旋转圆盘反应器流体流动与性能研究

发布时间：2020-05-26 16:54

【摘要】：旋转圆盘反应器(Spinning disk reactor,SDR)通过圆盘旋转产生离心力场,使液体在离心力的作用下在圆盘表面上以快速铺展的液膜形式在圆盘表面流动。圆盘表面对液膜的剪切作用加速了液膜的表面更新,强化了液膜的传质、传热效率,已经用于纳米材料制备、催化反应、聚合反应、生物柴油制备等过程。旋转圆盘是SDR的核心部件,圆盘表面结构特性直接影响SDR内液体的流动及液体分散状态,进而影响SDR的混合及传质性能。本文首先采用静电喷涂技术在不锈钢圆盘表面构筑了具有纳微结构、物理和化学性能稳定的疏水涂层,采用高速摄像技术对SDR内流体流动状态进行观测研究,并建立三维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型对SDR圆盘表面上的液膜流动状态进行分析;采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系对SDR的微观混合性能进行研究;最后利用S02-NaOH的气体吸收体系,研究SDR的传质性能。主要研究成果如下:1、采用静电喷涂技术构筑了疏水不锈钢圆盘表面,水在表面上的接触角由70.6°提高到115.6°。利用高速摄像技术对SDR内流体流动状态进行研究。系统考察了圆盘转速、液体流量、液体粘度、液体表面张力、浸润性对流体流动状态的影响规律。结果表明:粘度越大的液体在表面处理后的圆盘(Hydrophobic surface-modified spinning disk,OSD)上的面积等效铺展半径(Area-equivalent radius,Rm)受转速影响越敏感,液体表面张力越小越有利于在OSD上铺展。液体在圆盘外边缘空腔区存在四种流型(液滴-液线流、液线流、液线-液膜流、液膜流),提高圆盘转速和液体流量有利于流型向液膜流转变;降低液体表面张力,出现液膜流的临界液体体积流量减小,提高液体粘度,形成液膜流的临界液体体积流量会增大;最后拟合获得了流型转变的临界条件关联式。空腔区内的液滴直径随着圆盘转速、液体粘度的增大而增大,随液体表面张力的减小而减小;液体流量大小影响空腔区内液滴的数量,对液滴直径的影响不大,OSD产生的液滴直径较未改性圆盘(Non-modified spinning disk,NSD)产生的液滴直径稍大;液滴的尺寸分布符合R-R分布,分布指数m随着转速的增大、粘度的增大、表面张力的减小而增大,分布指数的范围为4.78～6.81。液滴的平均合速度u和平均径向速度ur随转速增大而增大,液体流量、粘度和表面张力对u和ur的影响不大。拟合空腔区平均液滴直径和平均速度的关联式,误差均在±15%以内。2、建立了 OSD表面上的液膜流动的三维CFD模型。模拟结果表明:OSD表面上液膜流动分为进口区(Inlet zone)和波动区(Wave zone),液膜在圆盘表面上铺展的Rm变化规律与实验吻合,模拟值与实验值误差±15%以内;并获得了液膜厚度和液膜速度沿圆盘径向的分布规律,进口区与波动区的分布规律差异明显;根据速度分布沿径向的分布规律,获得了液膜流动进口区的半径大小。3、关于SDR的微观混合性能,首先通过CFD对SDR的预混合液体分布器结构进行了对比优选;利用碘化物-碘酸盐体系研究了圆盘转速、液体总流量、液体流量比、氢离子浓度、表面浸润性对微观混合性能的影响规律,使用改性圆盘的旋转圆盘反应器(Hydrophobic surface-modified spinning disk reactor,OSDR)存在最优微观混合操作点,使用未改性圆盘的旋转圆盘反应器(Non-modified spinning disk reactor,NSDR)最优微观混合操作点则不明显。利用团聚模型计算得到了 NSDR和OSDR的微观混合特征时间。针对SDR的传质性能,采用SO2-NaOH的气体吸收体系,SO2的最高脱除率为95.98%。对SDR的传质系数KGa的经验关联式进行了无量纲拟合。
【图文】：

定转子旋转圆盘反应器通过动盘（旋转盘）和定盘（壳体内壁）之间产生巨大的逡逑剪切力提氋反应器内各相的破碎程度和接触程度，达到强化传质传热的目的。定转子逡逑旋转圆盘反应器的典型结构如图１－２所示［１４］。定转子旋转圆盘反应器主要包括旋转盘、逡逑柱形壳体、旋转轴、气液相进出口，壳体内壁作为反应器的固定盘。旋转盘和固定盘逡逑的轴向距离很小，一般在０．５？１邋ｍｍ之间。在旋转盘高速转动时，动盘和定盘之间会逡逑产生巨大的速度梯度，进而产生巨大的剪切力。对于气液反应体系，液体作为连续相逡逑在顶部进入反应器，气相入口靠近动盘的边缘，气体在入口处就被剪切破碎为气泡并逡逑２逡逑Ｉ逡逑

ｒ：ｓｆｃ＇：：：：：二：：：j#邋ｎ逡逑ＦａＨｉｎｇ邋ｒ邋ｄｍ邋Ｗａｌｌｓ邋▲邋＾Ｈｊ邋Ｒｏｔａ！ｌ＞＞ｉ、譬逡逑ＨｏａｔＴｒａｎ＾ｏｒ＾ｌ＾逡逑ｉＨＩ邋ｆｔｏ？ａｔｉｎｇ邋Ｓｈａｆｔ邋ｕ＜ｓｃＪｗ９ｅ逡逑图１－１薄膜旋转圆盘反应器结构示意图［１２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ邋ｓｐｉｎｎｉｎｇ邋ｄｉｓｋ邋ｒｅａｃｔｏｒ逡逑薄膜旋转圆盘反应器是通过旋转的圆盘对盘面上的液体产生高剪切的液膜来强逡逑化传质、传热的性能［１１］。薄膜旋转圆盘反应器的结构示意图如图ｉ－ｉ所示［１２］。反应器逡逑的控温系统可以根据需要布置在反应器外壳夹套及圆盘的内部。旋转圆盘反应器在运逡逑行过程中，液体通过分布器在圆盘中心或附近位置进入圆盘表面，高速旋转的圆盘将逡逑产生强大的离心力场，，使得圆盘上的液体迅速铺展成膜，液膜厚度主要与操作参数、逡逑液体性质有关，可以达到２５邋ｐｍ甚至更小［１３］。圆盘表面与液膜间的剪切作用，可以促逡逑进液膜表面的快速更新，进而提高体系的传质、传热效率。液膜离开圆盘边缘后，液逡逑膜在空腔区内破碎形成的液滴，部分液滴直接落入壳体底部，部分撞击反应器壳体内逡逑壁，在内壁面形成液膜后流入壳体底部，最后由液体出口流出反应器。对于液液反应逡逑体系，一般通过液体分布器将反应物料加入反应器，根据需要可围绕圆盘中轴均匀布逡逑置多个进液口进液。逡逑定转子旋转圆盘反应器通过动盘（旋转盘）和定盘（壳体内壁）之间产生巨大的逡逑剪切力提氋反应器内各相的破碎程度和接触程度
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ052

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王兴荣;;实践节能基础(五)[J];节能;1987年01期

2 潘明祥,陈熙琛;球形落管试样的冷却及重力水平研究[J];物理;1988年08期

3 刘震北,王成敏;锥面间流体流动考虑流动惯性的近似解[J];应用数学和力学;1988年03期

4 曾树坤;;用解压力耦合方程的半隐式法计算流体流动[J];重庆建筑工程学院学报;1988年04期

5 黄鸿鼎,孙爱,刘国维;螺旋流内热虹吸沸腾装置(Ⅱ)流体流动及传热的计算[J];化工学报;1989年06期

6 周荣琪 ,雷良恒;有助于掌握化工原理内容与实质的讨论题(六)流体流动(上)[J];化工高等教育;1989年01期

7 杜辉,孟晓光,许学谘;用坐标变换求解任意形状区域内的流体流动和传热[J];水动力学研究与进展;1989年02期

8 王海峡;赵广慧;章靖;余长柏;李维国;;内外流体流动下隔水管横向振动模型的探讨[J];石油矿场机械;2010年08期

9 文力;黄翔;;冰浆制取装置的设计及过冷器中流体流动模拟分析[J];西安工程科技学院学报;2006年05期

10 吴松海;孙永利;;多媒体技术在《化工流体流动与传热》课件中的应用探讨[J];化学工业与工程;2005年S1期

相关会议论文 前10条

1 范春垒;张宏彬;张永伟;杨富广;余明淦;;平台工艺管线中流体流动阻力损失的分析计算及应用[A];2013年中国海洋工程技术年会论文集[C];2013年

2 刘丽昆;岳广杰;刘赵淼;;微通道内表面性质和雷诺数对流体流动性能影响[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

3 曹晓丽;沈荣春;束忠明;黄发瑞;;列管式固定床反应器管外流体流动的试验研究[A];上海市化学化工学会2007年度学术年会论文摘要集[C];2007年

4 高洪明;吴林;董红刚;王明启;刘占先;;浮力在焊接熔池流体流动中的作用[A];第十次全国焊接会议论文集（第2册）[C];2001年

5 石国庆;陈振乾;;小通道套管换热器内流体流动及传热模拟研究[A];第五届全国换热器学术会议论文集[C];2015年

6 张志祥;冯耀;王德永;姜茂发;;六流T型连铸中间包内流体流动数学模拟与优化[A];第十六届全国炼钢学术会议论文集[C];2010年

7 刘永兵;陈纪忠;阳永荣;;吸附床内流体流动特征的物理和数值模拟[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

8 孙凯丽;黄美;刘冉;;梅花孔板式换热器内流体流动与换热的研究[A];北京力学会第二十二届学术年会会议论文集[C];2016年

9 何国庚;王忠衡;;冰浆流体流动换热的实验研究[A];第十二届全国冷（热）水机组与热泵技术研讨会论文集[C];2005年

10 刘振;曾爱武;;浮选柱内流体流动CFD模拟[A];第三届全国传质与分离工程学术会议论文集[C];2002年

相关重要报纸文章 前1条

1 晨;中间包流体流动现象的数学和物理模型[N];世界金属导报;2005年

相关博士学位论文 前10条

1 吴相森;旋转圆盘反应器流体流动与性能研究[D];北京化工大学;2018年

2 韩昌亮;浸没燃烧式气化器流体流动与传热特性研究[D];大连理工大学;2017年

3 陆军亮;径向流吸附器内流体流动机理研究[D];浙江大学;2014年

4 桑乐;旋转填充床流体流动可视化与传质模型研究[D];北京化工大学;2017年

5 朱红光;破断岩体裂隙的流体流动特性研究[D];中国矿业大学(北京);2012年

6 丁树业;大型发电机定子复杂结构内流体流动与传热特性的研究[D];哈尔滨理工大学;2008年

7 谭德坤;微流道内表面效应对流体流动及传热特性的影响[D];南昌大学;2014年

8 马瑞;镍基合金焊接熔池凝固过程微观组织模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年

9 王翠华;三角形螺旋流道内流体流动与强化传热研究[D];天津大学;2014年

10 李洋;电阻点焊形核基础问题及焊点质量强化研究[D];天津大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 张震;造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究[D];陕西科技大学;2011年

2 张晶晶;旋转液膜反应器内流体流动的动力学研究[D];北京化工大学;2013年

3 李圣安;多孔介质复合腔体内流体流动及传热的数值模拟研究[D];山东建筑大学;2012年

4 穆齐;换热器凹槽通道中流体流动的实验与数值模拟[D];大连理工大学;2016年

5 鄢鸿羽;中型高压异步电机流体流动与传热计算分析[D];哈尔滨理工大学;2011年

6 王燕飞;刮膜分子蒸馏过程流体流动的模拟与验证[D];天津大学;2007年

7 张艺晓;同轴旋转圆台间流体流动的动力学研究[D];北京化工大学;2012年

8 王立;不同结构水冷散热器流体流动和换热性能研究[D];电子科技大学;2013年

9 刘玉龙;用格子Boltzmann方法模拟含动边界的流体流动[D];吉林大学;2008年

10 薛思瀚;多因素下多孔介质内流体流动与传热研究[D];辽宁工程技术大学;2015年

本文编号：2682138