旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器流體流動(dòng)與性能研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器(Spinning disk reactor，SDR)通過圓盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場(chǎng)，使液體在離心力的作用下在圓盤表面上以快速鋪展的液膜形式在圓盤表面流動(dòng)。圓盤表面對(duì)液膜的剪切作用加速了液膜的表面更新，強(qiáng)化了液膜的傳質(zhì)、傳熱效率，已經(jīng)用于納米材料制備、催化反應(yīng)、聚合反應(yīng)、生物柴油制備等過程。
　　旋轉(zhuǎn)圓盤是SDR的核心部件，圓盤表面結(jié)構(gòu)特性直接影響SDR內(nèi)液體的流動(dòng)及液體分散狀態(tài)，進(jìn)而影響SDR的混合及傳質(zhì)性能。本文首先采

2、用靜電噴涂技術(shù)在不銹鋼圓盤表面構(gòu)筑了具有納微結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定的疏水涂層，采用高速攝像技術(shù)對(duì)SDR內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)研究，并建立三維計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型對(duì)SDR圓盤表面上的液膜流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析;采用碘化物-碘酸鹽平行競爭反應(yīng)體系對(duì)SDR的微觀混合性能進(jìn)行研究;最后利用SO2-NaOH的氣體吸收體系，研究SDR的傳質(zhì)性能。主要研究成果如下:
　　1、采用靜電噴

3、涂技術(shù)構(gòu)筑了疏水不銹鋼圓盤表面，水在表面上的接觸角由70.6°提高到115.6°。利用高速攝像技術(shù)對(duì)SDR內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究。系統(tǒng)考察了圓盤轉(zhuǎn)速、液體流量、液體粘度、液體表面張力、浸潤性對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:粘度越大的液體在表面處理后的圓盤(Hydrophobic surface-modified spinning disk，OSD)上的面積等效鋪展半徑(Area-equivalent radius，Rm)受轉(zhuǎn)速影響越

4、敏感，液體表面張力越小越有利于在OSD上鋪展。液體在圓盤外邊緣空腔區(qū)存在四種流型（液滴-液線流、液線流、液線-液膜流、液膜流），提高圓盤轉(zhuǎn)速和液體流量有利于流型向液膜流轉(zhuǎn)變;降低液體表面張力，出現(xiàn)液膜流的臨界液體體積流量減小，提高液體粘度，形成液膜流的臨界液體體積流量會(huì)增大;最后擬合獲得了流型轉(zhuǎn)變的臨界條件關(guān)聯(lián)式?？涨粎^(qū)內(nèi)的液滴直徑隨著圓盤轉(zhuǎn)速、液體粘度的增大而增大，隨液體表面張力的減小而減小;液體流量大小影響空腔區(qū)內(nèi)液滴的數(shù)量，對(duì)液滴

5、直徑的影響不大，OSD產(chǎn)生的液滴直徑較未改性圓盤(Non-modified spinning disk，NSD)產(chǎn)生的液滴直徑稍大;液滴的尺寸分布符合R-R分布，分布指數(shù)m隨著轉(zhuǎn)速的增大、粘度的增大、表面張力的減小而增大，分布指數(shù)的范圍為4.78～6.81。液滴的平均合速度u和平均徑向速度ur隨轉(zhuǎn)速增大而增大，液體流量、粘度和表面張力對(duì)u和ur的影響不大。擬合空腔區(qū)平均液滴直徑和平均速度的關(guān)聯(lián)式，誤差均在±15％以內(nèi)。
　　2、建

6、立了OSD表面上的液膜流動(dòng)的三維CFD模型。模擬結(jié)果表明:OSD表面上液膜流動(dòng)分為進(jìn)口區(qū)(Inlet zone)和波動(dòng)區(qū)(Wave zone)，液膜在圓盤表面上鋪展的Rm變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)吻合，模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差±15％以內(nèi);并獲得了液膜厚度和液膜速度沿圓盤徑向的分布規(guī)律，進(jìn)口區(qū)與波動(dòng)區(qū)的分布規(guī)律差異明顯;根據(jù)速度分布沿徑向的分布規(guī)律，獲得了液膜流動(dòng)進(jìn)口區(qū)的半徑大小。
　　3、關(guān)于SDR的微觀混合性能，首先通過CFD對(duì)SDR的預(yù)混合液

7、體分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)選;利用碘化物-碘酸鹽體系研究了圓盤轉(zhuǎn)速、液體總流量、液體流量比、氫離子濃度、表面浸潤性對(duì)微觀混合性能的影響規(guī)律，使用改性圓盤的旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器(Hydrophobic surface-modified spinning disk reactor，OSDR)存在最優(yōu)微觀混合操作點(diǎn)，使用未改性圓盤的旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器(Non-modified spinning disk reactor，NSDR)最優(yōu)微觀混合操作點(diǎn)則不明