開放式撞擊流反應(yīng)器流場特性研究.pdf

1、撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床（impinging stream-rotating packed bed,IS-RPB）由于其傳質(zhì)強(qiáng)度高、停留時(shí)間短、返混程度小、易于連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在液-液混合、反應(yīng)，液液乳化、萃取等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其最大混合特點(diǎn)是利用超重力裝置內(nèi)徑處的端效應(yīng)抵消開放式撞擊流反應(yīng)器的邊緣效應(yīng)，使物料進(jìn)行兩次混合。開放式撞擊流結(jié)構(gòu)撞擊面的大小與旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)徑尺寸“耦合”是這一機(jī)制的關(guān)鍵所在，也是消除撞擊流混合邊緣效應(yīng)，提高

2、混合效果的根本原因。但是，目前關(guān)于開放式撞擊流內(nèi)湍動能分布等流場特性尚無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，尋求合適的手段或方法研究開放式撞擊流反應(yīng)器內(nèi)碰撞過程及流動特征對于其混合機(jī)理的研究具有重要意義，可為IS-RPB的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)意義。
　　本文以探索兩噴嘴開放式撞擊流反應(yīng)器混合機(jī)制為目的，采用PIV技術(shù)對其內(nèi)部不同噴嘴出口雷諾數(shù)、噴嘴間距與噴嘴直徑下液體破碎模式、撞擊面直徑、瞬時(shí)速度場、平均速度場、駐點(diǎn)位置以及湍動能分布進(jìn)行研究，以

3、流場流線表示液體的運(yùn)動軌跡，發(fā)現(xiàn)兩噴嘴開放式撞擊流撞擊后不形成回流，具有平推流反應(yīng)器的特性，增大了傳質(zhì)推動力，加快了反應(yīng)速率。同時(shí)，不同參數(shù)下的破碎模式表明采用聚并-分散模式解釋其內(nèi)部混合機(jī)理更為合適。駐點(diǎn)對體積流量比的敏感性表明此現(xiàn)象為兩噴嘴開放式撞擊流反應(yīng)器的共同特點(diǎn)，因而不適用于兩股物料不等體積（流量）比、三股以及三股以上物料的混合、反應(yīng)。
　　在工業(yè)生產(chǎn)中，不等體積（流量）的混合、反應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象，當(dāng)兩股物料對撞時(shí)，撞擊

4、面向動量小的一方偏移，造成“噴嘴堵塞”，無法達(dá)到理想的混合狀態(tài)，影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，影響產(chǎn)品的質(zhì)量?；诖?，設(shè)計(jì)了三噴嘴開放式撞擊流反應(yīng)器，以期強(qiáng)化不等體積（流量）比的液液混合效果。提出了高速相機(jī)定性流體結(jié)構(gòu)、PIV技術(shù)測量流體運(yùn)動規(guī)律及湍動程度、微觀混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流場測試結(jié)果完整的三步流場測試方案。通過高速相機(jī)分析了不同撞擊角度、噴嘴出口雷諾數(shù)、噴嘴間距與噴嘴直徑比、底角以及體積流量比下撞擊后流體結(jié)構(gòu)、液體破碎模式，以擴(kuò)張角、液體分散均

5、勻性為評價(jià)指標(biāo)，定性論證了三噴嘴開放式撞擊流反應(yīng)器設(shè)計(jì)的合理性。
　　根據(jù)高速相機(jī)優(yōu)化的操作參數(shù)范圍，采用PIV技術(shù)分析了不同噴嘴出口雷諾數(shù)以及噴嘴間距下瞬時(shí)速度場、平均速度場、駐點(diǎn)位置以及湍動能分布變化規(guī)律，以湍動能為評價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明噴嘴出口雷諾數(shù)顯著影響撞擊后液體的流動方向、湍動能分布以及湍動能峰值；較大的噴嘴間距需要更高的噴嘴出口速度才能達(dá)到與較小噴嘴間距相似的擴(kuò)張角以及速度、湍動能分布，為預(yù)測其混合效果提供理論支持

6、>　　為驗(yàn)證三噴嘴開放式撞擊流流場特性研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用2,2-二甲氧基丙烷（DMP）酸催化水解平行競爭反應(yīng)體系研究其微觀混合效果，以DMP的轉(zhuǎn)化率表征微觀混合程度，結(jié)果表明微觀混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與高速相機(jī)、PIV可視化研究結(jié)果一致。對比不同體積流量比下兩噴嘴開放式撞擊流與三噴嘴開放式撞擊流微觀混合效果，發(fā)現(xiàn)三噴嘴開放式撞擊流微觀混合效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于兩噴嘴開放式撞擊流，顯示出三噴嘴開放式撞擊流用于不等體積（流量）比下液-液混合、反應(yīng)優(yōu)越性。論