開放式撞擊流反應器流場特性研究.pdf

1、撞擊流-旋轉填料床（impinging stream-rotating packed bed,IS-RPB）由于其傳質強度高、停留時間短、返混程度小、易于連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點，在液-液混合、反應，液液乳化、萃取等方面具有廣闊的應用前景。其最大混合特點是利用超重力裝置內徑處的端效應抵消開放式撞擊流反應器的邊緣效應，使物料進行兩次混合。開放式撞擊流結構撞擊面的大小與旋轉填料床內徑尺寸“耦合”是這一機制的關鍵所在，也是消除撞擊流混合邊緣效應，提高

2、混合效果的根本原因。但是，目前關于開放式撞擊流內湍動能分布等流場特性尚無相關文獻報道。因此，尋求合適的手段或方法研究開放式撞擊流反應器內碰撞過程及流動特征對于其混合機理的研究具有重要意義，可為IS-RPB的結構設計提供理論指導意義。
　　本文以探索兩噴嘴開放式撞擊流反應器混合機制為目的，采用PIV技術對其內部不同噴嘴出口雷諾數(shù)、噴嘴間距與噴嘴直徑下液體破碎模式、撞擊面直徑、瞬時速度場、平均速度場、駐點位置以及湍動能分布進行研究，以

3、流場流線表示液體的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)兩噴嘴開放式撞擊流撞擊后不形成回流，具有平推流反應器的特性，增大了傳質推動力，加快了反應速率。同時，不同參數(shù)下的破碎模式表明采用聚并-分散模式解釋其內部混合機理更為合適。駐點對體積流量比的敏感性表明此現(xiàn)象為兩噴嘴開放式撞擊流反應器的共同特點，因而不適用于兩股物料不等體積（流量）比、三股以及三股以上物料的混合、反應。
　　在工業(yè)生產(chǎn)中，不等體積（流量）的混合、反應是一種普遍現(xiàn)象，當兩股物料對撞時，撞擊

4、面向動量小的一方偏移，造成“噴嘴堵塞”，無法達到理想的混合狀態(tài)，影響化學反應的進程，影響產(chǎn)品的質量?；诖?，設計了三噴嘴開放式撞擊流反應器，以期強化不等體積（流量）比的液液混合效果。提出了高速相機定性流體結構、PIV技術測量流體運動規(guī)律及湍動程度、微觀混合實驗驗證流場測試結果完整的三步流場測試方案。通過高速相機分析了不同撞擊角度、噴嘴出口雷諾數(shù)、噴嘴間距與噴嘴直徑比、底角以及體積流量比下撞擊后流體結構、液體破碎模式，以擴張角、液體分散均

5、勻性為評價指標，定性論證了三噴嘴開放式撞擊流反應器設計的合理性。
　　根據(jù)高速相機優(yōu)化的操作參數(shù)范圍，采用PIV技術分析了不同噴嘴出口雷諾數(shù)以及噴嘴間距下瞬時速度場、平均速度場、駐點位置以及湍動能分布變化規(guī)律，以湍動能為評價指標，結果表明噴嘴出口雷諾數(shù)顯著影響撞擊后液體的流動方向、湍動能分布以及湍動能峰值；較大的噴嘴間距需要更高的噴嘴出口速度才能達到與較小噴嘴間距相似的擴張角以及速度、湍動能分布，為預測其混合效果提供理論支持

6、>　　為驗證三噴嘴開放式撞擊流流場特性研究結果的準確性，采用2,2-二甲氧基丙烷（DMP）酸催化水解平行競爭反應體系研究其微觀混合效果，以DMP的轉化率表征微觀混合程度，結果表明微觀混合實驗結果與高速相機、PIV可視化研究結果一致。對比不同體積流量比下兩噴嘴開放式撞擊流與三噴嘴開放式撞擊流微觀混合效果，發(fā)現(xiàn)三噴嘴開放式撞擊流微觀混合效果遠遠優(yōu)于兩噴嘴開放式撞擊流，顯示出三噴嘴開放式撞擊流用于不等體積（流量）比下液-液混合、反應優(yōu)越性。論