液體連續(xù)相撞擊流水合反應器內(nèi)流動特性研究.pdf

1、天然氣水合物是天然氣與水在高壓低溫的條件下形成的類冰狀籠形結(jié)晶化合物，其被認為是21世紀最具潛力的潔凈新能源。目前天然氣水合物儲運技術(shù)是水合物領(lǐng)域的研究熱點之一。天然氣水合物的快速生成技術(shù)是天然氣水合物儲運技術(shù)應用的前提，同時也是其它天然氣水合物應用技術(shù)的基礎(chǔ)。
　　基于對水合物生成機理的研究，水合物的生成過程即氣液兩相之間的溶解成核過程，因此，強化氣液兩相傳遞過程能促進水合物的快速生成。撞擊流過程強化技術(shù)作為一種新型、高效、節(jié)能

2、的過程強化技術(shù)已經(jīng)成功應用于燃燒、結(jié)晶、萃取、混合等化工領(lǐng)域。撞擊流技術(shù)相比傳統(tǒng)的過程強化手段，其相對極高的相間相對速度能極大地強化相間傳遞過程。
　　撞擊流過程強化技術(shù)應用于水合物快速生成領(lǐng)域，是一種新的嘗試。針對水合物生成的特點，本文設(shè)計開發(fā)了液體連續(xù)相撞擊流水合反應器，考察了液體連續(xù)相撞擊流水合反應器內(nèi)流動特性，采用現(xiàn)代流體測量技術(shù)激光多普勒測速儀（LDV）和數(shù)值模擬兩種方法，分析水合反應器內(nèi)流場及速度波動情況，以期通過對其

3、流動特性的研究為液體連續(xù)相撞擊流在水合物快速生成領(lǐng)域的應用提供基礎(chǔ)。通過實驗研究與數(shù)值模擬，取得以下研究成果：
　　（1）撞擊區(qū)流體速度及速度波動實驗研究。采用LDV對徑向位置（圖3.4） r/R=0.5、r/R=1、r/R=1.5處的豎直方向速度分量及波動進行了統(tǒng)計分析。發(fā)現(xiàn)導流筒處的流體流動不是平推流，徑向位置r/R=1處的流體是同軸相向的流體撞擊束。進一步對該位置的速度波動進行分析，發(fā)現(xiàn)豎直方向速度波動最小的位置位于兩導流筒

4、中間的中面位置，波動最強的位置位于中面上下兩側(cè)處（見圖3.8）。且研究表明豎直方向速度湍流強度最強的位置為 Z=3處，該處位于兩導流筒中面的上方（見圖3.9）。
　　（2）不同傾角斜葉槳式攪拌器的流體推進能力研究?；趶较蛭恢?r/R=1為撞擊束位置的結(jié)論，采用LDV測量了r/R=1導流筒出口處的豎直方向速度。發(fā)現(xiàn)對于30°、45°與60°三種傾角攪拌器，傾角越大導流筒出口處的速度越大。同時，對于同一攪拌器，轉(zhuǎn)速越高，出口速度越大

5、，二者近似呈線性關(guān)系。考慮到攪拌器推進能力的各種影響因素，定義豎直方向速度與槳葉豎直方向上的輻射面積的乘積來反映槳葉的推進能力的大小，比較得出45°傾角的斜葉槳式攪拌器相比30°與60°斜葉槳式攪拌器，具有更好的推進能力。
　?。?）液體連續(xù)相撞擊流數(shù)值模擬研究。采用Fluent中應用最廣泛的k-ε模型和MRF方法考察了反應器不同轉(zhuǎn)速（200、400、600、800 r/min）下的流場。將徑向位置r/R=1處豎直方向速度的數(shù)值模

6、擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果趨勢相同，證明了數(shù)值模擬研究方法的可行性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速為200、400、600、800 r/min時撞擊面向上偏移中面（mid-plane）的距離分別為1.21 mm、1.61 mm、1.685 mm、1.766 mm。同時發(fā)現(xiàn)重力作用是造成撞擊面偏移的原因，且隨著槳葉轉(zhuǎn)速的增大，反應器內(nèi)流體湍動強度明顯加強，且最大湍動強度依次為1.49％，3.00%、4.53%、6.04%。最大湍動強度