錐環(huán)擋板振蕩流反應(yīng)器的CFD研究.pdf

1、振蕩流反應(yīng)器是一種強化傳遞性能的新型化工過程設(shè)備，在連續(xù)操作狀態(tài)下具有優(yōu)良的停留時間分布特性，在化學(xué)反應(yīng)、絮凝、結(jié)晶等化工生產(chǎn)過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。錐環(huán)擋板OFR有效地解決了反應(yīng)器中固體粒子滯留問題，對液固體系有獨特的應(yīng)用價值。目前關(guān)于錐環(huán)擋板OFR的速度場結(jié)構(gòu)已有初步的CFD研究，但是研究還停留在定性分析階段，尚未涉及濃度場及化學(xué)反應(yīng)過程的研究。
　　 本文以實驗用圓環(huán)擋板OFR為參照，構(gòu)建同等尺寸的錐環(huán)擋板OFR幾何結(jié)構(gòu)

2、，采用計算流體力學(xué)方法進行建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值求解和結(jié)果分析。反應(yīng)器為14腔室結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行離散，網(wǎng)格總數(shù)為957083。求取時均化雷諾應(yīng)力方程，引進標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型模擬流動過程，在控制方程的離散方法中，瞬態(tài)項采用二階向后歐拉差分格式，對流項采用highresolution格式。對振蕩邊界條件采用網(wǎng)格變形處理?；瘜W(xué)反應(yīng)模型采用有限速率化學(xué)模型。模擬得到了錐環(huán)擋板OFR用于間歇振蕩過程和連續(xù)流動振蕩過程

3、的流場特點、混合形式及濃度場混合效率，對連續(xù)狀態(tài)下的乙酸乙酯堿性水解反應(yīng)過程的特點進行了分析，并對比了計算結(jié)果與圓環(huán)擋板OFR實驗結(jié)果。
　　 對于間歇振蕩過程，流場最明顯的特征是漩渦結(jié)構(gòu)以及由此造成的軸向返混和徑向混合。主流區(qū)在上下半腔室的位置恰好相反，沿流體總體流向方向，軸心區(qū)為主流區(qū)，而另一半腔室的管壁區(qū)為主流區(qū)，這是漩渦結(jié)構(gòu)的存在造成的。漩渦邊緣流體的周向流動造成了返混，返混量的大小與振幅和頻率有關(guān)，振幅和頻率較小時，返

4、混量較??；振幅和頻率較大時，返混量較大，并基本隨二者呈線性遞增。振幅和頻率增加時，流場逐漸轉(zhuǎn)為非對稱結(jié)構(gòu)，偏流現(xiàn)象嚴(yán)重，到一定程度時，流場基本形態(tài)不再發(fā)生改變。對濃度場的研究發(fā)現(xiàn)，下半腔室的濃度平均值明顯要高于上半腔室，組分的軸向傳遞過程主要是在上下半腔室界面區(qū)域進行，并由軸心區(qū)傳遞至另一半腔室的管壁區(qū)。
　　 對于連續(xù)流動振蕩過程，凈流量的大小對流場結(jié)構(gòu)影響較大。對于較大凈流量的情況，振蕩強度較小時凈流量對振蕩流場的影響占主導(dǎo)

5、，振蕩條件對流場的影響有限。隨著振蕩強度增大，流場的湍動程度增加，漩渦結(jié)構(gòu)明顯，漩渦強度增強。濃度場的研究結(jié)果表明，在較小凈流量下組分的傳遞主要受振蕩流場速度場結(jié)構(gòu)的作用，在較大凈流量下，組分的傳遞更多的受凈流的影響，在軸向傳遞較快而在徑向較弱。
　　 計算得到的乙酸乙酯水解反應(yīng)宏觀反應(yīng)結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近，在不同振蕩條件下兩者的趨勢基本上一致，即：振幅較小時，隨著振蕩雷諾數(shù)的增加，反應(yīng)的總體轉(zhuǎn)化率在增加。可以解釋為：在較小的