锥环挡板振荡流反应器的CFD研究

摘要

振荡流反应器是一种强化传递性能的新型化工过程设备，在连续操作状态下具有优良的停留时间分布特性，在化学反应、絮凝、结晶等化工生产过程中具有广阔的应用前景。锥环挡板OFR有效地解决了反应器中固体粒子滞留问题，对液固体系有独特的应用价值。目前关于锥环挡板OFR的速度场结构已有初步的CFD研究，但是研究还停留在定性分析阶段，尚未涉及浓度场及化学反应过程的研究。
　　 本文以实验用圆环挡板OFR为参照，构建同等尺寸的锥环挡板OFR几何结构，采用计算流体力学方法进行建模、网格划分、数值求解和结果分析。反应器为14腔室结构，采用结构化网格和非结构化网格对计算域进行离散，网格总数为957083。求取时均化雷诺应力方程，引进标准κ-ε双方程模型模拟流动过程，在控制方程的离散方法中，瞬态项采用二阶向后欧拉差分格式，对流项采用highresolution格式。对振荡边界条件采用网格变形处理。化学反应模型采用有限速率化学模型。模拟得到了锥环挡板OFR用于间歇振荡过程和连续流动振荡过程的流场特点、混合形式及浓度场混合效率，对连续状态下的乙酸乙酯碱性水解反应过程的特点进行了分析，并对比了计算结果与圆环挡板OFR实验结果。
　　 对于间歇振荡过程，流场最明显的特征是漩涡结构以及由此造成的轴向返混和径向混合。主流区在上下半腔室的位置恰好相反，沿流体总体流向方向，轴心区为主流区，而另一半腔室的管壁区为主流区，这是漩涡结构的存在造成的。漩涡边缘流体的周向流动造成了返混，返混量的大小与振幅和频率有关，振幅和频率较小时，返混量较小；振幅和频率较大时，返混量较大，并基本随二者呈线性递增。振幅和频率增加时，流场逐渐转为非对称结构，偏流现象严重，到一定程度时，流场基本形态不再发生改变。对浓度场的研究发现，下半腔室的浓度平均值明显要高于上半腔室，组分的轴向传递过程主要是在上下半腔室界面区域进行，并由轴心区传递至另一半腔室的管壁区。
　　 对于连续流动振荡过程，净流量的大小对流场结构影响较大。对于较大净流量的情况，振荡强度较小时净流量对振荡流场的影响占主导，振荡条件对流场的影响有限。随着振荡强度增大，流场的湍动程度增加，漩涡结构明显，漩涡强度增强。浓度场的研究结果表明，在较小净流量下组分的传递主要受振荡流场速度场结构的作用，在较大净流量下，组分的传递更多的受净流的影响，在轴向传递较快而在径向较弱。
　　 计算得到的乙酸乙酯水解反应宏观反应结果与实验结果较为接近，在不同振荡条件下两者的趋势基本上一致，即：振幅较小时，随着振荡雷诺数的增加，反应的总体转化率在增加。可以解释为：在较小的振幅下，轴向返混量小，影响较小，振荡强度对最终混合起着关键作用。振幅较大时，模拟结果与实验结果相差较多，但趋势一致，即振荡雷诺数增加，反应效果变差。在较大的振幅下，振荡强度增加，使得流场混合效率变强，但是流场的结构变得极为复杂，轴向返混程度也大为增加，因此降低了有效反应的程度，总体上使得反应程度下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 前言

1.1课题背景

1.2论文内容

2 文献综述

2.1 OFR简介

2.2 OFR基础研究

2.2.1 OFR型式研究

2.2.2流场性质研究

2.2.3流动模型研究

2.2.4热量传递特性研究

2.2.5质量传递特性研究

2.2.6 OFR中多相体系研究

2.2.7 OFR流场数值模拟研究

2.3 OFR在化学工程中的应用

2.3.1 OFR应用于絮凝过程

2.3.2 OFR应用于粒子悬浮与分离

2.3.3 OFR应用于生物柴油制备

2.3.4 OFR应用于结晶过程

2.4计算流体力学

2.4.1 CFD基本特点

2.4.2计算网格划分

2.4.3控制方程离散

2.4.4流场数值计算

2.5 CFD在化学反应工程领域的应用

3 研究方法

3.1反应器几何结构

3.2数学模型

3.2.1计算域网格模型

3.2.2控制方程

3.2.3湍流模型

3.2.4化学反应模型

3.3边界条件与初始条件

3.4数值求解方法

3.5数值研究可靠性分析

4 结果与讨论

4.1间歇过程振荡流场结构特点

4.1.1锥环挡板OFR流场特点

4.1.2三维涡环结构

4.1.3流场轴向返混程度

4.1.4径向混合实现的方式

4.1.5振荡参数对OFR流场的影响

4.1.6锥环挡板OFR内浓度场的特点

4.2连续过程振荡流场结构特点

4.2.1连续过程振荡流场特点

4.2.2振荡条件的影响

4.2.3轴向返混程度

4.2.4浓度场混合效率

4.2.5停留时间分布

4.3化学反应过程模拟结果

4.3.1乙酸乙酯碱性水解反应及动力学

4.3.2有限速率化学反应模型

4.3.3连续化均相反应过程特点

4.3.4宏观反应结果的实验对比

4.3.5模拟方法改进探讨

4.4模拟结果对反应器设计及连续化工艺的指导意义

4.4.1反应器设计

4.4.2连续化工艺

5 结论与展望

参考文献

作者简历及科研成果