开放式撞击流反应器流场特性研究

摘要

撞击流-旋转填料床（impinging stream-rotating packed bed,IS-RPB）由于其传质强度高、停留时间短、返混程度小、易于连续化生产等优点，在液-液混合、反应，液液乳化、萃取等方面具有广阔的应用前景。其最大混合特点是利用超重力装置内径处的端效应抵消开放式撞击流反应器的边缘效应，使物料进行两次混合。开放式撞击流结构撞击面的大小与旋转填料床内径尺寸“耦合”是这一机制的关键所在，也是消除撞击流混合边缘效应，提高混合效果的根本原因。但是，目前关于开放式撞击流内湍动能分布等流场特性尚无相关文献报道。因此，寻求合适的手段或方法研究开放式撞击流反应器内碰撞过程及流动特征对于其混合机理的研究具有重要意义，可为IS-RPB的结构设计提供理论指导意义。
　　本文以探索两喷嘴开放式撞击流反应器混合机制为目的，采用PIV技术对其内部不同喷嘴出口雷诺数、喷嘴间距与喷嘴直径下液体破碎模式、撞击面直径、瞬时速度场、平均速度场、驻点位置以及湍动能分布进行研究，以流场流线表示液体的运动轨迹，发现两喷嘴开放式撞击流撞击后不形成回流，具有平推流反应器的特性，增大了传质推动力，加快了反应速率。同时，不同参数下的破碎模式表明采用聚并-分散模式解释其内部混合机理更为合适。驻点对体积流量比的敏感性表明此现象为两喷嘴开放式撞击流反应器的共同特点，因而不适用于两股物料不等体积（流量）比、三股以及三股以上物料的混合、反应。
　　在工业生产中，不等体积（流量）的混合、反应是一种普遍现象，当两股物料对撞时，撞击面向动量小的一方偏移，造成“喷嘴堵塞”，无法达到理想的混合状态，影响化学反应的进程，影响产品的质量。基于此，设计了三喷嘴开放式撞击流反应器，以期强化不等体积（流量）比的液液混合效果。提出了高速相机定性流体结构、PIV技术测量流体运动规律及湍动程度、微观混合实验验证流场测试结果完整的三步流场测试方案。通过高速相机分析了不同撞击角度、喷嘴出口雷诺数、喷嘴间距与喷嘴直径比、底角以及体积流量比下撞击后流体结构、液体破碎模式，以扩张角、液体分散均匀性为评价指标，定性论证了三喷嘴开放式撞击流反应器设计的合理性。
　　根据高速相机优化的操作参数范围，采用PIV技术分析了不同喷嘴出口雷诺数以及喷嘴间距下瞬时速度场、平均速度场、驻点位置以及湍动能分布变化规律，以湍动能为评价指标，结果表明喷嘴出口雷诺数显著影响撞击后液体的流动方向、湍动能分布以及湍动能峰值；较大的喷嘴间距需要更高的喷嘴出口速度才能达到与较小喷嘴间距相似的扩张角以及速度、湍动能分布，为预测其混合效果提供理论支持
　　为验证三喷嘴开放式撞击流流场特性研究结果的准确性，采用2,2-二甲氧基丙烷（DMP）酸催化水解平行竞争反应体系研究其微观混合效果，以DMP的转化率表征微观混合程度，结果表明微观混合实验结果与高速相机、PIV可视化研究结果一致。对比不同体积流量比下两喷嘴开放式撞击流与三喷嘴开放式撞击流微观混合效果，发现三喷嘴开放式撞击流微观混合效果远远优于两喷嘴开放式撞击流，显示出三喷嘴开放式撞击流用于不等体积（流量）比下液-液混合、反应优越性。论文的完成，可为IS-RPB的结构优化提供理论与指导意义，并为拓宽IS-RPB的工业应用范围奠定基础。

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主 要 符 号 说 明

1 绪 论

1.1 概述

1.2 撞击流反应器

1.3 微观混合

1.4 撞击流微观混合研究现状

1.5 撞击流流动特性研究进展

1.6 课题研究意义和内容

2 PIV用于开放式撞击流流场的研究方法

2.1 概述

2.2 PIV技术用于撞击流反应器流场特征研究进展

2.3 实验仪器

2.4 PIV系统操作参数

2.5 实验装置及流程

2.6 数据处理

2.7 PIV测量误差分析

3 两喷嘴开放式撞击流流场特性研究

3.1 理论基础

3.2 研究方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 三喷嘴开放式撞击流流体结构研究

4.1 概述

4.2 三喷嘴开放式撞击流反应器的设计研究

4.3 研究方法

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

5 三喷嘴开放式撞击流流场特性研究

5.1 研究方法

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 三喷嘴开放式撞击流微观混合性能实验研究

6.1 研究方法

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

7 结 论

7.1 总结

7.2 创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢