高Schmidt數(shù)下噴射器內湍流反應的實驗研究和多尺度模擬.pdf

1、化工裝置中的反應過程通常都是在湍流狀態(tài)下進行的，反應物之間混合的好壞和混合速度的快慢對反應的收率和選擇性具有重要的影響。噴射器作為一種新型的具有高強度混合效果的反應器型式，在石油、化工、環(huán)保、制藥等領域發(fā)展迅速，已有廣泛應用。然而，由于噴射器內湍流反應過程的復雜性和多尺度性，目前對其研究還很不充分，設計和放大都基本依靠實驗來進行。本文對高Schmidt數(shù)下噴射器內湍流反應過程這一復雜問題進行了研究，通過尺度理論分析、面激光誘導熒光(Pl

2、anarlaserinducedfluorescence，PLIF)實驗和計算流體力學(Computedfluiddynamics，CFD)模擬相結合的方法，對湍流反應過程中涉及的宏觀混合、微觀混合、反應過程及其之間的相互作用對噴射反應器性能的影響進行了探討。 一、利用尺度理論對高Schmidt數(shù)下噴射器內湍流反應過程進行了分析，計算了通常情況下湍流反應所涉及的宏觀混合、介觀混合、微觀混合和反應過程的特征時間尺度，初步獲得了湍流

3、反應過程各特征時間之間的相互關系，為反應器的初步設計和詳細計算提供依據(jù)。 二、利用PLIF技術對不同操作條件下噴射器內物料的宏觀混合情況進行了實驗研究，利用離析度的概念對混合狀態(tài)進行了分析，結果表明噴嘴速度和引射流速度對混合效果作用相反，而二者流速比越大，混合效果越好，同一流速比下，絕對速度越大，混合效果越好。利用PLIF實驗數(shù)據(jù)對三種不同的湍流模型：標準k-ε模型、重整化k-ε模型和可實現(xiàn)k-ε模型進行了比較，結果顯示重整化k

4、-ε模型與實驗數(shù)據(jù)相差較大，而標準k-ε模型和可實現(xiàn)k-ε模型均能獲得較好的結果。 三、借助于渦破碎(Eddybreak-up，EBU)模型，利用酸堿反應的轉化率來表征宏觀混合情況，在避免了EBU模型模擬反應過程不準確缺點的同時，考慮了反應對混合過程的反作用。利用此模型對不同操作參數(shù)、不同結構尺寸下噴射反應器內的宏觀混合進行了分析，并進一步討論了噴射器的放大規(guī)律。結果表明： 1.擴散角度越小，噴射反應器內流體混合越好，相

5、同截面上轉化率越高，但是同時噴射器的阻力也越大；噴嘴/混合段直徑比存在一個最優(yōu)值，大于該值則噴射反應器相同截面上轉化率變低，而小于該值則會消耗更多的能量但轉化率不會再提高；噴嘴出口離混合段距離越遠，反應越快完成，噴嘴出口位置與吸入口流體管中心在同一平面時反應效果最好。 2.根據(jù)速度相似原則和雷諾數(shù)相似原則放大的噴射反應器不能滿足要求，而同時提高入口速度和改變結構尺寸可以得到滿足放大要求的噴射反應器。噴射反應器最佳的速度比隨著基準

6、情況下流速的增加和噴嘴直徑的增加而增大，并利用模擬數(shù)據(jù)回歸出了放大前后的噴射器入口流速比與基準反應器結構尺寸和流速的關系。 四、利用宏觀混合分數(shù)方差和微觀混合分數(shù)方差來定量的表征宏觀混合和微觀混合狀態(tài)，對噴射器內的湍流混合進行了多尺度模擬和研究，并計算出了達到完全混合所需要的特征混合時間。對不同操作條件下的多尺度混合情況進行了模擬計算和分析。結果表明，在引射流速度不變的情況下，增加噴嘴速度，可以降低達到完全混合所需要的時間；在噴

7、嘴速度不變的情況下，增加引射流速度，可以增加達到完全混合所需要的時間；在噴嘴和引射流速度比不變的情況下，增加兩者絕對速度，可以降低達到完全混合所需要的時間；在本文所研究的情況下，噴射反應器內湍流混合過程由微觀混合控制。 五、通過矩直接積分(Directquadraturemethodofmoments，DQMOM)模型對典型的平行-競爭反應體系在噴射反應器內湍流反應過程進行了模擬研究，結果顯示： 1.DQMOM模型可以正

8、確的對噴射器內湍流混合與反應之間的相互關系進行模擬，可以直觀的給出噴射器內不同位置的反應混合情況，為反應器的優(yōu)化設計提供依據(jù)。 2.在引射流速不變的情況下，噴射反應器隨著噴嘴速度的增加混合效果越來越好，達到完全混合所需要的時間越來越短，平行-競爭反應的選擇性越來越高，副反應的轉化率越來越低；在固定噴嘴流速的情況下，噴射反應器隨著引射流體速度的增加混合效果越來越差，達到完全混合所需要的時間越來越長，平行-競爭反應的選擇性越來越低，