射流鼓泡反应器的流动行为与传质特性研究

发布时间：2017-08-25 20:31

  本文关键词：射流鼓泡反应器的流动行为与传质特性研究

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【摘要】：射流鼓泡反应器是甲醇羰基合成法制醋酸工艺的关键设备。其利用液体射流代替搅拌实现液相混合,具有结构简单、制造及维护费用低等诸多优点,逐渐在工业生产中得到广泛应用。射流鼓泡反应器这一新型气液反应器的研究起步较晚,且涉及射流和鼓泡两种不同的影响机制,目前对其特性的认识尚不深入。尤其是对反应器混合特性、传质规律以及流动行为等的认识有限,严重地束缚了反应器的设计、操作优化以及工程放大。本文采用冷模实验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟相结合的研究方法,对射流鼓泡反应器的流动行为与混合、传质特性展开研究。主要研究内容和成果包括：(1)利用电解质示踪法和能量输入分析,系统考察了射流鼓泡反应器中液相宏观混合时间随表观气速、射流Reynolds数等参数的变化规律。结果表明,恒定表观气速下,液相宏观混合时间随射流Reynolds数的增大先减小后基本保持不变。恒定射流Reynolds数下,液相宏观混合时间随着表观气速的增大先减小后增大。研究发现,射流和气泡之间既相互影响又相互制约,存在协同作用。当总输入功率一定时,混合时间随气体输入功率的增加先减小后增大,临界转折点在气体输入功率为总功率的60%处,转折点处气体鼓泡和液体射流协同作用最强。根据实验数据回归得到混合时间与液体和气体输入功率之间的定量关系tM=85.87xPL-0.12PG-0.1。研究发现旋扭三角形喷嘴和缩径式圆形喷嘴的宏观混合时间随着表观气速或射流Reynolds数的增大具有相同的变化规律,且液相混合性能优于缩径式圆形喷嘴。(2)利用动态溶氧法和能量输入分析,系统考察了射流鼓泡反应器内的液相体积传质系数随表观气速、射流Reynolds数等参数的变化规律。研究发现,恒定射流Reynolds数下,液相体积传质系数随表观气速的增大先增大后基本保持不变；恒定表观气速下,液相体积传质系数随射流Reynolds数的增大而增大。引入气体输入功率和液体输入功率,回归得到液相体积传质系数的经验关联式kLα= 0.0041PL0.26 PG0.33。分析结果表明,当气体输入功率占总功率的56%时,反应器内的传质系数最大,气体鼓泡和液体射流的协同作用最强。研究还发现旋扭三角形喷嘴的气液传质效果优于缩径式圆形喷嘴。(3)基于轴向液速的冷模实验结果,发现射流鼓泡反应器中存在液体射流作用区、气体鼓泡作用区、壁面作用区三类具有不同液体流动方向和控制机制的区域,归纳提出射流控制、鼓泡控制和射流鼓泡耦合控制的三种典型流动结构。以此为基础,建立了射流鼓泡反应器的串联釜模型,通过对比混合时间和液体速度径向分布,验证了模型的准确性。模型能区分射流作用区、鼓泡作用区、壁面作用区并计算各个区域的体积、液体流动方向及相邻区域间的质量交换速率等参数,进而分辨流动结构。研究发现,在射流和鼓泡的协同作用下,射流作用区呈现“纺锤形”结构,射流作用区的范围随表观气速的增大而缩小。径向流动系数λ(径向流入和流出区域i的流量和与轴、径向流入和流出该区域的流量和之比)越大,反应器内液体无规则湍动越剧烈,混合效果越好。λ随气体输入功率占总输入功率比例的增大先增大后减小,临界转变点在气体输入功率为总功率的64%-67%处,此时气体鼓泡和液体射流协同作用最强,能量利用率最高。(4)利用CFD模拟对射流鼓泡反应器的流动行为进行研究,通过比较平均气含率的模拟结果与冷模实验结果,验证CFD模拟的准确性；通过分析反应器内的相分布、液速分布及液体流线等数据,证实了反应器内“纺锤形”射流作用区的存在,发现了射流速度的骤降现象和靠近气体分布环处的气泡引起的较快的液体向上流动现象。反应器内存在多处促进液体流动、混合及传质的的涡状湍流。(5)提出了射流鼓泡反应器的放大准则,在满足几何尺寸相似的前提下,按照重要性排序依次为单位体积液体输入功相等、循环比相等和表观气速相等。
【关键词】：射流鼓泡反应器 宏观混合 液相体积传质系数 能量输入 串联釜模型 计算流体力学 放大
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052;TQ225.122
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 醋酸的生产方法15-17
• 1.2 甲醇羰基化制醋酸反应机理及宏观动力学分析17-20
• 1.3 甲醇羰基化制醋酸反应器20-22
• 参考文献22-23
• 第二章 文献综述23-47
• 2.1 射流反应器的混合特性23-29
• 2.1.1 混合时间24-25
• 2.1.2 射流理论25-29
• 2.2 鼓泡反应器的流动规律29-34
• 2.2.1 鼓泡塔的流型29-31
• 2.2.2 气泡特征参数31-34
• 2.3 喷射式气-液反应器的流动规律与传递规律34-38
• 2.3.1 气含率36-37
• 2.3.2 液相体积传质系数37
• 2.3.3 混合时间37-38
• 2.4 课题的提出38-39
• 符号说明39-42
• 参考文献42-47
• 第三章 实验装置和方法47-63
• 3.1 实验装置47-50
• 3.2 实验方法50-55
• 3.2.1 液相宏观混合时间50
• 3.2.2 气含率50-53
• 3.2.3 液相体积传质系数53-54
• 3.2.4 液体速度分布54-55
• 3.3 新型喷嘴结构55-59
• 3.3.1 射流理论基础概述55-57
• 3.3.2 喷嘴结构的优化设计分析57-59
• 3.3.3 喷嘴结构的确定59
• 3.4 本章小结59-60
• 符号说明60-61
• 参考文献61-63
• 第四章 宏观混合特性的实验研究63-81
• 4.1 数据处理方法63-64
• 4.2 缩径式圆形喷嘴的液相混合特性64-75
• 4.2.1 鼓泡反应器的混合时间64-66
• 4.2.2 射流反应器的混合时间66-67
• 4.2.3 射流鼓泡反应器的混合时间67-72
• 4.2.4 能量输入分析72-75
• 4.3 旋扭三角形喷嘴的液相混合特性75-77
• 4.4 本章小结77-78
• 符号说明78-79
• 参考文献79-81
• 第五章 传质特性的实验研究81-93
• 5.1 检测方法及数据处理81-83
• 5.1.1 测量仪器及信号采集系统81-82
• 5.1.2 动态溶氧法操作流程82-83
• 5.1.3 液相体积传质系数测量方法的验证83
• 5.2 缩径式圆形喷嘴的传质特性83-88
• 5.2.1 表观气速的影响84-86
• 5.2.2 射流Reynolds数的影响86-87
• 5.2.3 能量输入分析87-88
• 5.3 旋扭三角形喷嘴的传质特性88-90
• 5.4 本章小结90-91
• 符号说明91-92
• 参考文献92-93
• 第六章 射流鼓泡反应器的模型化研究93-125
• 6.1 多级循环模型(Cell model)93-97
• 6.1.1 模型的建立93-96
• 6.1.2 计算结果与讨论96-97
• 6.2 液体轴向速度冷模实验研究97-105
• 6.2.1 实验方法97-98
• 6.2.2 实验结果与讨论98-105
• 6.3 反应器串联釜模型(Tanks-in-Series Model,TSM)105-120
• 6.3.1 模型建立106-109
• 6.3.2 模型验证109-113
• 6.3.3 轴向交换速率分析113-115
• 6.3.4 径向交换速率分析115-118
• 6.3.5 体积参数分析118-120
• 6.4 本章小结120-121
• 符号说明121-123
• 参考文献123-125
• 第七章 射流鼓泡反应器的CFD模拟研究125-143
• 7.1 模拟对象与方法125-128
• 7.1.1 计算域125-126
• 7.1.2 网格划分126-127
• 7.1.3 边界与初始条件127-128
• 7.1.4 CFD模拟方法128
• 7.2 数学模型128-132
• 7.2.1 质量守恒方程129
• 7.2.2 动量守恒方程129-131
• 7.2.3 湍流方程131-132
• 7.3 结果讨论和分析132-140
• 7.3.1 数值模拟有效性验证132-134
• 7.3.2 相分布分析134-136
• 7.3.3 液体轴向速度的径向分布分析136-139
• 7.3.4 液体流线分析139-140
• 7.4 本章小结140
• 符号说明140-142
• 参考文献142-143
• 第八章 射流鼓泡反应器的放大规律研究143-149
• 8.1 反应器放大准则的提出143-146
• 8.1.1 单位体积液体输入功P_L/V_L相等放大144-145
• 8.1.2 循环比Q_L/V_L相等放大145
• 8.1.3 表观气速u_g相等放大145-146
• 8.2 反应器放大准则的验证和应用146-147
• 8.3 本章小结147
• 符号说明147-148
• 参考文献148-149
• 第九章 结论与展望149-151
• 9.1 结论149-151
• 9.2 展望151

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本文编号：738151