射流鼓泡反應(yīng)器的流動行為與傳質(zhì)特性研究.pdf

1、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現(xiàn)液相混合，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造及維護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點，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，目前對其特性的認(rèn)識尚不深入。尤其是對反應(yīng)器混合特性、傳質(zhì)規(guī)律以及流動行為等的認(rèn)識有限，嚴(yán)重地束縛了反應(yīng)器的設(shè)計、操作優(yōu)化以及工程放大。本文采用冷模實驗和計算流體力學(xué)（Computational F

2、luid Dynamics，CFD）模擬相結(jié)合的研究方法，對射流鼓泡反應(yīng)器的流動行為與混合、傳質(zhì)特性展開研究。主要研究內(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，液相宏觀混合時間隨著表觀氣速的增大先減

3、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，混合時間隨氣體輸入功率的增加先減小后增大，臨界轉(zhuǎn)折點在氣體輸入功率為總功率的60％處，轉(zhuǎn)折點處氣體鼓泡和液體射流協(xié)同作用最強(qiáng)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)回歸得到混合時間與液體和氣體輸入功率之間的定量關(guān)系tM=85.87×PL-0.12PG-0.19。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，

4、且液相混合性能優(yōu)于縮徑式圓形噴嘴。
　　(2)利用動態(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)驗關(guān)聯(lián)式kLa=0.0041PL0.2

5、6PG0.33。分析結(jié)果表明，當(dāng)氣體輸入功率占總功率的56％時，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驗結(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

6、型，通過對比混合時間和液體速度徑向分布，驗證了模型的準(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)并計算各個區(qū)域的體積、液體流動方向及相鄰區(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)則湍動越劇烈，混合效果越好。λ隨氣體輸

7、入功率占總輸入功率比例的增大先增大后減小，臨界轉(zhuǎn)變點在氣體輸入功率為總功率的64％～67％處，此時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模擬對射流鼓泡反應(yīng)器的流動行為進(jìn)行研究，通過比較平均氣含率的模擬結(jié)果與冷模實驗結(jié)果，驗證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