噴射器內(nèi)氣液流動與混合性能的研究.pdf

1、在氫化、氯化、磺化、尾氣吸收等諸多的化工過程中，氣液流動、混合與傳質(zhì)是一種重要的生產(chǎn)方式。噴射器以其設(shè)計緊湊、制造簡單，成本低廉、操作可靠，尤其是具有比傳統(tǒng)靜態(tài)混合器更強的混合效果和更高的傳質(zhì)系數(shù)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ亩嘞嗷旌?反應(yīng))器。對于噴射器內(nèi)的氣液流動和混合雖有不少研究，但是由于噴射器結(jié)構(gòu)、研究方法、氣液流動方式的不同，所得結(jié)論也各不相同，因而適用范圍也不同，而且，較為系統(tǒng)的研究也很少見。因此本文采用先進的粒子成像測速PIV技術(shù)、激

2、光誘導(dǎo)熒光PLIF法、計算流體動力學(xué)CFD模擬、CFD與群平衡方程耦合、以及化學(xué)實驗法等研究手段，從氣液兩相流的首要問題—流型及其控制因素入手，首次較為系統(tǒng)的探討了操作條件和噴射器幾何結(jié)構(gòu)對上噴式噴射器內(nèi)氣液兩相的流動和混合性能的影響，并通過流體力學(xué)相似理論，分析噴射混合器設(shè)計和放大原則，從而為噴射混合器的理論發(fā)展和實際應(yīng)用提供參考。 (1)對水—空氣和水—二氧化碳兩種體系下的氣液流型進行考察時，由于兩種氣體密度相差不大，由密度

3、差所帶的雷諾數(shù)也相差不大，因而對噴射器內(nèi)的流型影響不大；而有無旋流器對流型有較大的影響。無旋流器時，在噴射器下部可形成噴射流，而加入旋流器后，氣液兩相在卷吸室內(nèi)即開始接觸和混合，液體射流不復(fù)存在，主要形成泡狀流。 (2)在無旋流器時，孔口雷諾數(shù)，混合段處氣體雷諾數(shù)和氣液比對噴射器內(nèi)氣液流型有較大影響：當(dāng)孔口雷諾數(shù)在2.36×104-1.27×105范圍內(nèi)，氣液比約小于等于0.2時，噴射器下部氣液流型為泡狀流，大于0.2時為噴射流

4、。當(dāng)噴射器內(nèi)形成噴射流時，液體射流長度與孔口雷諾數(shù)、混合段入口處的氣體雷諾數(shù)以及氣液比有關(guān)：在相同的孔口雷諾數(shù)下，液體射流隨著氣體雷諾數(shù)和氣液比的增大先增大后減小直至穩(wěn)定在一定的長度。不同孔口雷諾數(shù)下的最大液體射流長度也是不同的。隨著孔口雷諾數(shù)的增大，其對應(yīng)的最大液體射流長度先增后減。當(dāng)孔口雷諾數(shù)為5.84×104時最大。不同的孔口雷諾數(shù)下其最終穩(wěn)定的長度也是不同的，該值隨著孔口雷諾數(shù)的增大而逐漸減小。當(dāng)液體射流瓦解后，氣液兩相可形成三

5、種基本流型：泡狀流、霧狀流和塊狀流。當(dāng)氣體雷諾數(shù)ReG＜5.0×102時，射流瓦解后噴射器擴散段內(nèi)主要為泡狀流，當(dāng)ReG＞4.5×103時，擴散段內(nèi)主要為塊狀流，當(dāng)氣體雷諾數(shù)在5.0×102-4.5×103時，沿軸向流動方向依次為噴射流、霧狀流和泡狀流。因此噴射器內(nèi)可以同時存在多種流型，也可以只有一種流型。 (3)當(dāng)有無旋流器噴射器內(nèi)都形成泡狀流時，氣液混合效果最好。流場測試顯示在無旋流器時，氣泡矢量方向略顯出旋轉(zhuǎn)趨勢，但大部分

6、因為平均化而基本上平行于中心軸線或者壁面。當(dāng)加入旋流器后，氣泡時均化后的流場顯示氣泡上升運動的旋轉(zhuǎn)程度增大了。 (4)孔口雷諾數(shù)、氣體雷諾數(shù)(混合段入口處，無旋流器時)和混合物雷諾數(shù)(有旋流器時)以及氣液比影響著泡狀流中氣泡的具體分布：無旋流器時，氣體傾向于在液體中分散成均勻的氣泡。當(dāng)孔口雷諾數(shù)相同時，隨著氣體雷諾數(shù)的增大氣泡尺寸增大；當(dāng)氣體雷諾數(shù)相同時，隨著孔口雷諾數(shù)的增大，氣泡尺寸變小。有旋流器時，氣泡分布與無旋流器時差異較

7、大。氣泡在中心軸線及兩側(cè)形成不對稱的“氣泡鏈”。當(dāng)孔口雷諾數(shù)相同，而混合物雷諾數(shù)因氣體流量增大而增大時，“氣泡鏈”變粗。當(dāng)氣體流量不變時，孔口雷諾數(shù)和混合物雷諾數(shù)增大時，“氣泡鏈”變細。 (5)相同操作條件下，在低的氣體流量下，無旋流器時的比表面積比有旋流器時大很多；當(dāng)氣體流量不斷增大時，兩者之間的差異逐漸減小。通過將群平衡方程與CFD模型耦合，對簡化了的噴射器內(nèi)氣泡分布進行模擬，得出數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在分布趨勢上比較一致，

8、但模擬值比實驗值要高。 (6)利用化學(xué)實驗方法，以NaOH和二氧化碳反應(yīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過測定不同條件下噴射器內(nèi)快速反應(yīng)的效率對氣液兩相混合進一步討論和分析，并對上述結(jié)論進行佐證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者基本一致。無旋流器下，在孔口雷諾數(shù)一定時，隨著氣液比的增大，氣液混合效果減小；不同孔口雷諾數(shù)下，當(dāng)氣液比相同時，較大孔口雷諾數(shù)下的氣液混合效果較好。有旋流器時，當(dāng)孔口雷諾數(shù)相同時，隨著氣液比的增大，氣液混合效果增大；相同氣液比下，孔口雷諾數(shù)較

9、大時氣液混合效果也較好。氣液比較小時，各孔口雷諾數(shù)無旋流器時氣液混合效果優(yōu)于有旋流器的情況。隨著氣液比逐漸增大，有無旋流器時氣液混合效果差異逐漸減小，直到在氣液比約為1.4時，有旋流器下氣液混合效果略優(yōu)于無旋流器的情況。 (7)從CO2體積濃度與NaOH轉(zhuǎn)化率的關(guān)系來看，無論有無旋流器，在噴射器內(nèi)對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和混合起主要作用的是流型而非反應(yīng)物濃度。 (8)利用CFD模型模擬了不同的噴射器結(jié)構(gòu)：擴散角度、混合段長度、喉嘴距

10、離、喉嘴面積比、兩相進口面積比和操作參數(shù)即噴嘴速度對噴射器流動性能噴射系數(shù)、空氣卷吸率、壓力降的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：固定噴射器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)而僅改變擴散角度時，當(dāng)擴散角度增大，噴射器內(nèi)的壓力降先增大后減小，而空氣卷吸率和噴射系數(shù)隨擴散角度增大而增大。在本章模擬范圍內(nèi)壓力降最大值對應(yīng)的擴散角度為3°；僅改變混合段長度時，隨著混合段長度增加，即混合段長徑比增大，噴射器壓力降先增大后減小，約在長徑比為3.0左右有一最大壓力降?？諝饩砦屎蛧娚湎禂?shù)隨

11、著混合段增長而減?。划?dāng)喉嘴距離增大時，噴射器的壓力降先增大后減小，約在喉嘴距離與噴嘴直徑比為3左右時獲得最大壓力降。空氣卷吸率和噴射系數(shù)也隨著喉嘴距離的增大先增大后減小，在最大壓力降時空氣卷吸率也最大；喉嘴面積比增大時，噴射器的壓力降減小，面積比減小到2.0左右，壓力降改變很小。隨著面積比的增大，空氣卷吸率和噴射系數(shù)先增大后減小，當(dāng)面積比約為3.0時，空氣卷吸率最大；改變氣相進口直徑來改變兩相進口面積比時，隨著面積比的增大，壓力降增大，