网板柱塞流电化学反应器流动特性及传质特性的研究

摘要

柱塞流电化学反应器(PFER)是一种可以提高电流效率，降低处理成本的新型电化学法处理技术。网板柱塞流电化学反应器(MPE-PFER)因阴阳电极面积相同且垂直于流体流动方向，电极为棱形网孔结构，可解决传统柱塞流电化学反应器电流分布不均、流体速度分布不均、湍流强度不均等不足，有利于污染物的传质和分解。计算流体力学(CFD)可有效模拟反应器内部流场、粒子图像测速技术(PIV)可直观观测反应器内部流场，结合这两种技术可为反应器的性能研究和结构优化提供可靠的依据。
　　本文采用CFD与PIV相结合的方式，分别模拟和测试了不同进口方式（轴向、径向和切向）对反应器的影响，分析了反应器进口区域的速度场和整个反应器的压强降等水力特性。结果显示，模拟结果与测试结果基本一致，进口区域属流体流动的过渡区域，受进口方式的影响较大。相比其他两种进口方式，切向进口的速度分布均匀，没有大的速度梯度，没有回流死区，电极表面流速也比较适合，且压降最小。
　　其次，通过DPM模型，分析了不同气泡直径和质量流量对反应器内部流场的影响。模拟结果表明，气泡对连续相流场的影响随着气泡直径的增大而增大，气泡直径较小时，气泡增强湍动且使流场分布变得均匀，而直径较大时，反应器上下部分湍动强度分布不均匀，上端湍动剧烈，而下端出现低湍动区;当气泡量少时，连续相流动起主导作用，气泡对湍动强度的影响不明显，随着气泡的增多，气泡效应越来越明显，流场分布变得越来越均匀。
　　最后，分别从流场分布和传质性能两方面对比分析了MPE-PFER和PFER的性能。从流场来看，MPE-PFER中流场受进口区域影响小，流场可以更早达到稳定，稳定后径向流速分布更加均匀，在网孔处达到速度峰值;PFER中电极间流场呈抛物线型分布，流场受进口区域影响较大。通过对两种反应器传质半经验公式的分析发现，由于网板电极的存在，MPE-PFER的传质性能明显高于PFER，MPE-PFER的传质关联式是PFER的4.61×u0.23倍，在相同的流量变化下，MPE-PFER传质系数提高的是PFER的两倍。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 电催化氧化技术在废水处理中的应用

1．1．1 电催化氧化技术简介

1．1．2 工业废水污染现状

1．1．3 电催化氧化技术的优缺点

1．1．4 电催化氧化技术研究现状

1．2 柱塞流电化学反应器

1．2．1 结构特性

1．2．2 研究现状

1．2．3 网板柱塞流电化学反应器的提出

1．3 反应器流场研究

1．3．1 流场的CFD模拟

1．3．2 流场的PIV测试

1．4 伴有气泡析出的三维电极

1．5 对流传质的半经验关联

1．6 本文研究内容

第二章 分析模型与实验方法

2．1 CFD模型

2．1．1 控制方程

2．1．2 fluent软件

2．1．3 DPM模型

2．2 PIV测试装置及流程

2．3 实验装置与分析方法

2．3．1 实验装置与试剂

2．3．2 样品分析方法

2．4 传质分析方法

第三章 不同进口方式下反应器的CFD模拟与PIV测试

3．1 模型的建立以及初始边界条件设置

3．2 速度分布

3．3 压降

3．4 本章小结

第四章 电化学反应器中的气泡效应

4．1 气泡模型的建立

4．2 气泡大小对流场的影响

4．3 气泡质量流量对流场的影响

4．4 本章小结

第五章 新型网板柱塞流电化学反应器强化传质的CFD模拟与实验研究

5．1 流场分布

5．1．1 速度分布

5．1．2 湍流强度分布

5．2 传质

5．2．1 传质与流速

5．2．2 传质与压降

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文