撞擊流反應(yīng)器的流動(dòng)特性與微觀混合性能的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，國際上對(duì)研究新型聚能式反應(yīng)器技術(shù)興趣日益高漲，這是由于聚能式反應(yīng)器技術(shù)的傳遞和分子混合速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)器，可為中快速化學(xué)反應(yīng)提供較為理想的分子尺度的混合。聚能式反應(yīng)器的共同特點(diǎn)是充分利用化工過程強(qiáng)化(ProcessIntensification)技術(shù)，改進(jìn)反應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而減少副產(chǎn)物和廢棄物的產(chǎn)生，提高原材料的轉(zhuǎn)化率，最后達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的目的。在這類反應(yīng)器中，撞擊流反應(yīng)器因結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、易操作、方便清

2、理等優(yōu)點(diǎn)受到許多研究者的關(guān)注。撞擊流(Impingingjets)是一種過程強(qiáng)化方式，通常通過流體的相向流動(dòng)撞擊發(fā)生動(dòng)能驟變來達(dá)到強(qiáng)化動(dòng)量、質(zhì)量和熱量傳遞的目的。為詳細(xì)的評(píng)價(jià)具有代表性的同軸撞擊流的流動(dòng)特性與微觀混合性能，也為改進(jìn)和優(yōu)化反應(yīng)器和開發(fā)新的撞擊流反應(yīng)設(shè)備提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文采用PIV技術(shù)與碘化物-碘酸鹽平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和體系，對(duì)撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　在等徑撞擊流反應(yīng)器的流動(dòng)特性的研究中，采用

3、二維PIV系統(tǒng)對(duì)4種不同入射直徑為3、4、5、6mm的撞擊流反應(yīng)器在雷諾數(shù)10620-21210下的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。研究得到了撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的兩個(gè)平面上x-y和x-z的流場(chǎng)流型、平均速度場(chǎng)和湍流動(dòng)能分布。無因次化后的湍流動(dòng)能值在0.2-0.4之間，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)攪拌槽。雷諾數(shù)大小對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)速度分布及無因次化湍流動(dòng)能分布影響較小，分布較為類似。在相同雷諾數(shù)下，較小的管徑可以提供更高的湍流動(dòng)能。改變撞擊流反應(yīng)器混合腔上方空間特

4、征尺寸L對(duì)平均速度分布的影響表現(xiàn)在僅僅改變x-z平面上的漩渦偏離入射管中心軸線的距離，而撞擊腔內(nèi)部的湍流動(dòng)能隨著上方空間尺寸的減小而增大。撞擊流速度比變化對(duì)駐點(diǎn)位置的移動(dòng)影響較大。當(dāng)速度比U1/U2在1.0附近變化5％時(shí)，駐點(diǎn)位置偏離混合腔中心的程度可以達(dá)到70％。
　　在不等徑撞擊流反應(yīng)器的流動(dòng)特性的研究中，針對(duì)3-6mm和3-9mm兩種不等徑撞擊流反應(yīng)器，利用PIV技術(shù)對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得出x-y平面上流場(chǎng)流型、平均速度和

5、湍流動(dòng)能分布。與等徑撞擊流反應(yīng)器相比，不等徑撞擊流平均速度分布有較大不同，由于兩邊入射流體直徑不同，進(jìn)入撞擊流混合腔后，較小的入射流會(huì)被較大的入射流包圍住。固定速度比時(shí)，同一種撞擊流混合腔中撞擊軸線x方向上無因次化平均速度分布基本一致。對(duì)3-6撞擊流反應(yīng)器，撞擊駐點(diǎn)周圍區(qū)域脈動(dòng)速度較大和湍動(dòng)程度高。但與3-3相比，湍流動(dòng)能最大值有所降低，湍流動(dòng)能較大區(qū)域略不對(duì)稱。對(duì)3-9撞擊流反應(yīng)器來說，無因次化湍流動(dòng)能較大區(qū)域被分成了兩部分，湍流動(dòng)能

6、較大區(qū)域并不在撞擊軸線上，軸線中心處沒有太多流體進(jìn)行強(qiáng)烈混合。撞擊流駐點(diǎn)位置在x/r=0區(qū)域附近受速度比的影響較為顯著，但變化幅度不同。減小軸線上方特征尺寸L對(duì)速度場(chǎng)基本沒有影響。對(duì)于湍流動(dòng)能分布，在3-6撞擊流內(nèi)，減小撞擊軸線上方的空間，可以擴(kuò)大高湍流動(dòng)能分布的區(qū)域;但在3-9撞擊流內(nèi)，隨著L的減小，高湍流動(dòng)能區(qū)域呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。
　　在撞擊流反應(yīng)器的微觀混合性能研究中，利用“分子探針”平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)碘化物-碘酸鹽體系對(duì)3-

7、3、3-6、3-9三種等徑與不等徑撞擊流反應(yīng)器的微觀混合性能進(jìn)行了考察。結(jié)論表明在三種撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，離集指數(shù)隨著反應(yīng)物[H+]濃度的增大而變大。隨著撞擊速度的增大，離集指數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。撞擊動(dòng)量比PB/PA越大，離集指數(shù)越小，且出現(xiàn)臨界值，超出臨界值后撞擊動(dòng)量比增加對(duì)離集指數(shù)影響較小。軸線上方空間特征尺寸L對(duì)微觀混合的影響較為復(fù)雜，在不同的撞擊流反應(yīng)器內(nèi)有不同的微觀混合性能影響，應(yīng)根據(jù)具體情況確定。對(duì)3-3mm撞擊流反應(yīng)器，L/R有