基于酯交換反應(yīng)中超聲空化的數(shù)值模擬.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染已成為當(dāng)今世界面臨的主要問題，尋找可再生和低污染的生物質(zhì)能源已經(jīng)迫在眉睫。生物柴油作為可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，是石化柴油的理想替代品。目前生物柴油的制備方法有很多，其中超聲波輔助固體堿催化合成生物柴油的技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。因此，課題組成員采用超聲波輔助固體堿催化豆油制備生物柴油，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超聲波可以作為強(qiáng)化手段合成生物柴油。但此類研究與大多數(shù)的研究一樣，研究?jī)?nèi)容都集中在超聲波特性參數(shù)、醇油摩爾比、溫度等體系

2、參數(shù)與產(chǎn)率之間的關(guān)系，而對(duì)于超聲強(qiáng)化酯交換反應(yīng)的作用機(jī)理以及酯交換反應(yīng)中超聲空化的研究比較少。超聲對(duì)酯交換反應(yīng)的強(qiáng)化主要是通過空化效應(yīng)來進(jìn)行的，而空化效應(yīng)的大小主要是通過氣泡的運(yùn)動(dòng)、潰滅等動(dòng)力學(xué)過程所決定的。因此，開展酯交換反應(yīng)中空化行為的研究具有十分重要的理論和實(shí)際參考意義。
　　 首先，闡述了超聲波強(qiáng)化酯交換反應(yīng)的作用機(jī)制，建立了體系中固體催化劑的傳質(zhì)模型，分析了超聲波對(duì)反應(yīng)過程強(qiáng)化的作用機(jī)理。結(jié)果表明:超聲空化可以提高傳質(zhì)

3、系數(shù)，強(qiáng)化傳質(zhì)。
　　 其次，通過理論分析，推導(dǎo)出多相體系內(nèi)單一空化氣泡運(yùn)動(dòng)方程，建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，采用MATLAB對(duì)模型方程進(jìn)行數(shù)值模擬，考察相體物性、波的特性、氣泡的物理量等因素對(duì)氣泡壁動(dòng)態(tài)的影響程度。結(jié)果表明:欲使空化得以優(yōu)化，需采用較低的超聲頻率、氣泡半徑為共振尺寸、普通的環(huán)境壓力、適宜的超聲波功率、較小的表面張力和較小的黏度。其中超聲波頻率、初始半徑、超聲波聲壓幅值、黏度對(duì)空化氣泡壁的運(yùn)動(dòng)影響較大。
　　

4、另外，建立多相體系內(nèi)單一空化氣泡潰滅瞬間超聲聲壓幅值和主體溫度與泡內(nèi)溫度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系式，采用MATLAB對(duì)模型方程進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了甲醇蒸汽與空氣并存型、甲醇蒸汽型和空氣型空化泡潰滅瞬間聲壓幅值和主體溫度與泡內(nèi)壓強(qiáng)和溫度之間的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著聲壓幅值的增加，空化泡潰滅時(shí)泡內(nèi)的最大壓力和最高溫度大幅度提高;隨著主體相溫度的升高，甲醇蒸汽空氣并存型和甲醇蒸汽型空化泡潰滅時(shí)泡內(nèi)最大壓力和最高溫度迅速下降，而空氣型空化泡潰滅時(shí)泡內(nèi)最高

5、溫度快速上升，但潰滅時(shí)最高壓力保持不變。
　　 除此之外，基于完全空化模型、氣液兩相混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，利用Fluent模擬軟件對(duì)雙頻超聲波水模設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了初步的宏觀模擬，分析了空化形成和空化流動(dòng)的原因，獲得設(shè)備內(nèi)的流場(chǎng)信息，并與單頻超聲波作了對(duì)比。結(jié)果表明:雙頻超聲產(chǎn)生的高頻周期性振動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)邊界的壓力和速度呈現(xiàn)出周期性變化，隨著這種振動(dòng)傳播到液體內(nèi)部，會(huì)在液體中產(chǎn)生比其中單一頻超聲波較強(qiáng)的空化效應(yīng)。另外，雙頻超