本文關(guān)鍵詞：強化噴射攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)性能初探

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【摘要】：為了實現(xiàn)工程工業(yè)節(jié)能減排和綠色發(fā)展目標(biāo),新型反應(yīng)器研發(fā)與應(yīng)用意義重大。強化噴射攪拌反應(yīng)器(Jet Intensified Reactor,以下簡稱JIR)是近二十年來得到迅速發(fā)展的一種具有高強度混合效果的反應(yīng)器,它具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、無泄露和安全高效等優(yōu)點,其突出的綜合性能在許多方面優(yōu)于傳統(tǒng)反應(yīng)器,但由于對其流體力學(xué)研究方面的不足制約了其應(yīng)用的步伐。決定JIR內(nèi)流體力學(xué)性能的關(guān)鍵在于噴射攪拌器氣液的出口結(jié)構(gòu),然而,有關(guān)此方面流體力學(xué)的研究成果非常少見。噴射攪拌器出口的結(jié)構(gòu)直接影響反應(yīng)器中氣體的分布、氣含率、氣體卷吸率以及氣泡Sauter平均直徑進而影響氣液相界面積,但具體對于特定參數(shù)的影響程度和影響規(guī)律尚不明確,這制約了工業(yè)上此類反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計。鑒于上述情況,本文將重點考察噴射攪拌器的出口結(jié)構(gòu)對反應(yīng)器流體力學(xué)特性的影響。本研究設(shè)計了7種不同的出口結(jié)構(gòu),采用CCD(Charge Coupled Device)相機對JIR實驗過程的流體流動情況進行拍攝,獲取不同的噴射攪拌器出口結(jié)構(gòu)下反應(yīng)器內(nèi)部氣泡分布的真實圖像,再基于數(shù)字圖像分析技術(shù)(Digital Image Analysis, DIA)分析圖像中的信息,得到氣-液體系中氣泡Sauter平均直徑、反應(yīng)器內(nèi)氣-液相界面積、氣含率、卷吸率等反應(yīng)器相關(guān)流體力學(xué)參數(shù)。本課題取得的一些研究進展如下：(1)通過實驗測量了氣泡自由上升過程中的速度大小,并將實驗所得結(jié)果與Fan等人提出的單個氣泡上升初始速度理論模型計算所得值進行比較,表明吻合較好。研究發(fā)現(xiàn),液體粘度、表面張力、密度等的物理性質(zhì)對氣泡自由上升過程中的速度大小有影響,且粘度的影響尤為明顯。隨著粘度的增大,氣泡的上升速度急劇減小。利用所測得的氣泡自由上升速度實驗值可對反應(yīng)器內(nèi)氣含率、卷吸率等關(guān)鍵參數(shù)進行計算。(2)利用本課題組與華中科技大學(xué)合作研發(fā)的數(shù)字圖像分析軟件,得到不同操作條件下反應(yīng)器內(nèi)部的氣泡粒徑分布,對氣泡Sauter平均直徑大小理論模型進行了初步驗證。研究發(fā)現(xiàn)：在低液體循環(huán)流量(0.5～1.3 m3/h)下,模型的預(yù)測值較為準(zhǔn)確；在液體循環(huán)流量為1.3 m3/h以上時,氣泡Sauter平均直徑的實測值與計算值相差較大,此時需要對理論模型進行修正；JIR下降管在相同開孔面積條件下,開孔數(shù)目為8時,噴射攪拌器所產(chǎn)生的氣泡Sauter平均直徑最小。(3)測定了JIR在特定操作條件下氣含率、氣體卷吸率、氣液相界面積,并將其與本課題組所提出理論模型進行對比,結(jié)果吻合良好。(4)根據(jù)實驗結(jié)果可知,單位能量產(chǎn)生的相界面積隨著液體循環(huán)流量的增大呈先增大后減小的趨勢。在實驗范圍內(nèi),存在一個最佳能量利用率所對應(yīng)的最優(yōu)液體循環(huán)流量,其值為1.0m3/h。該研究結(jié)果有助于在反應(yīng)器設(shè)計時的節(jié)能優(yōu)化。
【關(guān)鍵詞】：強化噴射攪拌反應(yīng)器 氣液相界面積 氣泡大小 數(shù)字圖像分析技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 噴射攪拌器原理及射流卷吸機理10-13
• 1.2.1 噴射器工作原理10-11
• 1.2.2 射流11-12
• 1.2.3 射流的卷吸機理12-13
• 1.3 噴射強化反應(yīng)器分類及應(yīng)用13-17
• 1.3.1 噴射強化反應(yīng)器分類13-14
• 1.3.2 噴射強化反應(yīng)器的應(yīng)用14-17
• 1.4 噴射強化反應(yīng)器的研究進展17-20
• 1.5 本課題主要研究內(nèi)容20-21
• 第二章 實驗裝置與圖像采集裝置21-34
• 2.1 實驗裝置21-25
• 2.1.1 氣泡自由上升速度裝置21-22
• 2.1.2 強化噴射攪拌反應(yīng)器22-25
• 2.2 圖像采集裝置25-30
• 2.2.1 高速攝像機采集系統(tǒng)25-27
• 2.2.2 CCD相機采集系統(tǒng)27-29
• 2.2.3 實驗照明裝置29-30
• 2.3 圖像處理方法30-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 第三章 強化噴射攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)性能的研究34-58
• 3.1 氣泡自由上升速度的測量34-43
• 3.2 氣含率的測定43-45
• 3.3 氣泡大小、粒徑分布的測量45-52
• 3.3.1 氣泡大小的測量45-47
• 3.3.2 粒徑分布47-52
• 3.4 氣體卷吸率的測量52-54
• 3.5 氣液相界面積的計算54-56
• 3.6 單位能量產(chǎn)生相界面積大小的計算56
• 3.7 本章小結(jié)56-58
• 第四章 結(jié)論與展望58-60
• 4.1 結(jié)論58-59
• 4.2 展望59-60
• 參考文獻60-68
• 致謝68-69
• 碩士期間發(fā)表的論文及申請的專利69-70

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本文編號：687816