快速噴射混合強化共沉淀反應(yīng)過程實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、本文以一種多孔錯流射流(MOIT)噴射反應(yīng)器為研究對象，采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對噴射反應(yīng)器內(nèi)的液體湍流混合特性以及其強化共沉淀反應(yīng)可控制備硫酸鋇過程進(jìn)行了研究。分別考察了噴射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作條件、反應(yīng)器的幾何放大等因素對物料之間的湍流混合特性的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上研究了該類反應(yīng)器可控制備硫酸鋇的共沉淀反應(yīng)過程，從過飽和度角度出發(fā)，分別考察了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作條件、反應(yīng)物料濃度等因素對反應(yīng)器內(nèi)過飽和度、晶體成核及生長速率的影響，從

2、微觀混合與沉淀反應(yīng)機理層面研究了噴射共沉淀過程可控制備納米硫酸鋇(粒徑大小及其分布)的科學(xué)規(guī)律。
　　針對噴射反應(yīng)器內(nèi)的液體湍流混合過程，研究結(jié)果表明:采用大渦模擬方法，亞格力應(yīng)力模型為動態(tài)動能亞格子模型，當(dāng)網(wǎng)格尺度D/Δx=55時，通過大渦模擬得到的瞬態(tài)濃度場分布、濃度脈動等都能夠與PLIF實驗結(jié)果較好吻合;與傳統(tǒng)的T型反應(yīng)器相比，本文提出的多孔錯射流噴射混合器能夠更好地強化物料之間的混合，混合過程湍動能及其耗散分布更加均勻;速

3、度比是影響該反應(yīng)器內(nèi)的流體混合效率的重要因素，隨著速度比增大，湍流渦數(shù)量逐漸增加且分布更為均勻，湍流強度逐漸增強，亞格子尺度上的湍動能耗散逐漸加快，有利于強化反應(yīng)器內(nèi)物料之間的混合;保證混合過程平均速度、速度比以及射流小孔數(shù)量不變，對多孔錯流射流噴射反應(yīng)器的主管徑與射流孔徑進(jìn)行同比例放大的過程中，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的放大效應(yīng)，相同位置處的湍動能耗散速率、速度場脈動強度都會相應(yīng)減弱，混合效果逐漸變差;保證混合管直徑以及射流孔總面積不變，改變射

4、流小孔的直徑及數(shù)量，在相同的速度比下，考察各混合器內(nèi)兩股流體的混合效果發(fā)現(xiàn)，增加射流小孔數(shù)量，減小孔徑，混合效果先變好，后變差，存在最優(yōu)設(shè)計，對于管徑為40mm的反應(yīng)器，當(dāng)射流小孔數(shù)量為12，孔徑為5.78mm時，混合效果最好。
　　利用多孔錯流射流噴射混合器，通過Na2SO4與BaCl2液相共沉淀反應(yīng)制備了硫酸鋇納米顆粒，采用TEM對最終制備所得的硫酸鋇納米顆粒進(jìn)行表征，考察了平均雷諾數(shù)對顆粒平均粒徑及顆粒粒徑分布的影響，實驗結(jié)

5、果表明:隨著雷諾數(shù)的增加顆粒粒徑先減小然后逐漸趨于不變;顆粒的粒徑分布則是先變窄而后逐漸保持不變;另外由本文的多孔錯射流反應(yīng)器制備所得的硫酸鋇納米顆粒分散性較好，團(tuán)聚少。
　　針對噴射共沉淀過程制備硫酸鋇顆粒的數(shù)值模擬，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上耦合群體平衡(PBM)模型，對共沉淀反應(yīng)過程制得的硫酸鋇的平均粒徑及其分布進(jìn)行了預(yù)測。模擬結(jié)果表明:隨著雷諾數(shù)的增加，微觀混合速率逐漸接近沉淀反應(yīng)速率，混合對于沉淀反應(yīng)過程的影響逐漸減小

6、，過飽和度的分布更加均勻，最終顆粒平均粒徑逐漸減小，分布逐漸變窄;初始反應(yīng)物料濃度增加，過飽和度先明顯增加且分布范圍變窄，然后逐漸趨于穩(wěn)定，對應(yīng)的晶體成核以及生長速率明顯增加，平均粒徑則先迅速減小后緩慢增大，由于微觀混合時間不變，反應(yīng)時間減短，對應(yīng)Da準(zhǔn)數(shù)變大，粒徑分布變寬;保持混合管直徑不變(D=4mm)以及射流孔總面積不變，改變射流小孔的直徑及數(shù)量，在完全相同的進(jìn)料情況下，隨著射流小孔數(shù)量的增加，反應(yīng)器內(nèi)過飽和度的分布更加均勻，晶體