（化学工艺专业论文）停留时间可控的撞击流反应器的设计与研究.pdf

摘要 摘要 纳米亲水铝箔涂覆材料的制备是一个自由基聚合过程，该反应是一个快速反应。微观混 合是反应过程的控制步骤，对产品质量有重要的影响。目前工业上采用搅拌釜进行生产，反 应釜内的混合状况限制了涂料性能的进一步优化，这就对反应设备提出了更高的要求。撞击 流反应器是一种基于撞击流技术的新型反应器，它能强化相间传递，在热、质传递方面有着 独特的优越性；对于液相过程，能够显著促进混合，尤其是微观混合，是一种极具潜力的反 应器。本文针对亲水涂料的制备，设计开发一种新型的撞击流反应器中试装置，研究其宏观 和微观混合特性，为工业上改进涂料制备的设备提供参考。 按照中试要求，综合各种快速反应设备的优点，利用撞击流技术的现有资料，并考虑到 撞击流停留时间较短的特点，反应装置采用撞击流反应器与静态混合器串联的组合反应装 置。反应器采用水平同轴安装的两个喷嘴提供的射流进行对撞。反应器主体为卧式圆柱筒体， 喷嘴安装在其中心线两端，软连接的安装使得喷嘴间的距离可以任意调节。为了增加物料停 留时间，设置了物料外循环管路系统。喷嘴部分使用二流体式的套管，新鲜物料流经管内而 循环物料流经环隙，保证射流水平同轴以实现最大的混合。静态混合器严格按照国标选择和 设计，设计结果经过强度校核，符合强度要求和设计要求。 反应器宏观混合特性的实验研究以k c ! 为示踪剂，脉冲进样，电导率仪采样，测试了 不同的喷嘴阅距、物料流量和循环比条件下的停留时间分布情况。比较了粘性体系与去离子 水低黏度体系内的停留时间分布的差异，结果表明粘性体系中返混显著增加，停留时间增大。 由此提出了一种将g a m m a 混合单元与全混流单元并联后再与平推流单元串联的四参数模 型，模型方程为 即闱( 净志们一五旷e t 马- f o - f o - f s ) ) 1 - 筹2 再i - q 一创 采用该模型对反应器内的停留时间分布密度函数进行拟合，其模拟结果与实验曲线基本吻 合，说明该模型能很好的反映反应器内物料的停留时间分布。 采用碘化钾碘酸盐平行竞争反应体系测试了反应器内的微观混合情况，以分隔指数判 断微观混合效果，结果表明增大物料流量能够显著改善反应器内的微观混合状况，同时较小 的喷嘴间距和恰当的设置物料循环比都能促进微观混合。根据实验条件，对团聚模型作了一 定修正后，计算了反应器内各条件下的特征微观混合时间，结果表明该反应器内微观混合时 间仅为4 1 7m s ，比搅拌釜内的微观混合时间短很多，表明反应器内撞击区促进微观混合1 e 常有效。通过关联微观混合时间与分隔指数，其关系在微观混合时间较短时为线性，微观时 间较长时呈二次关系，该结论与文献相吻合。同时采用湍流理论估算了微观混合时间，其结 果与团聚模型计算的结果基本一致。 实验结果表明该反应器的微观混合性能优越，能使用于快速反应体系。物料在反应器内 的停留时间较短，外循环的物料对停留时间的调节力度有限。对于反应快速但又需要较长时 间完全反应的体系，可以考虑多级过程或者延长静态混合器来改善，或者作为预混合设备。 关键词= 撞击流反应器设计停留时间分布微观混合 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e p a r a t i o no fn a n o - s i z e dc o a t i n gm a t e r i a l sf o rh y d r o p h i l i ca l u m i 玎啪f o i li sap r o c e s so f f r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n , w h i c hi saf a s tr e a c t i o na n dm a i n l yc o n t r o l l e db yt h em i c r o m i x i n g p r o c e s s a tp r e s e n t , i ti sc a r r i e do u ti ns t i r r e dt a n kr e a c t o r s , w h o s em i x i n gc h a r a c t e rl i m i t sf u r t h 刨l i m p r o v e m e n to ft h ec o m i n gp e r f o r m a n c e s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan o v e lr e a c t o r i m p i n g i n g s t r e a m sr e a c t o r ( i s r ) i ss u c he q u i p m e n tt h a tb a s e do ni m p i n g i n gs t r e a mt e c h n i q u ew h i c hc a n i n t e n s i f yi n t e r p h a s et r a n s f e rp r o c e s s , s oi th a st h ea d v a n t a g eo fe n h a n c i n gh e a t - a n dm a s s - t r a n s f e r p r o c e s s e s w h i l ei t i su s e df o rl i q u i dp r o c e s s ，t h em i x i n gp r o c e s s e s , e s p e c i a l l ym i c r o m i x i n g p r o c e s s e s ，a r ei n t e n s i f i e de f f i c i e n t l y t h u s ，i m p i n g i n gs l l 陀a r n s 豫a 咖ri sar e a c t o rw i t hp o t e n t i a l i n t h i sp a p e r , f o rt h ep r e p a r a t i o no fn a n o - s i z e dc o a t i n gm a t e r i a l sf o rh y d r o p h i l i ca l m i n 哪f o i l ，a n o v e li m p i n g i n gs t r e a m sr e a c t o rw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d , a n di t sm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a s s t u d i e d f o l l o w i n gt h ep i l o tt e s tr e q u i r e m e n t sa n dc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fa l lk i n d so ff a s t r e a c t i o ne q u i p m e n t s ，an o v e li m p i n g i n gs t r e a m sr e a c t o rw a sd e v e l o p e d t os o l v et h ep r o b l e mo f t h es h o r tr e s i d e n c et i m eo fi m p i n g i n gs t r e a m s ，as t a t i cm i x e rw a sc o n n e c t e d w i t ht h ei s ri ns e r i e s t h eb o d yo f t h i si s rw a sah o r i z o n t a lh e l i c a l l yc y l i n d r i c a ls h e l l ，a n dt w on o z z l e sw e r ei n s t a l l e da t t h et w oe n d so ft h ec e n t e rl i n eo ft h ec y l i n d e ro p p o s i t e l ya n dh o r i z o n t a l l y , w h i c hs u p p l i e dt h e i m p i n g e dj e t s i no r d e rt oe n a b l et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l e sa d j u s t a b l e ，t h en o z z l e sw d l e f l e x i b l yc o n n e c t e d a n dac i r c u l a t i v es y s t e mw a s s e tt op r o l o n gt h er e s i d e n c et i m e t h en o z z l ew a s c o m i s t e do fd o u b l ec o a x i a lp i p e sw h e r et h ef r e s hf e e dw a si nt h ei n n e rp i p ea n dt h ec i r c u l a t i v e f l o wi nt h eg a po f t h ep i p e s ，w h i c he n s u r et h ej e t sh o r i z o n t a l l ya n dc o a x i a l l yf o rm 【i m l | 】mm i x i n g t h es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no ft h es t a t i cm i x e rw a ss t r i c t l yo b s e r v e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d a f t e r s t r e n g t hc h e c k , i tt u m e do u tt h a tt h i sd e s i g nm e tt h er e q u i r e m e n t s t h em a c r om i x i n gc h a r a c t e ro ft h i si s rw a ss t u d i e du s i n gp u l s ei n j e c t e dk c ia st h et r a c e r a n dc o n d u c t i v i t ym e t e rr e c o r d i n gt h er e s u l t s e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta td i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， s u c ha sf l u x e s ，c i r e u l a t i o na n di n t e r - n o z z l ed i s t a n c e se t e t h ed i f f e r e n c e so ft h er e s i d e n c et i m e d i s t r i b u t i o n ( r t d ) b e t w e e nv i s c o u sm e d i u ma n dd e i o n i cw a t 贮tw e r ec o m p a r e d t h eb a c km i x i n g w a si n c r e a s e di nt h ev i s c o u sm e d i u m , a n dt h er e s i d e n c et i m ew a sp r o l o n g e d an o v e l f o u r - p a r a m e t e rr t dm o d e lw i t hap l u gf l o wu n i ta n dac o m b i n e du n i t , w h i c hc o n s i s t so fag a m m a m i xu n i ta n dac s t ru n i ti np a r a l l e l ，c o n n e c t e di ns e r i e sw a sd e v e l o p e d t h em o d e le q u a t i o ni s 阶7 ( 昌) 4 志们圳广1 口号肛八l - 舢+ 等等p 舞乒门卜删 t h es i m u l a t e de ( t ) c u r v ew a sa l m o s tc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hs h o w e dt h a tt h i s m o d e lr e v e a l e dt h er e a li u do ft h er e a c t o r n ei o d i d e i o d a t et e s tr e a c t i o nw a su s e dt oc h a r a c t e r i z em i c r om i x i n gi i it h ei s l le x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r om i x i n gw a so b v i o u s l ye n h a n c e db yi n c r e a s i n gt h ef l u x , a n das m a l l i n t e r - n o z z l ed i s t a n c ea n das u i t a b l ec i r c u l a t i o n 锄i m p r o v et h em i c r o - m i x i n ge 伍c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o 璐s o m em o d i f i c a t i o n sw a sm a d et ot h ei n c o r p o r a t i o n m o d e l ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cm i c r o - m i x i n gt i m et mc a l c u l a t e db yt h i sm o d e lw a so n l y4 - 17m s n a b s t r a c t m u c hs h o r t e rt h a nt h a ti nt h es t i r r e dt a n kr e a c t o r , w h i c hs h o w e dt h a ti s rp r o v i d e ds i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n to fm i c r om i x i n g t h em i c r o m i x i n gt i m ew a gr e l a t e dt ot h es e g r e g a t i o ni n d e x , t h e r e l a t i o n s h i pi si i n e rw h e nt mw a ss m a l la n dq u a d r a t i cf u n c t i o nw h e nt mw a sl a r g e ，w h i c hw a si n g o o da g r e e m e n tw i t ht h o s ei nt h ei i t e r a t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i ct i m ew a sa l s oe s t i m a t e db a s e do n t u r b u l e n c et h e o r y , a n dt h er e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h a to fi n c o r p o r a t i o nm o d e l e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ti m p i n g i n gs t r e a m sr e a c t o rh a dag o o dm i c r om i x i n g p e r f o r m a n c ea n dw a su s e f u lf o rf a s tr e a c t i o n s t h er e s i d e n c et i m ew a s s h o r ts ot h a tt h ea d j u s t i n g o nt h ei u db yc i r c u l a t i o ni sl i m i t e d f o raf a s tr e a c t i o nw h i c hn e e d e dal o n gt i m et oc o m p l e t et h e r e a c t i o n ，i ti sb e t t e rt ou s i n gi s ri ns e r i e so ral o n g e rs t a t i cm i x e rt oi m p r o v et h em i x i n g , o ra sa p r e m i x i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：i m p i n g i n gs t r e a m ，r e a c t o r , d e s i g n ，r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ，m i c r om i x i n g 1 1 1 符号说明 t e f r 杉 v 0 l z q t f 、f m c i 岛、岛、岛 e g 、e p 、e c v g 、v p 、v c x s y y s t n j c j k 2 k t 、场，矿 k 凡 民 v l 、v 2 f j u 、z 、w 1 1 q 0 1 3 am 下标 l 、1 0 2 、2 0 ( ) t 符号说明 时间，s 停留时间分布密度函数 停留时间分布函数 循环比 单股循环物料流晕，l h 单股新鲜物料流量。l h 喷嘴间距，m m 总物料流量，阶 宏观模型参数 宏观平均停留时间，s 第i 处的示踪剂浓度，m o l l 分别为g a m m a 单元、平推流单元、全混流单元的平均停留时间，s 分别为g a m m a 单元、平推流单元、全混流单元的e 分别为g a m m a 单元、平推流单元、全混流单元的反应器体积，l 分隔指数 碘离子氧化消耗的氢离子占总氢离子的比例 完全离席下的y 物质i 的摩尔数，t o o l 物质j 的浓度，m o l l 碘离子氧化反应的速率常数，( t o o l l ) 4 s 以 平衡常数，l m o l 温度，k 分别为溶液a 、b 和总体的体积流量，l h 微观混合时间，s 第i 个反应的速率，m o l ( l s ) 物质j 的反应速率，m o l ( l s ) 分别为团聚模型中环境和聚集体的体积，l 物质i 的对比浓度 团聚模型中的随机变晕 宏观模型中流经g a m m a 单元的物料分率 g a m m a 混合单元的单元数 无量纲时间 溶液a 、b 的流鼍比 微观混合比 分别为团聚模酗中环境中任意时刻和0 时刻的物理晕 分别为团聚模型中聚集体中任意时刻和0 时刻的物理量 团聚模型中环境中t 时刻的物理鼍 - 5 4 - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：益鎏 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公稚( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：逾睦导师签名：型釜堡日 期： 东南大学硕士学位论文 o 1 课题背景 静士 日看 本论文是高性能纳米亲水铝箔涂覆材料课题的一部分，课题主要研究对空调换热器翅片铝箔表 面亲水处理，东南大学化学化工学院从上世纪9 0 年代中期开始进行亲水铝箔涂覆材料的研究工作 d - 3 1 ，通过课题组科研人员的共同努力，科研丁作取得了突破性进展，并获得了科技部创新基金资助。 为了使科研成果最终能够实现工业化，课题组与春兰集团进行了持续的科研合作【4 】，目前科研成果 已顺利实现了工业化生产。本论文是在前人工作基础上的进一步探索，着重从工业角度研究混合对 该快速反应的影响，通过开发一种新型的对撞流反应器，从反应设备的角度研究如何提高涂料性能。 许多由传递控制的化- t 过程，通常涉及到复杂的快速反应过程，反应结果的好坏与反应器的混 合状况密切相关。对于在液相或以液相为连续相的多相体系中进行的过程，设备的混合状况对过程 的效率有重要影响。而对于发生在分子尺度上的过程，如化学反应和沉淀结晶过程等，微观混合有 着更重要的影响。对于大部分快速反应过程。微观混合通常是过程的控制步骤。 纳米涂料的制备主要进行自由基聚合反应，其特征反应时间非常短，反应过程和涂料质量( 包括 粒径和粒径分布等) 受混合尤其是微观混合的影响很大。快速化学反应过程对反应设备提出了更高 的要求。 撞击流反应器是一种基于撞击流的新犁反应器。撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m ，i s ) 的概念于1 9 6 1 年首先由e l p e r i n 提出p i ，其后关于i s 的研究主要集中在强化相间传递方面。由于i s 在热、质传递方面 有着独特的优越性，近年来已经越来越受关注。经过几十年的发展，撞击流应用于气相作为连续的 的过程，已经获得大量的基础实验数据睁9 i ，在国内市场上也已经有此类反应器应用于实际生产，如 撞击流式烟气脱硫脱氮除尘一体化装置l l 。随着撞击流技术的发展，其用于液相过程的研究逐渐受 到重视【l0 1 ，出现了撞击流装置的专利，如：中国石油化上股份有限公司的一种用于液相反应的撞击 流反应器【l 引，武汉化工学院的浸没循环撞击流反应器i l 川，旋涡撞击流脱硫除尘装置i l 引，多组同轴相 向撞击流混合式反应器【l5 1 ，无旋撞击流换热式结晶器1 1 6 1 等。虽然它们各自具有局限性，但撞击流反 应器的价值已经逐渐向人们展示出来。撞击流技术用于液相过程的研究越来越受到重视。 由于撞击流优越的微观混合性质，对于快速反应，撞击流反应器具有显著的优势。但目前已获 专利或市场上的这类反应器大多存在宏观混合时间较长的不足，有的撞击流速受限制从而影响产品 质量的进一步提高。 纳米涂料的制备过程由于特征反应时间很短，混合尤其是微观混合对涂料的粒径及粒径分布影 响显著。由于撞击流反应器的独特优点，拟采用此类反应器对该涂料的制备r t 艺进行优化。本课题 按照日产5 0 0k g 的要求设计一套停留时间可控的撞击流反应器系统，并从实验和理论两方面对该反 应器进行系统研究。 0 2 论文的研究意义和任务 撞击流反应器在各种过程中的应用研究已经表现出其优越的性能，而开发一种撞击流反应器并 将其应用于纳米涂料的制备还鲜有报道。本文旨在以纳米涂料为背景开发设计一种新型的适用于液一 液快速化学反应体系的反应设备，并通过对其混合特性的研究加深人们掌握该反应器中混合基本规 律的认识，其成果可望为工业装置的设计、改进和拓宽应用领域提供可靠参考数据。 为此，本论文主要进行以下几个方面的1 ：作： ( 1 ) 研究和设计一种新型的撞击流反应器，组建一套相应的反应装置； ( 2 ) 采用k c i 作为示踪剂研究反应器的宏观混合状况，并通过实验寻找最佳宏观混合状况的操 作条件； ( 3 ) 采用碘化钾碘酸钾体系测试反应器的微观混合性能； ( 4 ) 对反应器特性进行理论的分析与模拟，为装置的放大提供参考。 前苦 本文研究的主要创新点： 1 ) 反应装置将撞击流技术与静态混合器相结合。充分发挥二者的优点，提供快速高效的微观混 合。 2 ) 对撞流反应器由圆筒形反应器壳体、水平同轴对称安装在壳体封头上的两个喷嘴组成，该结 构简单，又可以使无混合区域较小，有效反应器体积的比例高，放大设计时各参数相互影响小。 3 ) 反应器喷嘴采用二流体式套管形式，能保证进料和循环物料的相向运动的流体高度同轴，形 成强烈的撞击，有效强化微观混合。 4 ) 反应装置中除了作为动力装置的泵，其余部分均为静态结构，结构简单，操作方便，可以避 免大量动设备带来的能耗和机械维护。 5 ) 提出了符合该反应器的宏观混合模型。 6 ) 对团聚模型进行了修正和改进，使之能应用于撞击流反应器。 东南大学硕士学位论文 1 1 撞击流反应器 第一章文献综述 1 1 1 撞击流技术的基本原理 撞击流的概念m e l p e r i n 首先提出 5 1 ，用于两相悬浮体，强化非均相体系的传递过程。后来t a m i r i l 7 1 等对此进行了深入的研究，并将其应用于固体颗粒的干燥、固固和气气混合、气体的吸收与解吸、 气体和煤的燃烧、乳液制备、液液萃取、离子交换、粉尘收集和造粒等多种化工单元操作过程，使 撞击流技术有了更大的发展。 撞击流的基本原理如图1 1 所示：两股很靠近的等量的悬浮体沿同轴反向流动，在其中点处发生 撞击。由于惯性，颗粒穿过撞击面渗入反向流，如此反复进行，直到因颗粒间相互碰撞、速度降低 等原因被排出系统为止。其结果是在两根加速管之间产生一个较窄的、为强化悬浮体中相间传递提 供极好条件的区域，即撞击区。撞击区内颗粒浓度较高，颗粒多次来回振荡和相互渗入、撞击区的 高度湍动和很大的相间相对速度为热、质传递提供了极佳的传递条件。 从各文献研究结果来看，撞击流是强化相间传递尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之 一，传递系数可比一般方法提高数倍到十几倍，这一特性受到普遍关注，用于气相过程的研究较多。 撞击造成的另一结果是极大地促进混合，尤其是微观混合，这在液相过程中的作用更加显著。 1 1 2 撞击流的技术特点 c 攮击舅 图1 1 撞击流原理 缱 颤 - o - 、一一 凌体控干 了解撞击流的基本性质，对于开发设计基丁撞击流技术的反应器具有指导意义。根据前人以及 现代国内外学者的研究，从撞击流的工作原理及其可能的应用途径的观点来看，撞击流有如下的重 要性质： 1 中等的流体阻力 因撞击流中涉及高速流动，流体阻力成为人们关注的问题之一。我国学者吴高安和伍沅等人垆j 对气固体系在水平撞击流接触器中进行了研究。结果表明：( 1 ) 只要装置结构设计合理，流体阻力并 不大：( 2 ) 压降主要消耗在加速固体颗粒，约己i 总压降的8 0 。然而，对于过大、过重的颗粒，因为 加速需要的能量相当高，所以采用撞击流处理则是不恰当的。对于液相的均相过程，没有附加阻力 产生，流体阻力仅与流速有关。根据t a m i r 的研列1 7 1 , 在设置多级撞击、多对撞击流时，会产生非撞 击流本身因素引起的阻力。 2 j 艮高的传递系数 撞击流是为了强化传递过程而提出的，这也是它逐步发展和最具吸引力的一个重要性质。t a m i r 掣1 。7 】对各种物系和多种单元过程的试验研究的结果表明，撞击流中相间传递系数，特别是对于两相 密度差很大和外扩散过程的传质系数，可以比传统过程提高数倍到十几倍。撞击区内粒子或液滴往 3 - 墼 l ： - 、鬻矗_ 蓦| 1 雾 删黼 俐 燃一蝌 第一章文献综述 复渗透和碰撞，延长了停留时间，促进了表面更新，从而有效的提高了相间传递系数。 3 撞击区混合强烈 在撞击流混合器中，由于两相流的对撞造成强烈湍动，促进了两相流之间的混合。t a m i r l l7 j 研究 了撞击流用于固体颗粒混合，试验结果表明撞击流人人增强了颗粒运动的随机性，使得撞击区成为 颗粒的理想混合区。对于液相体系，肖杨【懵j 研究了浸没撞击流反应器内的流动与混合情况，发现该 反应器在动力消耗很低的情况下仍能非常有效地促进微观混合；欧刚朝斌等i i 州将撞击流技术应用于 旋转填料床，发现其混合效果明显好于单纯旋转填料床。m a h a j a n 等t 2 0 l 实验研究了无循环两流自由撞 击流和浸没撞击流中的微观混合，通过实验测的特征微观混合时间仅为毫秒级。所有这些研究结果 都表明撞击流可以有效地促进微观混合，这是极有应用潜力的特性。 4 停留时间很短 吴高安等【8 1 研究了气固撞击流接触器中颗粒停留时间分布，其结果是：撞击区中颗粒平均停留 时间很短，仅约ls 。孙勤等1 6 l 通过实验测得气液相撞击流反应器内停留时间仅为2 - 3s ，倪建军等l r 1 通过模拟得到撞击流气化炉内的停留时间也仅为儿秒。撞击流虽然能够有效地强化传递，但是停留 时间很短，可能导致过程进行不完全，撞击流技术的应用也有一定限制作片j 。 5 两流体间的相互作用 撞击流的基本组成是两股射流流体，对于液相撞击流，由于密度较气体密度大，相向撞击的两 流体间动量传递非常强烈，导致流团间，特别是相向流体的流团间剪切力急剧增大，最终导致强烈 的微观混合。同时，撞击面上产生流团或分子振动，表现为压力波动， 并向周围传播l i 训。这些对 强化传递都有重要的作用。 1 1 3 撞击流技术的研究进展 撞击流技术从e l p e r i n 提出，到t a m i r 等对此进行推广，发展至今，有关于撞击流的研究大致可分 为三个阶段【2 l 】。第一阶段从2 0 世纪6 0 年代初到7 0 年代初，是初创时期，研究对象基本上以气体为连 续相。第二阶段从1 9 7 4 年e l p e r i n 去世到9 0 年代中期，研究对象大部分( 约8 0 9 0 ) 仍然以气体 为连续相。此后十几年的研究可以认为处于第三阶段，研究重点明显转向以液体为连续相，同时开 始撞击流传热的研究。 对于多相过程而言，不论分散相是同体还是液体，气体连续相撞击流的共同特点是：连续相黏 度低，与分散相密度差大，撞击区湍动强烈，相间相对速度很大，分散相可以在两者间做往复渗透 震荡运动。这些现象对强化相间传递极为有利。毫无疑问，气体连续相撞击流是迄今强化相间传递 最有效的方法之一。但是对于液体来说，其分子聚集状态与气体完全不同，物理性质有重大差异： 密度大、黏度大以及液体分子振动或转动的自由程短等，使得液体连续相撞击流相间的传递系数没 有气相撞击流那么显著，而两相间的相互作用却比气相要强得多。因此，液体连续相撞击流最重要 的性质是促进微观混合和波动特性发现这一特性之后，上世纪9 0 年代以来撞击流技术领域快速扩大， 尤其是向化学反应体系方面扩展。 以发现其优越的微观混合性质为契机，9 0 年代以来撞击流技术领域的研究明显转向以液体连续 相为重点。据不完全统计，在从6 0 年代初到7 0 年代中期，有关l i s 的论文占撞击流论文总数的比例不 足1 0 ；而从1 9 9 1 至2 l 世纪初的十余年间，该比例剧增到约6 0 。 撞击流流动特性研究是在单相中进行的，并有“镜像”这一概念，认为两股相距l 的射流发生撞击 时，相当于各自与距其l 2 处的平面撞击。李伟锋等1 22 | 测定并模拟了小喷嘴间距下流场分布，包括轴 向速度和湍流强度的分布和撞击驻点的偏移规律，研究发现两股液体撞击时，其撞击面是在其中心 位置附近波动的，随着两射流喷嘴间距离的增大或者气速比的减小，撞击面驻点的偏移晕增大。许 建良等1 9 通过对不对称撞击流进行实验研究和数值模拟发现当喷嘴间距一定时，轴线撞击面驻点偏 移量随气速比和喷嘴直径的增大而增大。文献都表明撞击面并不是同定的，而是随着反应器内的条 件在撞击区内波动的，而这种波动对混合也是有利的【j 。 关于撞击流的流动结构也有大量的研究。刘海峰【2 3 j 等测定了大喷嘴间距下对置撞击流在撞击后 的径向速度分布，结果表明最大径向速度与射流初速度、喷嘴直径和喷嘴间距有关，最大径向速度 对应的径向距离与喷嘴直径无关，径向速度分布具有相似性。p e i c h e n gl t l o 2 4 1 等利用非倒装平面激光 诱导荧光技术( p l i f ) 研究了低黏度下薄液膜撞击混合的情况，研究表明，受限制的撞击区比自由撞 击区情况下的混合效果更好，且两液膜的夹角越大、外侧流体速度与内侧流速的比值越大，则在较 短的时间内混合更均匀。这些基础研究对于撞击流技术的应用以及设备设计都有重要的指导意义。 随着计算机技术的发展，借助计算机模拟进行撞击流技术的数字化研究也越来越普遍，目前国 4 东南大学硕【：学位论文 内外这样的文献也逐年增加。 e m m a n u e l ag a v i 2 s 】借助于c f d 技术，采用假设的随机密度函数( p d f ) 对受限制的对撞射流反应 器( c i j r ) 分子尺度上的混合过程进行了模拟，估计了操作条件和反应器几何结构对混合的影响，提 出了该对撞流反应器的放大准则。f l o r i a ns c h w e r t f i r m1 2 6 j 采用直接数值模拟研究了一种受限制对撞射 流反应器( c u r ) 在低雷诺数下的流体流动和混合状况，通过对模拟数据的分析发现，流体结构主要 受出料管内稳定的漩涡所主导，在对撞区内形成高度的湍流和能量耗散速率，且强度沿着出口方向 降低。d a eh e el e e 2 7 1 等研究了圆形湍流射流撞击到平板表面的传热和流体流动情况，在半径小于0 5 倍喷嘴直径( 国的滞留区内，局部鲁塞尔特准数n u 随喷嘴直径增加而增加，在大于o 5 d 的范围内n u 可 以忽略。 随着撞击流基础数据的完善，现代研究手段和技术的发展，撞击流技术的研究越来越深入。撞 击流技术应用于工业过程的实际价值也逐渐体现出来。另外由文献【2 4 】和【27 】可看出，撞击流如做成管 式反应器其作用更佳，如在t 形管等的狭小的交汇点处反应应该比具有较大反应器体积的混合效果要 优异很多。 1 1 4 撞击流反应器的研究现状 撞击流装置通常包括两个主要部件：加速管，它也是流体的进口管：分别设有连续相和分散相 的出口的撞击流装置本体。t a m i r 对各种不同结构的撞击流装置提出了一些分类方、法【1 7j 。 根据流体在撞击流接触器本体中的流动分为： a 同轴逆流两股流体沿同轴反向流动进入装置，撞击前均为自由射流。 b 偏心逆流不同流体不同轴流动。 c 共面旋流两流体在同一平面上切向进入装置相向流动，撞击前各自流线为沿壁共面半圆形， 等等。如图1 2 所示： 根据撞击流装置的操作方式分为： a 双侧进料连续式两相均为稳态流动，颗粒对称地加入两股流体。 b 单边进料连续式两相均为稳态流动，但颗粒仅加一股流体。 c 半间歇式只有连续相为稳态流动，颗粒在装置内循环。 图1 2 流体流动形式 t 三适毒t 遍 基于这些理论的分类，目前研究中的撞击流反应器各式各样，有的是在撞击流反应器本身变化， 有的是和其他技术耦合起来的，从而使得撞击流反应器的应用领域进一步拓展。 伍沅等【2 8 j 为反应沉淀法制取超细粉体而设计的浸没循环撞击流反应器( 图1 3 ) 适用于液相或 以液体为连续相的多相反应体系的反应器，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需要。张联节 等【2 刿研发了一种撞击流萃取反应器( 图1 4 ) ，对模拟含铬电镀废水中的c r 6 + 进行了萃取脱除实验研究。 该反应器中有机相和水相从两喷嘴处进入，再经过逆流撞击和搅拌混合后从溢流口流出，属于连续 的全混流反应器。对撞喷嘴为水平安装，避免了轴向撞击流反应器中复杂的搅拌轴密封问题。李国 朝等1 3 0 j 利用撞击流和平推流的优点，开发出一种新型的撞击流吸收器( 图1 5 ) ，其主要由撞击混合 5 第一章文献综述 器、平推流段、气液分离器三部分构成。由于利用了撞击流强化混合以及平推流操作推动力最大的 特性，该反应器实现结果证明其具有优良的吸收性能。 7 图1 3 浸没循环撞击流反应器 j 。? 手 ： f ! l 、j ，一一 i l ： 镒流f j 搅拌紧 撼扳 嚷嗡 图1 - 4 萃取反应器主体结构 i 雒蛆 i 瞎， 剩 i f i 诣 迈 翱c 稍， 叫 接鼬 。；i】 一定习 l 科 一 - 图1 5 新型吸收器结构 从总体上看，相当大的一部分撞击流反应器还是集中采用同轴逆流的对撞形式。正如前面提到 的，由于撞击流的停留时间短，单独使用有所限制，撞击流技术与其他技术耦合就更显示出其优势 来。如焦纬洲等p l j 将撞击流( i s ) 与旋转填料床( r p b ) 反应器结合起来( 图1 - 6 ) ，将i s 反应器和 r p b 反应器的优点集于一身，其微观混合性能比单纯i s 和r p b 反应器都要好。但其主要的作用并不单 纯是撞击流的作用，而是特殊的离心超重力情况卜的效果。尽管撞击流的特性决定了它较难实现多 级、复杂流程的安排，孙承掣强j 等还是撞击流的独特优势，提出了二流三级撞击流干燥的装置，并 对其作用机理和设计参数等进行了研究( 图1 7 ) 。m o r t e z ai j 刮等在一种两流体撞击流反应器( t i s r ) 中进行苯磺化试验，考察了不同操作条件下的反应程度，并与c s t r 中的反应结果比较，发现t i s r 具有明显的优势。a s g h i l l 0 4 1 在相向的两股撞击流间加入两块可同定也可旋转的平板，将射流对撞、 射流与平面的撞击以及旋转的离心作用综合起来，用于液一液幕取过程，效果明显。 6 东南大学硕士学位论文 l ，2 谱料管；3 ，7 密封；4 赜嘴：5 娥科：6 - f i t 料l | ：8 转轴 气 体 图l - 6i s r p b 反应器结构图1 - 7 二流三级撞击流干燥系统示意图 由于撞击流的优越性，近十几年来，撞击流技术已经引起各国学者的重视，基于某一种特定形 式的撞击流反应器的优化，研究反应器特性及反廊器内的流场分布、压力分布与压力波动分布等， 为撞击流反应器的开发、设计与放大提供了依据。唐黎明等p 别利用三维粒子动态分析仪对撞击流混 合器流场进行了湍流测量和流场分析，给出了混合器内速度场分布、脉动速度等实验结果，为撞击 流混合器的设计和放大提供有价值的实验数据。屈一新等1 3 6 j 构造了计算撞击流流场分布简化模型， 并进行了分析和讨论。撞击流的最大径向速度随喷嘴尺寸及入口流速的增大而增大，随喷嘴间距的 增大而减小，最大径向速度对应径向距离随喷嘴间距及喷嘴尺寸的增大都有一个最大值。李芳等1 3 7 j 在分析石灰乳吸收湿法脱硫反应特性的基础上，充分考虑了所研究体系的物理化学特性，并利用已 有的有关研究成果确定了吸收装置主要结构尺寸，由流速来确定加速管直径及长度，根据无因次撞 击距离确定合适的撞击距离，实验中确定了可行的操作参数。该反应器结构、流程简单、具有优良 的总体性能。张和平等 3 8 1 综合多种萃取设备的优点，设计出一种适用于液液分离的撞击流萃取设备； 并借助a n s y s 有限元程序对该装置进行了流场数值模拟，得出撞击区是能量集中区域，为萃取提供 了良好的条件。 随着撞击流的理论和应用研究的深入，撞击流技术已引起各国有关专家的重视，撞击流反应器 在干燥、研磨、制取超细粉体、吸收、燃烧、萃取等方面的应用已日趋普遍。许多学者开展了该技 术的应用研究工作，并取得了一系列的进展，并且其应用范围也逐渐变宽，也日趋显示出撞击流反 应器一种极具潜力的过程设备。 1 2 宏观混合 在许多由传递控制的化工过程中通常涉及到复杂的快速反应过程，反应结果的好坏与反应器的 混合状况密切相关。一般混合过程都涉及宏观和微观两个尺度上的混合。大尺度的混合现象，如搅 拌釜式反应器中，由于机械搅拌作用，反应物流发生设备尺度的环流，使物料在设备尺度上得到混 合。宏观混合是微元群体的行为，即物料湍流扩散与主体对流两个较大尺度上的过程。微观混合是 流体在反应器内由微团进一步通过分子扩散所达到的分子级的分散与均布的过程。物料在反应器内 分子级的分散和均布称为微观最大混合，这种流体即所谓的微观流体。微观混合的另一个极端是微 观完全分离。这时，物料以微团形式分散在反应器中，微团与微团之间不发生分子扩散和物料传递。 在实际反应器中，两种尺度的混合往往同时进行，而不是先宏观混合到微团级的分散，再分子扩散 到微观混合。混合过程存在着两种极限状态：如果反应的特征时间远大于混合时间，则不发生离析， 这时观察到的反应速度是由化学动力学决定的，这种反应为慢反应；然而，当混合时间远远超过固 有的反应时间( 即在混合状况良好的溶液中反应所需的时间) 时，则会发生完全离析，这时观察到的反 应速度由反应物向反应界面扩散的速度决定，这种反应称为瞬时反应。在这两种极限状况之间的反