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)器的強化過程已經(jīng)吸引了廣泛的關(guān)注。反應(yīng)器強化的關(guān)鍵是強化其在分子尺度上的混合性能，因為它決定了所有化學(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到同時減小反應(yīng)器尺寸和增強其混合性能的目的，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)計原則是改善其傳質(zhì)效率。通常增強反應(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。它具有四個通道和一個大的反應(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)器的進口可以根據(jù)需要靈活地調(diào)整為一、二或四個。通過增強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。流體由四個入口以較高的流速分別進入反應(yīng)器并在混合區(qū)域強烈撞擊，這就使得流體破碎程度加強從而增強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。本論文的主要研究內(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”平行競爭反應(yīng)體系以離集指數(shù)為評價指標(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，離集指數(shù)的數(shù)量級達到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)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。所得出的可視流場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，并且研究了進口數(shù)和流體流量對混合性能的影響。通過比較不同入口數(shù)的流場信息得出:增加該反應(yīng)器的入口數(shù)量對其微觀混合性能的改善并不明顯。在雷諾數(shù)大于3000時，入口數(shù)為一、二或四個的反應(yīng)器的離集指數(shù)幾乎一致。這可能是因為高流速狀態(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，如處理量大、無出口堵塞問題，較好的混合性能