撞擊流反應器的流動特性與微觀混合性能的實驗研究.pdf

1、近年來，國際上對研究新型聚能式反應器技術興趣日益高漲，這是由于聚能式反應器技術的傳遞和分子混合速率遠遠高于傳統(tǒng)攪拌反應器，可為中快速化學反應提供較為理想的分子尺度的混合。聚能式反應器的共同特點是充分利用化工過程強化(ProcessIntensification)技術，改進反應器型式和結構參數(shù)，進而減少副產物和廢棄物的產生，提高原材料的轉化率，最后達到提高經濟效益和環(huán)境保護的目的。在這類反應器中，撞擊流反應器因結構型式簡單、易操作、方便清

2、理等優(yōu)點受到許多研究者的關注。撞擊流(Impingingjets)是一種過程強化方式，通常通過流體的相向流動撞擊發(fā)生動能驟變來達到強化動量、質量和熱量傳遞的目的。為詳細的評價具有代表性的同軸撞擊流的流動特性與微觀混合性能，也為改進和優(yōu)化反應器和開發(fā)新的撞擊流反應設備提供基礎數(shù)據(jù)，本文采用PIV技術與碘化物-碘酸鹽平行競爭反應作為實驗測試方法和體系，對撞擊流反應器進行了詳細的實驗研究。
　　在等徑撞擊流反應器的流動特性的研究中，采用

3、二維PIV系統(tǒng)對4種不同入射直徑為3、4、5、6mm的撞擊流反應器在雷諾數(shù)10620-21210下的流動特性進行了研究。研究得到了撞擊流反應器內的兩個平面上x-y和x-z的流場流型、平均速度場和湍流動能分布。無因次化后的湍流動能值在0.2-0.4之間，要遠遠高于傳統(tǒng)攪拌槽。雷諾數(shù)大小對撞擊流反應器內相對速度分布及無因次化湍流動能分布影響較小，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能。改變撞擊流反應器混合腔上方空間特

4、征尺寸L對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，而撞擊腔內部的湍流動能隨著上方空間尺寸的減小而增大。撞擊流速度比變化對駐點位置的移動影響較大。當速度比U1/U2在1.0附近變化5％時，駐點位置偏離混合腔中心的程度可以達到70％。
　　在不等徑撞擊流反應器的流動特性的研究中，針對3-6mm和3-9mm兩種不等徑撞擊流反應器，利用PIV技術對流動特性進行了研究，得出x-y平面上流場流型、平均速度和

5、湍流動能分布。與等徑撞擊流反應器相比，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，進入撞擊流混合腔后，較小的入射流會被較大的入射流包圍住。固定速度比時，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3-6撞擊流反應器，撞擊駐點周圍區(qū)域脈動速度較大和湍動程度高。但與3-3相比，湍流動能最大值有所降低，湍流動能較大區(qū)域略不對稱。對3-9撞擊流反應器來說，無因次化湍流動能較大區(qū)域被分成了兩部分，湍流動能

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行強烈混合。撞擊流駐點位置在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對速度場基本沒有影響。對于湍流動能分布，在3-6撞擊流內，減小撞擊軸線上方的空間，可以擴大高湍流動能分布的區(qū)域;但在3-9撞擊流內，隨著L的減小，高湍流動能區(qū)域呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。
　　在撞擊流反應器的微觀混合性能研究中，利用“分子探針”平行競爭反應碘化物-碘酸鹽體系對3-

7、3、3-6、3-9三種等徑與不等徑撞擊流反應器的微觀混合性能進行了考察。結論表明在三種撞擊流反應器內，離集指數(shù)隨著反應物[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。撞擊動量比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量比增加對離集指數(shù)影響較小。軸線上方空間特征尺寸L對微觀混合的影響較為復雜，在不同的撞擊流反應器內有不同的微觀混合性能影響，應根據(jù)具體情況確定。對3-3mm撞擊流反應器，L/R有