浸没循环撞击流反应器的压力波动及混合特性研究

摘要

在浸没循环撞击流反应器(Submerged Circulative Impinging Stream Reactor，简称SCISR)内，通过两股高速相向流动的流体强烈对撞，产生压力波动强化传热传质，从而达到促进物料的均匀混合，加速化学反应的目的。 SCISR能够有优越的混合及反应性能，在于相向流动的流体之间发生强烈的相互作用。本论文是国家自然科学基金资助的“浸没循环撞击流反应器中的波动特性、微观混合及其影响”课题中的一部分工作。主要通过实验掌握SCISR中的压力波动特性，分析压力波动产生原因并研究压力波动对混合特性的促进作用。 为掌握反应器中的压力波动特性，使用高精度压力探头建立数据采集系统，并应用自主开发的数据采集辅助软件对反应器中的压力波动进行了测量，得到反应器中不同操作条件下的压力波动信号。以压力波动均方差为强度尺度，研究了反应器中压力波动强度的空间分布，结果显示压力波动强烈区在空间的分布呈两个中空的对置圆锥台形，锥台表面附近的压力波动强度最大。压力波动强烈区关于撞击面镜象对称，并近似具有轴对称性。反应器内各点的压力波动强度及波动积分强度都随撞击速度的增大而增大。根据测量得到的压力波动分布数据拟合出了压力波动强度空间分布的数学表达式。 使用Fourier变换，得到压力波动在频域上的功率谱，主要的波动功率峰集中在1000Hz之下，其余频率的功率较弱。在相同撞击速度下，反应器内不同位置点的功率谱不同。随撞击速度的增大，各频率的波动强度同时随之增大，主频率范围也随之提高。 为进一步了解波动信号在频率域上的特性，使用小波分析方法对压力波动信号进行分解，得到压力波动在不同频率尺度上的能量分量。各频率尺度波动能量在空间分布的形状不同：沿导流筒壁流出的流体在导流筒出口处产生的压力波动频率范围为58.6～937.5Hz；主流体流动方向改变产生的压力波动频率范围为3.7～58.6Hz；撞击面附近产生的压力波动频率范围为0.46Hz～3.7Hz。波动能量体积积分表明主流体流动方向改变产生的波动强度最大。 为研究粘度对压力波动强度的影响，使用不同浓度的甘油-水溶液为工质，测量了不同操作条件下的压力波动。结果表明工质粘度对压力波动强度有显著影响，各点压力波动强度随粘度增加而减小，波动强度积分随粘度增加而减小，在本实验中粘度大于62×10<'-3>Pa·s时，总波动强度随撞击速度的改变很小。粘度较低时，压力波动的空间分布与以水为工质时基本相同，粘度大于62×10<'-3>Pa·s时，反应器中压力波动强度分布趋于平均，没有明显的压力波动强烈区域。为研究压力波动与流场之间的关系，使用计算流体力学软件对SCISR中流场进行了模拟计算，得出了不同操作条件下及反应器中的速度场和压力场。计算出的压力场与实验结果基本一致。计算出的有效能量消耗随撞击速度增大而增加。根据撞击区速度分布与压力波动分布的比较，分析出压力波动产生的原因是撞击的流体具有较高的流速以及流体中存在速度梯度或速度方向的突然改变。 为了解反应器中的混合状况，使用电导脉冲响应法进行了测量。结果显示反应器中的宏观混合时间随撞击速度的增大而减小。加入的电解质经过两次循环流动，就可以达到充分的宏观混合。电导实验的结果证明混合主要发生在两导流筒出口面之间的区域内，也就是压力波动强烈区所在的区域，而其它区域为非混合区。 根据动能与压力能之间的关系，推导出压力波动与速度脉动之间的关系。根据速度脉动促进物质交换的机理，建立了速度脉动促进传质的模型。脉动速度直接影响流体中的对流传质系数。 使用能谱分析法得出了惯性子区对应的频率范围及波数范围，通过求得Kolmogoroff长度，计算出了以水为工质时的微观混合时间。计算结果与相同尺寸反应器中实验测量得到的微观混合时间符合较好。 通过本文的实验及理论研究，对SCISR中压力波动的分布状况有了全面的掌握，确定了压力波动产生与速度场之间的关系，建立了压力波动促进混合机理的模型，得到了关联压力波动与微观混合的方法。为SCISR具有良好的混合特性给出了更深入的解释。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题研究的目的和意义

1.2撞击流理论及其应用

1.2.1撞击流的历史、基本原理及特点

1.2.2撞击流技术的应用研究

1.2.3撞击流技术的理论研究及进展

1.2.4撞击流反应器研究的发展方向

1.3浸没循环撞击流反应器的研究及进展

1.3.1 SCISR设备的结构及特点

1.3.2 SCISR的应用研究

1.3.3 SCISR微观混合的研究

1.3.4 SCISR中压力波动的研究进展

1.4本文主要研究内容

第2章压力波动测量系统及数据测量

2.1压力波动测量系统

2.1.1测量系统的构成

2.1.2探头电压信号范围的调节

2.1.3干扰信号的去除

2.2压力波动数据的测量

2.2.1测量坐标系统

2.2.2压力波动测量方法及测量参数

2.2.3流速的测量

2.2.4数据采集辅助软件

2.2.5水为工质时压力波动数据的测量

2.2.6甘油-水溶液为工质时压力波动数据的测量

2.3压力波动信号的预处理

2.3.1错误点的删除

2.3.2噪声信号的去除

2.4本章小结

第3章SCISR中压力波动的测量与分析

3.1引言

3.2数据分析处理方法

3.2.1统计分析方法

3.2.2 Fourier变换

3.2.3小波分析方法

3.3压力波动实验结果分析

3.3.1时均压力的分布

3.3.2压力波动强度的分析

3.3.3水中压力波动信号的Fourier分析

3.3.4压力波动信号的小波分析

3.4以水为工质时压力波动强度空间分布的数学拟合

3.5工质粘度影响压力波动的实验结果及分析

3.5.1实验结果及分析

3.6本章小结

第4章SCISR中流场的计算流体力学模拟

4.1流体力学计算模型和数值方法

4.2 SCISR中的流体力学模拟计算

4.2.1流体力学计算软件介绍

4.2.2模拟条件的设置及模型的生成

4.3模拟结果及分析

4.3.1计算得到的压力场

4.3.2计算得到的速度场

4.3.3有效能量消耗的分析

4.4数值模拟与实验结果比较

4.5压力波动强度分布与速度场的关系

4.6本章小结

第5章SCISR中混合特性的研究

5.1引言

5.1.1混合状况的定义

5.1.2混合的测量方法

5.2电导测量实验设备及测量方法

5.2.1电导测量原理

5.2.2电导信号测量系统

5.2.3电导信号的预处理

5.2.4电导脉冲-响应法测量流速

5.3实验结果及分析

5.3.1反应器内的宏观混合时间

5.3.2混合区域的确定

5.3.3反应器内的分区

5.4压力波动促进混合的机理分析

5.4.1压力波动促进混合的物理模型

5.4.2压力波动促进混合数学模型的建立

5.5压力波动与微观混合关系的分析

5.6本章小结

第6章结论

6.1结论

6.2创新点

6.3今后工作的考虑

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的论著

附 录