环隙型微通道内气-液两相流动特性研究

发布时间：2020-05-16 04:47

【摘要】：传统的微通道反应器中,催化剂通常涂覆于微通道内表面,存在涂覆质量难以控制、催化剂再生操作难度大等问题,为解决上述催化剂的涂覆和再生问题,本文提出将催化剂涂覆于换热内管外表面,并在外管与内管间构建微环隙型微通道,为化学反应提供空间。用石英玻璃、有机玻璃和不锈钢加工了环隙尺寸分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm的环隙微通道。使用高速摄像机记录不同流速下单液相和气液两相流的流型变化,探究环隙尺寸、环隙外径、环隙内结构及壁面性质、流体物性以及放置方式对流动的影响。采用FLUENT软件对环隙内的流动进行模拟,将模拟结果与实验结果进行对比。单相实验和数值模拟中,探究了环隙尺寸δ的变化对流型、压降、摩擦系数的影响。高速摄像机观察到在不同环隙尺寸中层流湍流转捩点雷诺数并不相同,在δ=1.5mm转捩点雷诺数开始小于常规值,在δ≤1.0mm转捩点雷诺数稳定在Re_(cr)=1500-1600,即δ1.5mm时可视为环隙微通道。同时实验和模拟均发现壁面滑移在环隙微通道作用突出,导致摩擦系数和摩擦系数与雷诺数乘积小于大尺寸内的值。两相实验和数值模拟中,对氮气和水在不同环隙尺寸内的流型变化进行了探究。气体的分散和气泡的聚并受流速、环隙结构和流体物性的影响。液相流速的增大、环隙尺寸与环隙外径的减小、竖直放置和壁面较强的亲水性有利于气体的分散并抑制气泡的聚并,使两相流型中泡状流或弹状流趋向于更大的气含率。但竖直放置强化浮力的作用,减小其在环隙内的停留时间。环隙内构件的加入有利于环隙内气体的分散和大气泡的破碎,在环隙型微通道中圆形和椭圆形的内结构表现较好。流体物性中粘度的变化影响比较突出,粘性越大环隙内气体分散越好,气泡尺寸越小;而表面张力的变化对流动影响甚微。
【图文】：

环隙,结构示意图,微通道,毛细管数

Natan[93]VOF 空气、水微通道壁面由亲水性至疏水性导致弹状流层流转变Fahd[94]水在低 Re 下相比正弦波微通道，扭曲波状微强化传热高出 30%，且压降小Guo[95]VOF 空气、水在没有粘性力的阻碍下，轻微的震动导致流界面的不稳定Catalin[96]VOF 油、水毛细管数与流速成正比，且毛细管数越大的液滴就越小环隙型微通道内流动的实验研究与数值模拟环隙型微通道是指由两根同心圆管组成的、位于内管外壁面与外管内的环隙型空间，详见下图 1-1 所示。

纳米铜,生产装置,环隙,微通道

图 1-2 纳米铜生产装置[98]Fig. 1-2 Nano copper production迄今为止，有关环隙型微通道的研究报道极少，仅有北京化工大学等[97]关于环隙型微通道用于纳米材料合成的报道，其通过改善分散相进入环隙入口的大小得到大小和形状均匀的纳米铜，其结构如图 1-2。他们两相均采用侧方进料的方式，且应用在液液两相的纳米材料的生产。本次物料入口与环隙同轴，且主要应用在气液两相的反应中。而有关环隙型微通道内多相流动的实验研究和数值模拟的尚无报道，因而有必要针对环隙型微通道内的单相流体流动、气液两相流动、混合、传热热与传质特性进行深入研究，，为环隙型微通道反应器的设计、优化和工业化应用提供理论依据和实验数据支持。本文尝试对环隙型微通道内的单液相流动特性、层流湍流转捩点、气液两相流动流型等开展实验研究，并采用 Fluent 对环隙型微通道内的单液相流动阻力、
【学位授予单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ021.1

【参考文献】