本文關(guān)鍵詞：射流鼓泡反應(yīng)器的流動(dòng)行為與傳質(zhì)特性研究

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【摘要】：射流鼓泡反應(yīng)器是甲醇羰基合成法制醋酸工藝的關(guān)鍵設(shè)備。其利用液體射流代替攪拌實(shí)現(xiàn)液相混合,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造及維護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn),逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。射流鼓泡反應(yīng)器這一新型氣液反應(yīng)器的研究起步較晚,且涉及射流和鼓泡兩種不同的影響機(jī)制,目前對(duì)其特性的認(rèn)識(shí)尚不深入。尤其是對(duì)反應(yīng)器混合特性、傳質(zhì)規(guī)律以及流動(dòng)行為等的認(rèn)識(shí)有限,嚴(yán)重地束縛了反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作優(yōu)化以及工程放大。本文采用冷模實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬相結(jié)合的研究方法,對(duì)射流鼓泡反應(yīng)器的流動(dòng)行為與混合、傳質(zhì)特性展開研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：(1)利用電解質(zhì)示蹤法和能量輸入分析,系統(tǒng)考察了射流鼓泡反應(yīng)器中液相宏觀混合時(shí)間隨表觀氣速、射流Reynolds數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,恒定表觀氣速下,液相宏觀混合時(shí)間隨射流Reynolds數(shù)的增大先減小后基本保持不變。恒定射流Reynolds數(shù)下,液相宏觀混合時(shí)間隨著表觀氣速的增大先減小后增大。研究發(fā)現(xiàn),射流和氣泡之間既相互影響又相互制約,存在協(xié)同作用。當(dāng)總輸入功率一定時(shí),混合時(shí)間隨氣體輸入功率的增加先減小后增大,臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)在氣體輸入功率為總功率的60%處,轉(zhuǎn)折點(diǎn)處氣體鼓泡和液體射流協(xié)同作用最強(qiáng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到混合時(shí)間與液體和氣體輸入功率之間的定量關(guān)系tM=85.87xPL-0.12PG-0.1。研究發(fā)現(xiàn)旋扭三角形噴嘴和縮徑式圓形噴嘴的宏觀混合時(shí)間隨著表觀氣速或射流Reynolds數(shù)的增大具有相同的變化規(guī)律,且液相混合性能優(yōu)于縮徑式圓形噴嘴。(2)利用動(dòng)態(tài)溶氧法和能量輸入分析,系統(tǒng)考察了射流鼓泡反應(yīng)器內(nèi)的液相體積傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速、射流Reynolds數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),恒定射流Reynolds數(shù)下,液相體積傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速的增大先增大后基本保持不變；恒定表觀氣速下,液相體積傳質(zhì)系數(shù)隨射流Reynolds數(shù)的增大而增大。引入氣體輸入功率和液體輸入功率,回歸得到液相體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式kLα= 0.0041PL0.26 PG0.33。分析結(jié)果表明,當(dāng)氣體輸入功率占總功率的56%時(shí),反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)最大,氣體鼓泡和液體射流的協(xié)同作用最強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)旋扭三角形噴嘴的氣液傳質(zhì)效果優(yōu)于縮徑式圓形噴嘴。(3)基于軸向液速的冷模實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)射流鼓泡反應(yīng)器中存在液體射流作用區(qū)、氣體鼓泡作用區(qū)、壁面作用區(qū)三類具有不同液體流動(dòng)方向和控制機(jī)制的區(qū)域,歸納提出射流控制、鼓泡控制和射流鼓泡耦合控制的三種典型流動(dòng)結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ),建立了射流鼓泡反應(yīng)器的串聯(lián)釜模型,通過對(duì)比混合時(shí)間和液體速度徑向分布,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。模型能區(qū)分射流作用區(qū)、鼓泡作用區(qū)、壁面作用區(qū)并計(jì)算各個(gè)區(qū)域的體積、液體流動(dòng)方向及相鄰區(qū)域間的質(zhì)量交換速率等參數(shù),進(jìn)而分辨流動(dòng)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),在射流和鼓泡的協(xié)同作用下,射流作用區(qū)呈現(xiàn)“紡錘形”結(jié)構(gòu),射流作用區(qū)的范圍隨表觀氣速的增大而縮小。徑向流動(dòng)系數(shù)λ(徑向流入和流出區(qū)域i的流量和與軸、徑向流入和流出該區(qū)域的流量和之比)越大,反應(yīng)器內(nèi)液體無規(guī)則湍動(dòng)越劇烈,混合效果越好。λ隨氣體輸入功率占總輸入功率比例的增大先增大后減小,臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)在氣體輸入功率為總功率的64%-67%處,此時(shí)氣體鼓泡和液體射流協(xié)同作用最強(qiáng),能量利用率最高。(4)利用CFD模擬對(duì)射流鼓泡反應(yīng)器的流動(dòng)行為進(jìn)行研究,通過比較平均氣含率的模擬結(jié)果與冷模實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證CFD模擬的準(zhǔn)確性；通過分析反應(yīng)器內(nèi)的相分布、液速分布及液體流線等數(shù)據(jù),證實(shí)了反應(yīng)器內(nèi)“紡錘形”射流作用區(qū)的存在,發(fā)現(xiàn)了射流速度的驟降現(xiàn)象和靠近氣體分布環(huán)處的氣泡引起的較快的液體向上流動(dòng)現(xiàn)象。反應(yīng)器內(nèi)存在多處促進(jìn)液體流動(dòng)、混合及傳質(zhì)的的渦狀湍流。(5)提出了射流鼓泡反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則,在滿足幾何尺寸相似的前提下,按照重要性排序依次為單位體積液體輸入功相等、循環(huán)比相等和表觀氣速相等。
【關(guān)鍵詞】：射流鼓泡反應(yīng)器 宏觀混合 液相體積傳質(zhì)系數(shù) 能量輸入 串聯(lián)釜模型 計(jì)算流體力學(xué) 放大
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ052;TQ225.122
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 醋酸的生產(chǎn)方法15-17
• 1.2 甲醇羰基化制醋酸反應(yīng)機(jī)理及宏觀動(dòng)力學(xué)分析17-20
• 1.3 甲醇羰基化制醋酸反應(yīng)器20-22
• 參考文獻(xiàn)22-23
• 第二章 文獻(xiàn)綜述23-47
• 2.1 射流反應(yīng)器的混合特性23-29
• 2.1.1 混合時(shí)間24-25
• 2.1.2 射流理論25-29
• 2.2 鼓泡反應(yīng)器的流動(dòng)規(guī)律29-34
• 2.2.1 鼓泡塔的流型29-31
• 2.2.2 氣泡特征參數(shù)31-34
• 2.3 噴射式氣-液反應(yīng)器的流動(dòng)規(guī)律與傳遞規(guī)律34-38
• 2.3.1 氣含率36-37
• 2.3.2 液相體積傳質(zhì)系數(shù)37
• 2.3.3 混合時(shí)間37-38
• 2.4 課題的提出38-39
• 符號(hào)說明39-42
• 參考文獻(xiàn)42-47
• 第三章 實(shí)驗(yàn)裝置和方法47-63
• 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置47-50
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法50-55
• 3.2.1 液相宏觀混合時(shí)間50
• 3.2.2 氣含率50-53
• 3.2.3 液相體積傳質(zhì)系數(shù)53-54
• 3.2.4 液體速度分布54-55
• 3.3 新型噴嘴結(jié)構(gòu)55-59
• 3.3.1 射流理論基礎(chǔ)概述55-57
• 3.3.2 噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析57-59
• 3.3.3 噴嘴結(jié)構(gòu)的確定59
• 3.4 本章小結(jié)59-60
• 符號(hào)說明60-61
• 參考文獻(xiàn)61-63
• 第四章 宏觀混合特性的實(shí)驗(yàn)研究63-81
• 4.1 數(shù)據(jù)處理方法63-64
• 4.2 縮徑式圓形噴嘴的液相混合特性64-75
• 4.2.1 鼓泡反應(yīng)器的混合時(shí)間64-66
• 4.2.2 射流反應(yīng)器的混合時(shí)間66-67
• 4.2.3 射流鼓泡反應(yīng)器的混合時(shí)間67-72
• 4.2.4 能量輸入分析72-75
• 4.3 旋扭三角形噴嘴的液相混合特性75-77
• 4.4 本章小結(jié)77-78
• 符號(hào)說明78-79
• 參考文獻(xiàn)79-81
• 第五章 傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究81-93
• 5.1 檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理81-83
• 5.1.1 測(cè)量?jī)x器及信號(hào)采集系統(tǒng)81-82
• 5.1.2 動(dòng)態(tài)溶氧法操作流程82-83
• 5.1.3 液相體積傳質(zhì)系數(shù)測(cè)量方法的驗(yàn)證83
• 5.2 縮徑式圓形噴嘴的傳質(zhì)特性83-88
• 5.2.1 表觀氣速的影響84-86
• 5.2.2 射流Reynolds數(shù)的影響86-87
• 5.2.3 能量輸入分析87-88
• 5.3 旋扭三角形噴嘴的傳質(zhì)特性88-90
• 5.4 本章小結(jié)90-91
• 符號(hào)說明91-92
• 參考文獻(xiàn)92-93
• 第六章 射流鼓泡反應(yīng)器的模型化研究93-125
• 6.1 多級(jí)循環(huán)模型(Cell model)93-97
• 6.1.1 模型的建立93-96
• 6.1.2 計(jì)算結(jié)果與討論96-97
• 6.2 液體軸向速度冷模實(shí)驗(yàn)研究97-105
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)方法97-98
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論98-105
• 6.3 反應(yīng)器串聯(lián)釜模型(Tanks-in-Series Model,TSM)105-120
• 6.3.1 模型建立106-109
• 6.3.2 模型驗(yàn)證109-113
• 6.3.3 軸向交換速率分析113-115
• 6.3.4 徑向交換速率分析115-118
• 6.3.5 體積參數(shù)分析118-120
• 6.4 本章小結(jié)120-121
• 符號(hào)說明121-123
• 參考文獻(xiàn)123-125
• 第七章 射流鼓泡反應(yīng)器的CFD模擬研究125-143
• 7.1 模擬對(duì)象與方法125-128
• 7.1.1 計(jì)算域125-126
• 7.1.2 網(wǎng)格劃分126-127
• 7.1.3 邊界與初始條件127-128
• 7.1.4 CFD模擬方法128
• 7.2 數(shù)學(xué)模型128-132
• 7.2.1 質(zhì)量守恒方程129
• 7.2.2 動(dòng)量守恒方程129-131
• 7.2.3 湍流方程131-132
• 7.3 結(jié)果討論和分析132-140
• 7.3.1 數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證132-134
• 7.3.2 相分布分析134-136
• 7.3.3 液體軸向速度的徑向分布分析136-139
• 7.3.4 液體流線分析139-140
• 7.4 本章小結(jié)140
• 符號(hào)說明140-142
• 參考文獻(xiàn)142-143
• 第八章 射流鼓泡反應(yīng)器的放大規(guī)律研究143-149
• 8.1 反應(yīng)器放大準(zhǔn)則的提出143-146
• 8.1.1 單位體積液體輸入功P_L/V_L相等放大144-145
• 8.1.2 循環(huán)比Q_L/V_L相等放大145
• 8.1.3 表觀氣速u_g相等放大145-146
• 8.2 反應(yīng)器放大準(zhǔn)則的驗(yàn)證和應(yīng)用146-147
• 8.3 本章小結(jié)147
• 符號(hào)說明147-148
• 參考文獻(xiàn)148-149
• 第九章 結(jié)論與展望149-151
• 9.1 結(jié)論149-151
• 9.2 展望151

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本文編號(hào)：738151