浸沒(méi)循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的壓力波動(dòng)及混合特性研究.pdf

1、在浸沒(méi)循環(huán)撞擊流反應(yīng)器(Submerged Circulative Impinging Stream Reactor，簡(jiǎn)稱(chēng)SCISR)內(nèi)，通過(guò)兩股高速相向流動(dòng)的流體強(qiáng)烈對(duì)撞，產(chǎn)生壓力波動(dòng)強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，從而達(dá)到促進(jìn)物料的均勻混合，加速化學(xué)反應(yīng)的目的。 SCISR能夠有優(yōu)越的混合及反應(yīng)性能，在于相向流動(dòng)的流體之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。本論文是國(guó)家自然科學(xué)基金資助的“浸沒(méi)循環(huán)撞擊流反應(yīng)器中的波動(dòng)特性、微觀(guān)混合及其影響”課題中的一部分工作

2、。主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握SCISR中的壓力波動(dòng)特性，分析壓力波動(dòng)產(chǎn)生原因并研究壓力波動(dòng)對(duì)混合特性的促進(jìn)作用。 為掌握反應(yīng)器中的壓力波動(dòng)特性，使用高精度壓力探頭建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集輔助軟件對(duì)反應(yīng)器中的壓力波動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，得到反應(yīng)器中不同操作條件下的壓力波動(dòng)信號(hào)。以壓力波動(dòng)均方差為強(qiáng)度尺度，研究了反應(yīng)器中壓力波動(dòng)強(qiáng)度的空間分布，結(jié)果顯示壓力波動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)在空間的分布呈兩個(gè)中空的對(duì)置圓錐臺(tái)形，錐臺(tái)表面附近的壓力波動(dòng)強(qiáng)度最大

3、。壓力波動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)關(guān)于撞擊面鏡象對(duì)稱(chēng)，并近似具有軸對(duì)稱(chēng)性。反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的壓力波動(dòng)強(qiáng)度及波動(dòng)積分強(qiáng)度都隨撞擊速度的增大而增大。根據(jù)測(cè)量得到的壓力波動(dòng)分布數(shù)據(jù)擬合出了壓力波動(dòng)強(qiáng)度空間分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 使用Fourier變換，得到壓力波動(dòng)在頻域上的功率譜，主要的波動(dòng)功率峰集中在1000Hz之下，其余頻率的功率較弱。在相同撞擊速度下，反應(yīng)器內(nèi)不同位置點(diǎn)的功率譜不同。隨撞擊速度的增大，各頻率的波動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)隨之增大，主頻率范圍也隨之提高。

4、 為進(jìn)一步了解波動(dòng)信號(hào)在頻率域上的特性，使用小波分析方法對(duì)壓力波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到壓力波動(dòng)在不同頻率尺度上的能量分量。各頻率尺度波動(dòng)能量在空間分布的形狀不同：沿導(dǎo)流筒壁流出的流體在導(dǎo)流筒出口處產(chǎn)生的壓力波動(dòng)頻率范圍為58.6～937.5Hz；主流體流動(dòng)方向改變產(chǎn)生的壓力波動(dòng)頻率范圍為3.7～58.6Hz；撞擊面附近產(chǎn)生的壓力波動(dòng)頻率范圍為0.46Hz～3.7Hz。波動(dòng)能量體積積分表明主流體流動(dòng)方向改變產(chǎn)生的波動(dòng)強(qiáng)度最大。

5、 為研究粘度對(duì)壓力波動(dòng)強(qiáng)度的影響，使用不同濃度的甘油-水溶液為工質(zhì)，測(cè)量了不同操作條件下的壓力波動(dòng)。結(jié)果表明工質(zhì)粘度對(duì)壓力波動(dòng)強(qiáng)度有顯著影響，各點(diǎn)壓力波動(dòng)強(qiáng)度隨粘度增加而減小，波動(dòng)強(qiáng)度積分隨粘度增加而減小，在本實(shí)驗(yàn)中粘度大于62×10<'-3>Pa·s時(shí)，總波動(dòng)強(qiáng)度隨撞擊速度的改變很小。粘度較低時(shí)，壓力波動(dòng)的空間分布與以水為工質(zhì)時(shí)基本相同，粘度大于62×10<'-3>Pa·s時(shí)，反應(yīng)器中壓力波動(dòng)強(qiáng)度分布趨于平均，沒(méi)有明顯的壓力波動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)

6、域。為研究壓力波動(dòng)與流場(chǎng)之間的關(guān)系，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)SCISR中流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出了不同操作條件下及反應(yīng)器中的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。計(jì)算出的壓力場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。計(jì)算出的有效能量消耗隨撞擊速度增大而增加。根據(jù)撞擊區(qū)速度分布與壓力波動(dòng)分布的比較，分析出壓力波動(dòng)產(chǎn)生的原因是撞擊的流體具有較高的流速以及流體中存在速度梯度或速度方向的突然改變。 為了解反應(yīng)器中的混合狀況，使用電導(dǎo)脈沖響應(yīng)法進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示反應(yīng)器中的宏觀(guān)混合

7、時(shí)間隨撞擊速度的增大而減小。加入的電解質(zhì)經(jīng)過(guò)兩次循環(huán)流動(dòng)，就可以達(dá)到充分的宏觀(guān)混合。電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明混合主要發(fā)生在兩導(dǎo)流筒出口面之間的區(qū)域內(nèi)，也就是壓力波動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)所在的區(qū)域，而其它區(qū)域?yàn)榉腔旌蠀^(qū)。 根據(jù)動(dòng)能與壓力能之間的關(guān)系，推導(dǎo)出壓力波動(dòng)與速度脈動(dòng)之間的關(guān)系。根據(jù)速度脈動(dòng)促進(jìn)物質(zhì)交換的機(jī)理，建立了速度脈動(dòng)促進(jìn)傳質(zhì)的模型。脈動(dòng)速度直接影響流體中的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。 使用能譜分析法得出了慣性子區(qū)對(duì)應(yīng)的頻率范圍及波數(shù)范圍，通過(guò)