在喷口对称的稳态流下不发生混合。 d e v a h a s t i n 等对多流撞击流二维线性混合器的两相流体在层流区的混合进行 了数值模拟【捌，研究了入口气流雷诺数和混合器几何形状对混合特性的影响，两 7 东北大学博士学位论文第1 章绪论 相流体分别从塔顶、塔底相向撞击并产生强烈混合区，混合性能明显提高；操作 参数和几何参数对流体混合的影响在不同混合区是不同的，特别是在轴向距离比 较短时流体混合会更好。 s c h a e r 等f 凹】利用撞击流混合器研究了快速微观混合的传质能力，在平行竞争 反应中，进料位置及进料流速是影响微观混合的主要因素，随着进料流速的增加， 微观混合的特征时间下降并达到4 m s ，通过简单的微观混合模型可以推测反应器的 功率耗散，并与流体动力学的计算结果相一致，研究还给出了混合放大的经验规 律。 p a t r i c e 等对错流撞击流反应器中的混合特性进行了理论研究例，在实验条件 下，由于混合流体的相互作用，气相流介于层流与湍流之间的过渡区，研究利用 气相流速和示踪剂浓度两参数建立了两种数学模型：层流流动模型和标准k - e 湍流 流动模型，但无论是定性还是定量分析，这两种模型的分析结果是不同的，充分 说明了流体流动形式及其建立相应数学模型在理论研究中的重要性。 1 2 3 4 撞击流的微观混合研究 ( 1 ) 微观混合的研究方法 a 实验研究 检测微观混合水平即判断微观混合的程度，根据实验检测的方法、手段可分 为物理方法和化学方法两大类： ( i ) 物理方法： 物理方法主要是利用光、电、热等的性质测定反应系统或非反应系统中湍流 特性来评价体系的状况。g i b s o n 等f 3 2 l 根据化学反应前后电导有明显变化的性质采 用电导法测量化学反应的混合过程。由于测量电导的探头在许多情况下完全改变 了混合状况，导致显著的测量误差。另外，电导测量响应时间和反应特