多通道撞擊流微反應(yīng)器微觀混合性能的CFD模擬研究.pdf

1、反應(yīng)器是化學(xué)工業(yè)中最重要的工具。幾十年來，反應(yīng)器的強(qiáng)化過程已經(jīng)吸引了廣泛的關(guān)注。反應(yīng)器強(qiáng)化的關(guān)鍵是強(qiáng)化其在分子尺度上的混合性能，因?yàn)樗鼪Q定了所有化學(xué)反應(yīng)的各種參數(shù)，如選擇性、產(chǎn)量、副產(chǎn)物的生成和放熱等。人們做了大量的工作以達(dá)到同時(shí)減小反應(yīng)器尺寸和增強(qiáng)其混合性能的目的，其中所涉及到的反應(yīng)器有微通道反應(yīng)器、毛細(xì)管反應(yīng)器、撞擊流反應(yīng)器和旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器等。這些反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原則是改善其傳質(zhì)效率。通常增強(qiáng)反應(yīng)器傳質(zhì)效率的途徑是通過增大流體間的接觸面積或

2、者增大流體的初始速度來形成撞擊。與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器相比，這些新型的反應(yīng)器在改善混合性能方面表現(xiàn)卓越并被應(yīng)用到一系列的化工過程，如聚合物、催化劑和納米粉體的制備、萃取過程和吸收過程等。然而，這些反應(yīng)器依然存在著一些問題，如處理量不大、通道堵塞、難以制造和組裝、價(jià)格昂貴和難以放大等，這些問題嚴(yán)重限制了其在大型化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用。
　　本文提出了一種多通道微撞擊流反應(yīng)器。它具有四個(gè)通道和一個(gè)大的反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)器的出口很大以確保反應(yīng)后的流體能

3、平滑地流出。反應(yīng)器的進(jìn)口可以根據(jù)需要靈活地調(diào)整為一、二或四個(gè)。通過增強(qiáng)各組分間的相互作用使得該反應(yīng)器的混合性能和傳質(zhì)效率得到顯著提升。流體由四個(gè)入口以較高的流速分別進(jìn)入反應(yīng)器并在混合區(qū)域強(qiáng)烈撞擊，這就使得流體破碎程度加強(qiáng)從而增強(qiáng)了組分間在分子尺度上的相互作用。多通道微撞擊流反應(yīng)器的微觀混合性能相當(dāng)優(yōu)良。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)提出了一種多通道微撞擊流反應(yīng)器，借助“碘化物-碘酸鹽”平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系以離集指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了反應(yīng)器的

4、微觀混合性能，考察了雷諾數(shù)對(duì)微觀混合的影響，結(jié)果表明離集指數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而減小，當(dāng)雷諾數(shù)大于3000時(shí)，離集指數(shù)的數(shù)量級(jí)達(dá)到10-5，表明反應(yīng)器在此操作條件下具有較高的微觀混合效率。(2)利用CFD技術(shù)研究了反應(yīng)器的微觀混合性能，其中采用了k-ε湍流模型、歐拉多相模型和有限速率組分運(yùn)輸模型并考慮到了瞬態(tài)和重力因素的影響。CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。所得出的可視流場(chǎng)圖能幫助我們更好地了解反應(yīng)前和反應(yīng)后的水-空氣兩相和流體間的

5、相互作用。(3)通過增加反應(yīng)前的入口數(shù)量考察了該反應(yīng)器的放大規(guī)律，并且研究了進(jìn)口數(shù)和流體流量對(duì)混合性能的影響。通過比較不同入口數(shù)的流場(chǎng)信息得出:增加該反應(yīng)器的入口數(shù)量對(duì)其微觀混合性能的改善并不明顯。在雷諾數(shù)大于3000時(shí)，入口數(shù)為一、二或四個(gè)的反應(yīng)器的離集指數(shù)幾乎一致。這可能是因?yàn)楦吡魉贍顟B(tài)下兩股流體已經(jīng)形成了良好的撞擊混合。
　　與其他形式的微反應(yīng)器相比，多通道微撞擊流反應(yīng)器有許多優(yōu)勢(shì)，如處理量大、無出口堵塞問題，較好的混合性能