浸沒循環(huán)撞擊流反應器的壓力波動及混合特性研究.pdf

1、在浸沒循環(huán)撞擊流反應器(Submerged Circulative Impinging Stream Reactor，簡稱SCISR)內(nèi)，通過兩股高速相向流動的流體強烈對撞，產(chǎn)生壓力波動強化傳熱傳質(zhì)，從而達到促進物料的均勻混合，加速化學反應的目的。 SCISR能夠有優(yōu)越的混合及反應性能，在于相向流動的流體之間發(fā)生強烈的相互作用。本論文是國家自然科學基金資助的“浸沒循環(huán)撞擊流反應器中的波動特性、微觀混合及其影響”課題中的一部分工作

2、。主要通過實驗掌握SCISR中的壓力波動特性，分析壓力波動產(chǎn)生原因并研究壓力波動對混合特性的促進作用。 為掌握反應器中的壓力波動特性，使用高精度壓力探頭建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并應用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集輔助軟件對反應器中的壓力波動進行了測量，得到反應器中不同操作條件下的壓力波動信號。以壓力波動均方差為強度尺度，研究了反應器中壓力波動強度的空間分布，結(jié)果顯示壓力波動強烈區(qū)在空間的分布呈兩個中空的對置圓錐臺形，錐臺表面附近的壓力波動強度最大

3、。壓力波動強烈區(qū)關于撞擊面鏡象對稱，并近似具有軸對稱性。反應器內(nèi)各點的壓力波動強度及波動積分強度都隨撞擊速度的增大而增大。根據(jù)測量得到的壓力波動分布數(shù)據(jù)擬合出了壓力波動強度空間分布的數(shù)學表達式。 使用Fourier變換，得到壓力波動在頻域上的功率譜，主要的波動功率峰集中在1000Hz之下，其余頻率的功率較弱。在相同撞擊速度下，反應器內(nèi)不同位置點的功率譜不同。隨撞擊速度的增大，各頻率的波動強度同時隨之增大，主頻率范圍也隨之提高。

4、 為進一步了解波動信號在頻率域上的特性，使用小波分析方法對壓力波動信號進行分解，得到壓力波動在不同頻率尺度上的能量分量。各頻率尺度波動能量在空間分布的形狀不同：沿導流筒壁流出的流體在導流筒出口處產(chǎn)生的壓力波動頻率范圍為58.6～937.5Hz；主流體流動方向改變產(chǎn)生的壓力波動頻率范圍為3.7～58.6Hz；撞擊面附近產(chǎn)生的壓力波動頻率范圍為0.46Hz～3.7Hz。波動能量體積積分表明主流體流動方向改變產(chǎn)生的波動強度最大。

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

6、域。為研究壓力波動與流場之間的關系，使用計算流體力學軟件對SCISR中流場進行了模擬計算，得出了不同操作條件下及反應器中的速度場和壓力場。計算出的壓力場與實驗結(jié)果基本一致。計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分布的比較，分析出壓力波動產(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。 為了解反應器中的混合狀況，使用電導脈沖響應法進行了測量。結(jié)果顯示反應器中的宏觀混合

7、時間隨撞擊速度的增大而減小。加入的電解質(zhì)經(jīng)過兩次循環(huán)流動，就可以達到充分的宏觀混合。電導實驗的結(jié)果證明混合主要發(fā)生在兩導流筒出口面之間的區(qū)域內(nèi)，也就是壓力波動強烈區(qū)所在的區(qū)域，而其它區(qū)域為非混合區(qū)。 根據(jù)動能與壓力能之間的關系，推導出壓力波動與速度脈動之間的關系。根據(jù)速度脈動促進物質(zhì)交換的機理，建立了速度脈動促進傳質(zhì)的模型。脈動速度直接影響流體中的對流傳質(zhì)系數(shù)。 使用能譜分析法得出了慣性子區(qū)對應的頻率范圍及波數(shù)范圍，通過