旋转喷雾式气液反应器分离性能研究

摘要

本文对用于制备单重态氧的气液反应器国内外发展做了概述，并针对传统射流式反应器液体使用量大的缺点，在借鉴旋转式反应器及喷雾式反应器的相关研究成果基础上，研发一种旋转喷雾式气液反应器并对其分离性能进行研究。该新型气液反应器具有圆桶状外壳体，沿壳体的中心轴线处设有转子，转子的两端连接在壳体端部的法兰上，转子上设有叶片，并安装有喷嘴。液体物料从入口进入反应器内并经喷嘴喷出，雾化形成液滴，使得气液接触的表面积极大提高，可实现快速反应，同时气液在转子转动提供的离心力下实现快速分离。 本文选择三维建模软件创建了反应器几何模型，并用Gambit进行网格划分，采用计算流体动力学（computational fluid dynamic mechanics,CFD）方法，将FLUENT软件中的RNG k-ε两方程模型、MRF多重参考系模型和DPM离散相模型组合使用，对反应器内连续相流场的分布和离散相颗粒的运动进行了数值模拟。采用分别改变反应器模型结构参数如叶片螺旋角度、叶片数量、叶片长度和操作参数如转子转速的方式研究其对反应器分离性能的影响，同时对反应器的结构进行了优化。 本文设计制造了实验样机同时搭建了实验平台，通过改变实验中反应器相关的结构参数和操作参数来试验不同条件下实验装置的运转，并与数值模拟的有关结论进行比较分析，验证了所研究的旋转喷雾式气液反应器的分离性能。 通过数值模拟及实验研究发现：旋转喷雾式气液反应器所定制的喷嘴喷雾效果良好，可以增大反应比表面积，为实现气液快速反应提供条件。采用离心分离技术实现了对直径大于10μm液滴的100%的分离。 综合数值模拟及实验验证结果，本文认为该旋转喷雾式气液反应器能基本满足所要求的气液分离性能。

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1.1 典型气液反应器

1.1.1 鼓泡式反应器

1.1.2 转板式反应器

1.1.3 射流式反应器

1.1.4 喷雾式反应器

1.2 反应器气液分离研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文研究目的与主要研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

2.1 反应器研究关键点

2.2 反应器结构特点

2.2.1 整机结构

2.2.2 气液入口结构

2.2.3 导流器结构

2.2.4 转子结构

2.2.5 喷嘴部位结构

2.2.6 密封部位结构

2.2.7 传动部位结构

2.3 反应器理论计算

2.3.1 操作参数计算

2.3.2 气液分离计算

2.4 反应器工作原理

2.5 本章小结

3.1 数值模拟思想

3.2 数学模型的选择

3.2.1 控制方程

3.2.2 湍流模型的选择

3.2.3 动区域模型

3.2.4 离散相模型

3.3 模型建立与网格划分

3.4 边界条件的设置

3.4.1 连续相边界条件设定

3.4.2 MRF模型边界条件设定

3.4.3 DPM模型边界条件设定

3.5 反应器连续相流场分析

3.5.1 反应器内部流场分布

3.5.2 导流器对流场的影响

3.5.3 叶片角度对比优化分析

3.5.4 转速对设备性能的影响

3.6 反应器气液分离性能分析

3.6.1 颗粒运动方程

3.6.2 颗粒运动轨迹

3.6.3 叶片数量对分离效率的影响

3.6.4 叶片长度对分离效率的影响

3.6.5 叶片角度对分离效率的影响

3.6.6 转速对分离效率的影响

3.7 本章小结

4.1 喷嘴实验

4.1.1 喷嘴特性实验

4.1.2 雾化粒径测试实验

4.2 整机气液分离实验

4.2.1 实验流程

4.2.2 实验装置系统

4.2.3 实验参数

4.2.4 实验方案

4.2.5 实验结果分析

4.3 本章小结