（化学工程专业论文）立式循环撞击流反应器vcisr混合性能的数值模拟.pdf

嗍嬲 at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nm i x i n gp e r f o r m a n c eo f v e r t i c a lc 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 ( v c i s r ) m a j o r：c h e m i c a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l u oy a n s u p e r v i s o r ：1 、g u oj i a 2 、z h a ot i a n b o w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n lh u b e i4 3 0 0 7 4 er c h i n a 1 8m a y , 2 0 1 0 气l l 摘要 摘要 在化学工程领域中，撞击流作为一种新颖高效的强化混合方法被 提出，因其具有显著强化相间传递和微观混合的特性，受到各国学者 的普遍的关注，属于目前反应工程中研究的热点问题。 立式循环撞击流反应器( v e r t i c a lc i r c u l a t i v ei m p i n g i n gs t r e a m r e a c t e r , v c i s r ) 作为适用于液相或以液相为连续相的多相反应体系 的一种新型反应器，其基本思想是：利用撞击流促进微观混合的特性， 为沉淀创造很高且均匀的过饱和度环境：提供较长的平均停留时间， 满足大多数反应体系的需要。为进一步明确这种新式反应器的混合性 能，本文采用f l u e n t 软件，对立式循环撞击流反应器的混合特性 进行数值模拟，获得了反应器内的流体流动和混合的细。观信息和流动 规律，以期为后续的研究和发展应用提供参考依据。 本文主要工作内容和结论有： 1 、在不同大小、均匀撞击来流u o i 况条件下，进行撞击流过程 的数值模拟，求解v c i s r 中的流场分布，得到了整个反应器计算域内 的速度、压力分布规律，并截取了特征面进行结果分析，结论表明： 流场中速度及压力等参变量关于撞击面对称，进一步证实了驻面( 撞 击面) 的存在，同时发现导流筒外侧和撞击面边缘存在滞流区；通过 定义无量纲参数k ：y “。，得到了k - - u 0 关系曲线，从而为衡量单位撞 击来流速度的混合传质贡献提供了参考依据。 2 、通过对不同桨叶倾角、不同转速工况下v c i s r 中的流场进行数 值模拟，重点考察了反应器桨叶倾角口：1 5 。，3 0 。，4 5 。，6 0 。，转速 w o = 4 0 0 r p m 、9 0 0r p m 、1 3 0 0 r p m 下的混合效果，数值模拟结果分析 显示：撞击区域内特征撞击面上速度沿径向分布均出现有2 个峰值， 一个靠近导流筒内侧壁，一个靠近反应器筒内壁；从速度沿径向分布 的斜率来看，导流筒内速度分布曲线明显陡于导流筒外，证实了导流 筒能够显著提高撞击流的混合效果；采用了速度沿径向分布均方根差 武汉：j j 程大学- i ：程硕十研究生硕士学位论文 。来搅拌混合性能，计算结果表明，同一转速工况下搅拌桨的桨叶倾 角为4 5 。是撞击区域内速度沿径向分布均方根差。值最大，说明其 径向速度分布的梯度最大，撞击混合效果最好。 关键词：撞击流反应器；混合性能；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do fc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，a san o v e la n de f f i c i e n tm i x i n g e n h a n c e m e n tm e t h o d s ，i m p i n g i n gs t r e a mw a sp r o p o s e df o ri tc a l le n h a n c ep h a s e t r a n s f e ra n dm i c r o - m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s c o n s e q u e n t l y , i m p i n g i n gs t r e a m ，h o ti s s u e o fr e a c t i o ne n g i n e e r i n g , w a sc o n d u c t e de x t e n s i v er e s e a r c ha n dw i d e s p r e a dc o n c e r n v e r t i c a lc i r c u l a t i o ni m p i n g i n gs t r e a m r e a c t o r ( v e r t i c a lc i r c u l a t i v ei m p i n g i n g s t r e a mr e a c t o r , v c i s r ) w a sa p p l i e dt ol i q u i do rl i q u i da st h ec o n t i n u o u sm u l t i - p h a s e r e a c t i o ns y s t e mt ot h en e wr e a c t o r , t h eb a s i cc o n c e p to f i m p i n g i n gs t r e a mw a st o p r o m o t em i c r o - m i x e dc h a r a c t e r i s t i c su s i n gi m p i n g i n gs t r e a m ，c r e a t eah i g ha n d u n i f o r me n v i r o n m e n to fs e d i m e n t a t i o n , a n dp r o v i d ea l o n g e ra v e r a g er e m a i n i n gt i m e t om e e tt h en e e d so fm o s tt h er e a c t i o ns y s t e m s f l u e n ts o f t w a r ew a su s e di nt h i sp a p e r t os i m u l a t em i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so fv c i s rf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fi t sm i x i n g m e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i x e di n f o r m a t i o na n df l o wp a t t e r no ff l o w s t i r r e dt a n k ，w h i c hp r o v i d i n gav i a b l eb a s i sf o ri t sr e s e a r c ha n df u t u r ed e v e l o p m e n t t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n to ft h i st h e s i sa r et h ef o l l o w i n g ： 1 、t h eu s eo fo b l i q u ep a d d l ei nd i f f e r e n te n t e r i n gv e l o c i t yu o ，t h ef l o wf i e l do f v c i s rw a ss i m u l a t e dt oo b t a i nt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r eo ff l o wf i e l dw a ss y m m e t r yo nt h e i m p a c ts u r f a c e i tf u r t h e rc o n f i r m e dt h a tt h ee x i s t e n c eo fs t a g n a t i o ns u r f a c e ( i m p a c t s u r f a c e ) a n dt h ee x i s t e n c eo fd e a dz o n ei no u t e rd r a f tt u b ea n de d g e so fi m p a c ts u r f a c e i n t r o d u c i n gd i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s k = v u og e tt h ek 一“oc u r v es o a st o o p t i m i z ep r o c e s sc o n t r o li m p i n g i n gs t r e a mr e a c t o rp r o v i d e sa l le f f e c t i v er e f e r e n c e 2 、t h ev c i s rf l o wf i e l dw a ss i m u l a t e di nd i f f e r e n tt i l t sa n dd i f f e r e n tr o t a t i o n s p e e do fp a d d l et y p em i x e r t h es t a n d a r do ft h r e eb l a d e sw e r es i m u l a t e do b l i q u i t yo f 15 。、3 0 。、4 5 。a n d6 0 。i nt h ed i f f e r e n ts p e e dm i x i n gr e a c t o rw = 4 0 0 r m i n ，9 0 0 r m i n ， 130 0r m i nt or e q u i r et h em i x i n ge f f e c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r et w o p e a k so ft h er a d i a ld i s t r i b u t i o n sv e l o c i t ya l o n gt h ei m p a c ts u r f a c e ，o n ep e a ka p p e a r e d 执i 武汉i ：程人学 j 程硕十研究生硕七学位论文 n e a rt h ed r a f tt u b ei n n e rw a l la n dt h eo t h e rn e a l t h er e a c t o rc y l i n d e ri n n e rw a l l f r o m t h ev i e wo ft h es l o p eo ft h er a d i a lv e l o c i t y , v e l o c i t yc u r v e si nt h ed r a 矗t u b ew a s s i g n i f i c a n t l ys t e e p e rt h a no u t e rd r a f tt u b e ，t h ec o n f i r m a t i o no ft h ed r a f tt u b ec a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ei m p a c to ft h em i x i n gf l o w w i t hr o o tm e a ns q u a r ed e v i a t i o n oo ft h ev e l o d t yd i s 倒b u t i o na l o n gt h er a d i a lm e a s u r i n gm i x i n gp e r f o r m a n c e ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h es a m er o t a t i o ns p e e dc o n d i t i o ni m p e l l e rb l a d e sa n g l eo f 4 5 oi s t h ei m p a c ti nt h er e g i o na l o n gt h er a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fr o o tm e a n s q u a r ed e v i a t i o nov a l u e st ob et h el a r g e s to fi t sr a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h e g r a d i e n t sa n dt h eb e s ti m p a c to fm i x i n g k e yw o r d s ：e m p i n g i n g s t r e a m r e a c t o r ；m i x i n gp e r f o r m a n c e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ， 誓 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 撞击流概述3 1 1 2 撞击流应用的现状3 1 2 撞击流基本原理与主要特性5 1 2 1 基本原理j 5 1 2 2 撞击流主要特性7 1 3 撞击流反应器研究现状1 0 1 3 1 撞击流反应器的主要应用领域1 0 1 3 2 撞击流反应器研究现状1 2 1 3 3 循环撞击流反应器概述一1 3 第2 章c f d 技术应用概述1 5 2 1c f d 技术概况1 5 2 2c f d 软件介绍1 7 2 2 1 常用c f d 软件1 7 2 2 2f l u e n t 软件概述1 8 2 2 3f l u e n t 软件数学模型1 8 2 2 4f l u e n t 软件特点1 9 2 3c f d 技术在搅拌反应器中的应用前景19 武汉一1 i 程人学t 稃硕十研究生硕士学位论文 2 3 1 搅拌反应器的混合过程研究1 9 2 3 2c f d 技术在搅拌反应器中的应用现状2 1 2 4c f d 技术的发展趋势2 3 第3 章v c i s r 混合性能的数值模拟2 7 3 1 数值方法与模型2 7 3 1 1 数值方法2 7 3 1 2 数值模型2 9 3 2 控制方程3 0 3 3 不同大小均匀流撞击过程的数值模拟3 3 3 3 1 几何模型：3 3 3 3 2 网格划分与计算3 4 3 3 3 方程求解与边界条件3 5 3 3 4 计算结果及分析3 7 3 3 5 小结4 4 3 4 不同倾角桨叶的混合性能数值模拟4 4 3 4 1 几何模型4 4 3 4 2 划分计算网格4 6 3 4 3 方程求解与边界条件4 6 3 4 4 计算结果及分析4 7 3 4 5 小结5 3 第4 章结论与展望5 5 4 1 结论5 5 4 2 展望5 6 v l l i - 目录 参考文献5 7 致谢| i ：6 5 v l l 武汉工程人学一i ：稃硕十研究生硕士学位论文 v i l l 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 为了实现反应过程中工质混合均匀、传热传质过程加速、不同的 物质分离，搅拌是一种化学工程中的常用手段。因此，与搅拌相关的 设备被广泛引用在石油、化工、冶金、医药、食品、废水处理等工业 生产中。在众多搅拌设备中，搅拌反应器是一大类，例如合成材料( 如 合成纤维、合成塑料、合成橡胶) 生产中，反应器中约8 0 以上是搅 拌反应器。在其他物料混合、传热传质及乳液制备等化学反应过程中， 搅拌设备也被大量采用。 在石油、化工乃至其他许多过程工业中，多相体系中相间质量和 热量传递，是很多加工单元过程中都会涉及的普遍问题。传递过程中 的速度分布对这些单元过程效率和技术经济指标至关重要。强化相间 质量与热量传递过程，成为提高加工单元过程效率的重要方法，并自 上世纪4 0 年代来，受到广泛关注，亦得到了大量理论和实验研究成 果。 根据传递速度理论，单位时间传递的热量或质量可表述为如下关 系式n 3 ： 单位时间传递量= ( 推动力x 相间面积) 比阻力 因此，要增加单位时间传递量，可以采用的办法有：提高推动力、 增加相间面积、减少比阻力等单一措施，或者进行前述单一措施的组 合。具体采用哪种单一措施或者组合措施，需要根据具体的工艺过程 来选取具体措施。 对传热传质过程而言，上述关系式中的推动力主要指的是浓度梯 度( 俗称浓度差) 和温度梯度( 俗称温度差) ，在很大程度上，推动力的 提高受制于具体过程特性，如材质、能量供给、原料及环境约束因素 等限制，使得允许提高推动力的幅度有限。 武汉工程火学工程硕+ 研究生硕士学位论文 增加相界面积，主要指增大液相或固相分散度。该措施被广泛应 用手如喷雾干燥、冷却等工业过程。然而，该措施的应用也受到一定 的限制。如生产粉末状产品采用喷雾干燥工艺要求粉末足够的分散和 细小，但是过细与过分散会带来产品收集难和扬尘问题。另一方面， 颗粒风磨的自由沉降速度就是相间的最大相对速度，当颗粒粉末的粒 度下降，将会带来另外一个问题就是：增加了传递比阻力，而这部分 增加的比阻力可能抵消增加相间面积所带来的影响。 减小传递比阻力，以提高相间传递速度，成为目前最具潜力的强 化相间传递途径，所以探求提高相间传递速度成为强化相间传热传质 的主要思路。 1 9 6 1 年苏联学者首先提出了撞击流思想，撞击流最初构想是通 过两股气一固两项高速相向流动撞击，在撞击瞬间达到极高的相间相 对速度，从而最大程度地强化相间传质与传热。2 0 世纪6 0 7 0 年代， 前苏联科学家e l p e r i n 乜1 等学者对撞击流进行了大量的试验和理论研 究，之后研究中心转移到以色列。2 0 世纪7 0 9 0 年代，t a m i r 瞄1 及其 研究小组通过2 0 多年的持续研究，研究内容深入到了很多的化工单 元过程，研究结论显示，撞击流过程可以大幅度提高相间传递系数。 如e l p e r i n 乜3 在湿颗粒丹灶实验中测得相间的传热系数达 5 8 0 0 w m 2 k - 1 ，而假定相对速度具有硫化速度数量及条件下用关 系式计算的数值仅为4 7 0 w m 2 k 。传热系数提高了到了1 0 倍以 上，强化效果显著。 从上述的国内外的研究基本结论可以看出，撞击流技术对于提高 反应工程中的相间传递系数具有作用，但由于撞击流过程属于极度湍 流化过程，对于撞击流过程的机理描述很难建立完整的理论模型进行 解释与分析，研究手段主要限于理论上定性分析和实验测试研究，这 对于完全明确撞击流过程机理显然是不够的。本文题目希望借助目前 发达的数值模拟技术，开展对撞击流过程的数值分析，以讨论决定撞 击流强化效果的2 个关键因素：撞击流过程中的速度场与压力场分 布，同时尝试探讨撞击流反应器的结构尺寸对性能的影响规律。显然， 第1 章绪论 本文研究所取得的研究结论，对于进步届时撞击流反应器的强化机 理具有促进作用，同时也为过程工业中优化结构尺寸提供了参考。 1 1 1 撞击流概述 撞击流是一类具有特殊优良性质的特殊流动结构，在过程工业中 具有广泛的应用潜力。随着研发的进展，“撞击流这一术语也被广 泛的应用，使得撞击流概念产生了歧化。事实上，已经出现了对撞击 流概念混淆的现象。如把流体冲击壁面的流动结构称为撞击流；把雾 化滴粒的逆流接触称为撞击流；把雾化液体滴粒间的自然碰撞称为撞 击流等p 其结果是使撞击流技术成为了过程工业中无所不能、无所不 在的技术。事实上是任何实物都有两面性，撞击流技术也一样，它有 许多优越特性，也有其弱点和局限性。为避免上述情况，科学合理地 界定“撞击流 的范畴与概念也很重要。 。 鉴于上述国内外目前研究撞击流的概念存在一定的分歧，本文通 过分析现有代表性撞击流亚流动结构基础上，采用了如下定义：撞击 流是指在过撞击点平分线垂线正、反方向上具有一定动量的2 股连续 流体相向流动撞击形成的流动结构。 。 在化学工程中撞击流被作为一门新兴技术，因为其具优越的混合 特性，目前正显现出越来越大的应用潜力。近1 0 年来的研究与开发， 主要致力于寻找撞击流可能的应用途径，这类研究与开发近年在国内 外都有显著增长的趋势，成为研究热点问题；开展研究的地域涵盖了 美国、中国、以色列、伊朗等2 0 多个国家和地区。随着对撞击流问 题研究的不断深入，撞击流概念也出现了许多种增广的亚流动结构， 主要表现为：连续相流动方式、操作方式和相态的扩展等。 1 1 2 撞击流应用的现状 在化学工程领域中，撞击流工程化应用的例子主要表现在如下2 个方面： 武汉j 二程大学工程硕士研究生硕士学位论文 ， 浸没循环撞击流反应器( 简称s c i s r ) 。其主要结构包括对称 安装的两个导流筒及其内部的一对螺旋桨，安装方式可以采用水平 ( 即卧式) 和竖直( 立式) 布置。该反应器工作原理是：螺旋桨输送流体 沿导流筒轴向流动，在反应器中心处相向撞击，形成一个高度湍动撞 击区；撞击后流体沿径向朝器壁运动，随后沿环室回流至导流筒进口 处，再次被螺旋桨输送到撞击区，如此反复循环。在沉淀法制备纳米 氧化镍的工艺中采用s c i s r 技术后，结果显示，s c i s r 能够有效促 进分子尺度上的微观混合，形成了很高的瞬间过饱和度，且能够保证 过饱和度的高度均匀性，为沉淀反应制备超细粉体提供了合适的环 境，系列实验结果得到了理想的纳米氧化镍。 撞击流旋转填料床( 简称i s r p b ) 1 。由华北工学院化学工 程系的刘有智教授首次提出了i s r p b 反应器，其综合了撞击流反应 器与旋转填料床反应器的共同优点，使得撞击流旋转填料床反应器 微观混合程度比传统旋转填料床反应器更加强烈，制备纳米硫酸钡的 研究佐证了i s r p b 反应器具有显著强化了微观混合的特性。同时 i s r p b 反应器在结构形式也优越于传统反应器。关于i s r p b 的系列 研究结论显示，撞击流反应器和旋转填料床反应器是一种新型高效的 “三传一反 过程设备，具备传质强度高、通过强度高、停留时间短 等优点，在许多传递过程控制的化工过程中如混合、吸收、精馏、解 吸、萃取等单元操作具有广阔应用前景。 目前，撞击流工程化应用也不局限于以上2 个方面，除上述2 个 方面为代表的传统化工中诸如化学反应、结晶、制备超细粉体等方面 应用外，下属新兴的单元过程中应用将可能是撞击流成功应用的重要 领域。 ( 1 ) 细胞破碎。细胞破碎是目前生物工程中的一项重要工艺内容， 传统的搅拌破碎却很难保证工艺要求。在撞击流过程中，两股流体相 向流动进行撞击从而产生强烈相互作用，必然会在流场中造成大的速 度梯度场，速度梯度进而形成相当强的流场层间剪切力，这种撞击形 成的剪切力场比普通搅拌形成剪切力场强出很多倍，用其实现液体中 第1 章绪论 的细胞破碎无疑是一种理想选择。事实上，将v c i s r 用于破碎藻类 细胞的初步实验，已经显示出良好的水力破碎效果。同时引起研究者 们注意的是，这种撞击流实施细胞破碎的方法在技术在经济性与环境 影响方面亦表现出很大优势。 ( 2 ) 溶剂萃取 溶剂萃取是指将两种不相溶又混合在一起溶液进行分离提取。这 类单元过程操作中，要提高萃取率，就要求提高两种互不溶混液体相 互的分散程度，这是溶剂萃取过程首先需要解决的基本问题。利用撞 击流流体相间的强烈相互作用，可以实现在较低能耗状态下达到高分 散程度、更大相界面积或容积传质系数，能够显著提高萃取效率。这 将是撞击流将来发展应用的又一重要领域。 ( 3 ) 乳化 对于乳化单元操作，传统直接办法就是快速搅拌，使得油相液体 足够的小，水相可以均匀的分散到油相中或油相可以均匀分布到水相 中，这种分散操作成为乳化效果的关键。撞击流中两股相向流体间的 强烈相互作用，形成流团问的相互碰撞、旋转、摩擦、掺透、剪切等， 非常有利于实施这种水一油两相混合过程，撞击流装置能量效率很一“ 高，与现有乳化技术装备相比，撞击流设备可以实现低能耗下达到同 质乳化要求。 1 2 撞击流基本原理与主要特性 1 2 1 基本原理 撞击流基本原理是：两股气一固、气一液、气一气或液一液等两 相流相向高速流动撞击( 如图1 1 所示) ，从而在两根加速管之间造成 一个高度湍动撞击区，流体在撞击面上轴向速度趋于零并转为径向流 动，颗粒或滴粒借助惯性流入反向流并在开始流入的瞬间相间相对速 度达到极值。渗入反向气流的颗粒在摩擦力作用下减速，直到轴向速 度衰减为零时又被反向加速向撞击面运动。撞击区高度湍流化和很大 武汉工程大学工程硕士研究生硕士学位论文 的相间相对速度提供了极佳的混合传递条件：在两段相向运动流体 间，往复渗透湍流运动可有效地延长颗粒或液滴在撞击区域中的平均 停留时间，有效增强混合与接触。这些优点使得撞击流成为强化相间 传递过程( 尤其是外扩散控制传递过程) 最有效的方法之一，其相比于 一般方法，可提高传递系数几倍数十倍。 撬击霹 ，图1 - 1 撞击流基本原理图! 在采用撞击流技术中，撞击媒介的性质能够显著影响撞击性能。 由于撞击流媒介特性差异较大，如液体或气体的性质( 密度、粘度等) 个性化差异较大，采用相应媒介作为连续相的撞击流性能亦差别较 大。鉴于此，近十几年来，目前该领域的研究重点主要在于液一液撞 击流3 研究，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 g s t r e a mr e a c t o r ，简记为s c i s r ) 贝j j e 是用于实现此类撞击流的专利装 置产品。s c i s r 结构尺寸如图1 2 所示，反应器为卧式( 立式) 设计， 两边对称地装两个导流筒。安装在两个导流筒进口端的螺旋推进器输 送流体沿导流筒高速流动，在反应器对称中心处相向撞击，形成一个 高度湍流动的撞击区，该区域混合强烈，且形成一个高频( 频率3 - - 4 k n z ) 压力脉动区。 图1 2 结构尺寸 从图中结构设计与工作原理可以知道，s c i s r 包含了i s 和料液 磊 霉 第l 晕绪论 ， ( 浆) 循环流动结构，因而具有强化传递和混合的特性，尤其是可以同 时形成不同尺度上的宏观混合与微观混合，且l 可以格局需要调整平均 停留时间，以满足不同反应体系的工艺要求。实验研究证明，s c i s r 对于超细粉体的制备等发生在分子尺度上的化学过程，显示出了强化 微观混合的特性，借助s c i s r 开展微观混合的影响因素研究，将有 助于推动生物工程及化学工程中微观混合机理研究发展，具有重要学 术价值和理论意义。 本文研究内容所采取的为立式循环撞击流反应器，结构示意图 1 3 。反应器两边对称地装两个导流筒，导流筒进口端的螺旋推进器 采用电机驱动，通过矢量控制变频器设置撞击流转速，输送的两股流 体沿导流筒轴线方向高速流动，在反应器近中心处相向撞击，形成一 个高度湍动的撞击区。 1 。螺旋笨2 。导巍筒3 擅击区t 耄机 图1 3 立式反应器结构示意图 1 2 2 撞击流主要特性 在撞击流混合过程中，混合性能是化学工程中考核的一个主要指 标，对加工过程影响重大。衡量撞击流的混合特性，一般主要有如下 性能指标，供予以考察。 一、流体阻力 撞击流反应过程，作为一种高速流动状态，流体阻力必然成为人 们所关注的重要指标，也是衡量撞击流混合效率的重要考核指标。武 武汉工程大学工程硕士研究生硕士学位论文 汉工程大学伍沅教授等人通过对气固相系在水平撞击流接触器的实 验研究：结论表明：( 1 ) 反应器的结构设计至关重要，只要装置结构 形式合理，流动阻力值不大；( 2 ) 流动的压降主要消耗在加速固体颗 粒。因此，对于粉粒状物料或全液状流体，流体阻力并不是阻碍撞击 流发展应用的问题。 二、传递系数 强化相间传递是撞击流被人们广泛关注的主要性质。t a m i r 1 等对 多种物系和多种单元过程进行了实验研究，结论说明，撞击流中相间 传递系数，尤其是两相密度差很大时外扩散控制过程的传质系数，相 比传统过程提高了数倍十几倍。学者们通过测定撞击流反应器中容 积传质系数，得到：在输入功率0 6k w m 3 时反应器对传质贡献 区域均匀，但在输入功率o 7k w m 3 时传质系数则主要是受撞击 区及随后传质过程的影响。类似的结果在研究学者重复t a m i r 口3 实验 后亦被给出。在作循环撞击流干燥实验研究中，学者们根据测定容积 蒸发系数推算传递系数，同样得到类似的结果。 三、停留时间 在反应工程中，颗粒与液滴在反应器中的停留时间也至关重要。 以伍沅、吴高安等课题组为代表的学者们采用不同的方法研究了气一 固撞击流接触器中颗粒停留时间的分布问题，所得出的结论趋于一 致：撞击区中颗粒或液滴的平均停留时间很短，约1 s 左右。但实际 工艺要求中，很多过程即使在强化传递和撞击混合条件下这一平均停 留时间显得也似乎较短，这一特性使得撞击流的推广应用受到一定的 限制。 四、混合特性 ( 1 ) 固体混合 利用撞击流使固体颗粒混合，称为固体混合t a m i r 1 。混合装置结 构形式类似于带中心导流筒的喷动床，导流筒上方引入一股反向同轴 高速纯气流，与通过导流筒向上运动的气一固两相流撞击。实验过程 中，为了更加清晰呈现混合过程，将密度粒径相同但颜色不同的颗粒 第1 章绪论 分别装入导流筒两侧，实验显示数十秒内两种颗粒即可混合均匀，而 在不引入空气流情况下( 即无撞击情况下) ，操作1 0 m i n 后却仍基本没 有混合。上述固体混合的实验结果说明，气体撞击流可大大增强颗粒 运动的任意性，进而在撞击区内制造出颗粒杂乱无章的混合结果。 ( 2 ) 固液混合 针对液相或以液相为连续相的多相体系混合，美国学者提出了静 态射流混合器，其实质上就是循环撞击流结构，事实证明这种混合器 对液体混合很有效。国内学者陈煜等在采用电导响应法对浸没循环撞 击流反应器( s c i s r ) 进行研究后，与搅拌槽反应器( s t r ) 的液体混合 结果进行了比较分析，得到的结论是：输入相同比有效功率情况下， s t r 的混合时间要比s c i s r 短2 0o a - - ，5 0 ，意思就是说，从宏观混 合尺度上看，s t r 混合性质要优越于s c i s r 。针对这一事实结论，学 者分析认为原因在于，强烈的撞击混合仅发生在局部的撞击区， s c i s r 中除撞击区外，还包含了两个混合体积很大的导流筒和环形室 区域，这两个区域却是属于几乎没有混合的平流区。后来学者们通过 理论上的流动结构分析及停留时间的实验测试也印证了这一解释。 宏观尺度上s c i s r 混合性质所表现的不足，并没有使学者丧失 对其的研究兴趣，近3 0 年，针对s c i s r 的微观混合性能，却引起了 人们的普遍关注，尤其是近十年来生物工程与精细化工的发展迅速， 使得很多的加工过程需要在分子尺度上进行质量与热量的混合与传 递，这是传统搅拌槽反应器s t r 所不足的地方，而撞击流反应器优 越的微观混合性能则为这类反应提供了良好的实现途径。国内外学者 在对无循环两相自由撞击流和与浸没式撞击流中的微观混合实验研 究中，采用已知速度常数平行竞争反应，通过合成较慢反应产物的选 择性测定反应时间来确定微观混合时间常数，其结果显示：在r e 数 大于7 0 0 时微观混合时间小于2 0 0 毫秒。类似的方法研究撞击流反应 器中微观混合效果与进料量关系及能量耗散率时得出结论是：微观 混合时间随进料量增大反而减小，最小值达到4 毫秒。几乎目前所有 关于s c i s r 的研究结论都显示，撞击流可以有效地促进反应过程的 武汉工程大学工程硕士研冗生硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i _ _ _ _ _ _ _ - - o _ _ _ _ 一 i 微观混合性能，所不足的是，目前对于这类复杂流动的研究主要以理 论定性分析与实验测试验证为主，当前还并不完全清楚撞击流促进微 观混合的机理问题，尤其很难从理论上准确解释s c i s r 微观混合优 越于s t r 的效率问题，从另一个方面讲，良好的混合性能所带来的 强烈返混、阻力增大等负面因素所占据的比例问题，至今还不清楚， 都有待进一步的探讨与研究。 1 3 撞击流反应器研究现状 针对撞击流反应器的性能研究，目前国内外学者及课题组已经进 行了大量的、系列基础研究，系列研究成果证明，撞击流能够强化相 间传递过程，特别是外扩散控制传递过程最有效的方法之一。但是作 为任何一门技术，存在优越于其他技术的同时也会存在自身局限性， 撞击流技术亦一样。武汉工程大学伍沅教授及课题组的研究结论显 示，撞击区域中分散相和连续相的平均停留时间仅为l s 左右，非常 短，这也成为目前撞击流技术推广应用的主要缺点；因为实际化学工 程中许多单元过程要求很长时间才能达到要求的转化率、吸收率或脱 水率等结果，从这个方面考虑可以得出的结论是，这类长时间要求的 单元课程似乎不可能在单独的撞击流中完成。寻找适当的方式并与其 它过程技术方法相结台，将是促进撞击流技术在此类工程中应用的重 要途径，循环撞击流反应器就是一个典型的例子。 1 3 1 撞击流反应器的主要应用领域 一、撞击流燃烧 气体、液体或固体燃料的充分燃烧，需要提供充分燃烧的燃料混 合比，撞击流的强烈微观混合特性则可以为其提供有益的帮助作用。 工业燃烧炉中应用撞击力技术最为典型的例子当属于k t 粉煤汽化 炉，事实证明采用该技术后燃烧更加充分，燃烧效率大幅度提高。其 次，在新型的民用燃气灶具上采用多股火焰相互倾斜撞击的方式进行 第1 章绪论 燃烧，也取得良好的效果，并被广泛推广使用。为了进一步提高燃烧 效率，枕化改进燃烧炉室与喷燃器的结构与布置形式，成为最近燃烧 炉集中研究的内容。 二、撞击流反应器制取超细粉体 混合均匀且具有很高的过饱和度环境，是沉淀法制取超细粉体需 要提供的环境，撞击流因为具有促进微观混合的特性，从而可以为超 细粉体的植被创造上述条件，因此近十年来受到研究者们的重视。根 据研究结果可以证实的是，单独的撞击流过程就可以完成瞬间的反应 沉淀过程，这是非常具有工业应用价值的。m a h a j a n 口j 等通过研究数 种药物在两股流撞击反应器中的快速沉淀并获得理想的结果。刘海峰 等也以制取超细粉体为应用背景进行了系列研究。目前在采用撞击流 技术制备超细粉体课题的工业化应用中，明确的结论是撞击流反应器 毫 可以用于制备纳米等粉体材料，但是这种技术要广泛成功应用于工业 领域，还需要解决另外一个问题，那就是需要研究提供能够抑制细微 颗粒聚合并防止长大的助剂，以及超细颗粒干燥及固液分离技术支 撑，这也说明，单独采用撞击流反应器制备慢反应中生成的超细粉体 颗粒，则不具备可能性。武汉工程大学伍沅教授课题组研制的浸没式黔：、， 循环撞击流反应器能够为延长撞击流停留时间提供了一条研究思路。 三、循环撞击流干燥 。 粉粒状物料的干燥问题，属于非常典型的传热传质的传递并行过 程。由于绝大多数的被干燥粉粒状物料既含有游离态水，亦含有孔隙 水或结合水，前者在强化传热过程几乎可以快速脱出，但是后者因为 涉及到孔隙扩散，尤其是液体扩散，所以几乎需要很长的时间才能够 将其中的水分完全脱离出来。是否能够采用撞击流技术来实现粉状物 料的干燥，是很多学者们所关心的问题，撞击流技术强化微观混合的 优良特性也一度让学者认为，物料干燥有可能成为撞击流应用最有可 能成功的领域之一。事实上，自二十世纪七十年代以来的大量研究成 果显示，撞击流技术并没有在物料干燥得到实质性的发展与应用，其 中一个主要原因在于，在应用撞击流技术的过程不能较好地解决好停 武汉工程大学i ：程硕士研冤生硕十学位论文 oo_一i 留短等相关工程问题，这也就是说单独采用撞击流技术似乎是不能够? 完全解决物料干燥问任务也有学者提出，针对这一问题，可以考虑j 设计多级撞击流干燥系统，但这似乎使得整个干燥过程变得系统复 杂，且动力消耗大大增加。武汉工程大学研究小组在经过十余年的努 力研究，开发提出了循环撞击流干燥装置，其中即利用了撞击流强化 传递的优良特性，又可以根据需要设置物料的停留时间，从而较好的 协调好了上述存在的问题，为撞击流技术在粉粒状物料的干燥问题提 供了工业化应用的技术支撑。 四、撞击流粉碎和研磨 传统的破碎和研磨固体颗粒主要采用机械研磨方式，即破碎机或 研磨机，其存在的主要问题是，破碎和研磨过程中会摩擦生热和损 坏热敏性物料，同时最重要的问题是机械磨损所带入的粉末等会污染 产品。利用撞击流技术进行破碎和研磨最主要的优点就是装置中没有。 研磨部件，直接利用气固两相撞击流破碎和研磨，同时有效地防止了 摩擦生热和机械破坏。此类最早的成功应用可以追溯n - - 十世纪七十， 年代的t r o s t 射流磨机，国内在这个领域的研究近十年来也越来越多， 呈明显上升趋势，可以预见这将是撞击流反应器技术将来发展的一个 具有应用价值的领域。 1 3 2 撞击流反应器研究现状 自从撞击流的概念第一次由e l p e r i n 晗1 提出后，撞击流反应器已 经成功应用于干燥、萃取、混合、燃烧及破碎等工业领域。但由于应 用的领域的研究侧重点不同，撞击流反应器的研究侧重点也有所不 同，研究的程度也不同。总结目前的相关研究现状与结论，撞击流反 应器的研究现状主要有如下几点： 1 ) 多数研究者对撞击流反应器的研究重点转向了其微观混合性 能的研究，开始对搅拌釜、转子一定子、混合器、旋转床等 多种撞击流反应器的微观混合性能进行研究。 第1 覃绪论 j 2 ) 研究者开始关注y 阳3 型和t 阳1 型撞击流反应器的混合特性。国 内学者肖杨等对浸没循环撞击流反应器中微观混合的影响因 素开展了研究，刘海峰等研究了受限t 型撞击流反应器内反 应器容积、射流速度、喷嘴间距对微观混合性能的影响。国 外学者也对受限的y 型和t 型撞击流反应器微观混合过程进 行了大量研究。研究不足的是，截止目前还未见有关于自由 撞击的y 型撞击流反应器微观混合性能研究的报道。 3 ) 武汉工程大学伍沅教授课题组研究开发的浸没式循环撞击流 反应器，取得了一系列的研究成果，并代表了目前国内外研 究的领先水平，其也成为目前适用于液相或以液相为连续相 的多相体系的主流反应器。 1 3 3 循环撞击流反应器概述 武汉工程大学课题组研究开发的浸没式循环撞击流反应器( 简称 。二+ s c i s r ) ，既实现保留了撞击流技术强化微观混合的特性，又可以提供 任意设置平均停留时间的选择，因而具有广泛的应用前景。反应器由 于物料循环，使得两流体撞击在浸没条件下进行，因此，称为浸没” 循环撞击流反应器，如下图1 5 所示。 图1 5 循环撞击流反应器s c i s r 课题组用s c i s r 研究的第一个物系对象是无机酸与硅酸钠反应 武汉工程大学：】：程坝士研冤生硕士学位论文 ，； 一沉淀法制取白炭黑，获得