段晓霞, 程荡, 程景才, 冯鑫, 杨超[1]2013年在《搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化》文中研究表明搅拌槽反应器广泛应用于石油、化工、制药、冶金等过程工业中,这些过程大都涉及复杂快反应,往往属于混合传递控制的多相过程,反应收率、产品分布和质量等与搅拌槽内流体流动和混合状况密切相关。通过研究各因素对混合产生的影响规律,可以指导搅拌槽的实际生产操作,以达到强化混合的目的。因此,对搅拌槽内宏观和微观混合特性的研究,对反应器的优化设计、工程放大和过程强化具有重要的意义。本工作从实验研究和数值模拟两方面对搅拌槽反应器内的宏观、微观混合及其过程强化的研究进展进行了综述,依据目前的研究现状及存在的问题,对今后的研究方向进行了展望。
蒋勇[2]2004年在《搅拌槽内微观混合的研究》文中认为搅拌反应器是化工、制药、食品、石油等行业最常见的流体混合设备。微观混合指的是物料从湍流分散后的最小微团（Kolmogorov尺度）到分子尺度上的均匀化过程，这种小尺度上的均匀化过程对精细化工、制药等工业过程中经常涉及到的快速复杂反应有着重要影响。目前关于微观混合研究已有不少文献报导，但绝大部分是针对串联竞争反应体系，且在较小的反应釜内进行，而冷模实验的釜径需达到0.5m左右才能有效反映出釜内结构、桨型等参数对反应的影响。此前的研究所采用的桨型大多为Rushton标准涡轮桨，且以单层桨为主；对于目前工业过程中广泛使用的多层桨搅拌槽/反应器内微观混合特性研究较少；在实际工业应用中对于低粘度互溶液体的混合往往采用翼形桨，而对多层翼型桨的微观混合特性则研究得更少。本研究在内径0.476m的有机玻璃搅拌槽进行，选择酸碱中和与氯乙酸乙酯水解平行竞争反应作为工作反应，利用气相色谱仪对产物分布进行测定，工作反应的产物分布被用来表征槽内微观混合效果的好坏。实验中采用了4种不同类型的搅拌器进行操作，针对进料时间、进料位置、搅拌转速及桨型的不同对产物分布的影响进行了系统的研究，同时采用E－模型对产物分布进行了模拟计算，计算结果与实验结果进行了对比。研究表明，当进料点和搅拌转速不变时，副产物收率随进料时间的延长而降低，但存在一个临界值；达到该临界值后，产物分布不再随进料时间的延长而降低。采用该临界时间作为进料时间时，可以认为已经消除了宏观混合对反应体系产物分布的影响。进料点处的湍流程度对于微观混合的最终效果有着直接的影响，湍流程度越高，最终
吕俊博[3]2008年在《定—转子反应器微观混合性能及应用研究》文中研究指明定-转子反应器是一种新型过程强化设备。具有很好的自清洁作用,对于高粘度物料或结晶沉淀体系不易出现堵塞现象,同时具有高效传质和微观混合性能。本论文在碘化物-碘酸盐反应体系下,引入羟乙基纤维素(HEC)作为增稠剂,研究了定子、转子的不同组合、转子转速、粘度、加酸速度、气体流速等因素对定-转子反应器微观混合性能的影响。实验结果表明:在相同条件下,定、转子组合RC-SC微观混合效果最好;随着溶液表观粘度的增加,离集指数Xs迅速增加;转速增加其它条件不变时,Xs减小,同时也减小了粘度对微观混合的影响;加酸过快,微观混合效果变差;向反应器内通入气体,在不同定、转子组合下(SC-RC,SC-RH,SC-RS,SS-RS,SS-RC),随着气速的增加,离集指数Xs增大,微观混合效果变差;组合SS-RH,随着气速的增加,Xs减小,即微观混合效果变好。基于团聚模型推导了特征微观混合时间的计算式,结合实验数据计算了定-转子反应器的特征微观混合时间。鉴于定-转子反应器具有高效传质和快速微观混合性能,本文进一步对内循环型定-转子反应器在乳液制备和粘性体系下纳米碳酸钙制备进行了应用研究。(1)油/水型乳液制备:考察了转子转速、乳化时间及乳化剂用量对乳液平均粒径和粒度分布的影响,并与相同实验条件下采用超声波乳化机制备的乳液进行了对比。研究结果表明,采用定-转子反应器可以制备平均粒径为2-3μm,并且分散性好、粒度分布窄的乳液。与超声波乳化机制备的乳液进行对比表明,定-转子反应器制备的乳液的平均粒径小,粒径更均匀。(2)粘性体系下纳米碳酸钙的制备:采用Ca(OH)_2-H_2O-CO_2作为工作体系,通过在悬乳液中加入HEC来改变体系的粘度来考察制备纳米材料的可行性。研究结果表明,HEC的存在使反应时间延长;随着粘度的增加,产物的团聚状况加剧;添加HEC的体系所制得的产物几乎全为立方形。
闵健[4]2005年在《搅拌槽内宏观及微观混合的实验研究与数值模拟》文中认为搅拌槽/反应器广泛应用于许多工业过程,宏观及微观混合性能是搅拌反应器优化设计的重要组成部分,对于快速复杂反应过程尤为重要。为此,本文从实验和数值模拟两个方面对宏观混合和微观混合进行了深入的研究,研究内容主要包括以下几个方面: 在直径为Φ0.476m的有机玻璃搅拌槽内,采用电导法测定了宏观混合时间,对标准六直叶涡轮桨(DT-6)和叁窄叶翼型CBY桨在单层和多层桨操作下的混合时间进行了实验研究。 在FLUENT6.1计算流体力学(CFD)软件平台和网络平行计算系统硬件平台上,首先采用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)的方法对宏观混合时间进行数值模拟,采用标准k-ε湍流模型和多重参考系法,并将速度场与浓度场方程分开进行求解方法。对于单层桨体系,不论是DT-6桨还是CBY桨,其混合时间的模拟值均与实验结果吻合良好;对于多层桨体系,CBY桨混合时间的模拟值与实验结果相吻合,而双层DT-6桨混合时间的模拟值要比实验结果长约一倍。此外,本文还采用数值模拟的方法研究了不同的示踪剂加料点和监测点位置对混合时间的影响规律。
王沛[5]2012年在《气—液搅拌槽内微观混合特性的实验研究》文中指出气-液搅拌反应器是化工、制药、食品、石油等行业最常见的流体混合设备。搅拌反应器内的微观混合对产物分布、产品质量和生产安全有极其重要的影响。为了尽可能的提高气-液搅拌反应器内目标产物的转化率，谋求最大的经济效益，应选择适合反应过程的混合条件，但对气-液体系中液相的微观混合研究非常有限，文献中的结论也存在矛盾。因此对气-液搅拌槽内微观混合性能进行研究是十分重要和必需的。本文以槽径300mm的不锈钢气-液（氮气-溶液）搅拌槽为研究对象，采用半椭圆管盘式涡轮搅拌桨（HEDT）单桨作为搅拌器，通过Villermaux及合作者提出的碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系，着重考察了加料时间、搅拌桨转速、加料位置、管口返混、表观气速和桨径等因素对产物分布的影响，定量研究了通气搅拌槽内的微观混合效率。结果表明：900s是适合本文微观混合实验的加料时间；无返混的情况下，离集指数随平均轴功耗的上升而减小；在桨叶高速射流区加料管口内易存在返混，改变加料管形状为向后弯曲可以减少返混；减小水平加料直管尺寸使vf/vtip≥0.05时可基本避免返混的影响；近液面下方和壁面附近的微观混合主要受气体排开液体体积功P_(gas)的影响，并且近液面气泡大量破碎也有利于微观混合，近壁面低通气量对离集指数影响较小；在气泡大量聚集区，低速气泡表面阻碍液体宏观流动并减弱局部液体湍动与气体排开液体做体积功Pgas和气泡破碎引起液相湍动对微观混合是一对矛盾因素，表现为多数情况下表观气速vs=0.037时的离集指数最大；在桨叶叶端区加料，通气对离集指数的影响不大，而在稍远处，气泡的合并聚集使通气时微观混合效果不如未通气时；相同功率下，D=100mm HEDT桨分散气体作用强，使无因次加料位置d/D=0.1和0.2处连成同一湍流强度区，而D=150mm HEDT桨对气体的分散作用弱，d/D=0.1、0.2和0.3处的离集指数相差很大；在相同的无因次加料位置下，D=150mm HEDT离集指数均大于D=100mm HEDT桨；分别用前人PIV数据和团聚模型计算得出桨叶区微观混合特征时间t_m约为2~6ms；利用指数增长的团聚模型对近液面和上循环区壁面值进行了估算，并对不通气条件下桨叶区离集指数进行了模型计算。本文的研究结果对于工业大型搅拌槽的放大和优化设计具有指导意义。
段晓霞[6]2017年在《搅拌槽微观混合的数值模拟研究》文中认为搅拌槽作为工业上广泛使用的混合设备,其内部的流动和传递特性将直接关系到产品的特性以及生产过程的经济性。对于混合敏感的快速复杂反应过程,如果加入搅拌槽的物料无法快速地实现分子尺度的混合,那么进料位置处反应物的局部混合状态将会决定主产物收率、产品质量以及操作稳定性。因此,深入了解搅拌槽内各尺度的混合特性,尤其是直接影响化学反应进程的微观混合,将有助于工业规模反应器的设计、工程放大、操作优化及过程强化。基于此,本文采用数值模拟方法对单相以及多相搅拌槽内湍流反应流进行了系统的研究,考察了微观混合对混合敏感的化学反应体系选择性的影响,并将模型方法应用到实际反应体系及其现象的分析。具体工作以及主要成果如下:(1)使用混合分数及其方差描述了物料宏观以及微观尺度的离集状况,提出了一种CFD耦合卷吸模型(E-model)的新方法,数值研究了单进料、半连续搅拌槽内微观混合对酸碱中和/氯乙酸乙酯水解平行竞争反应体系以及碘化物/碘酸盐平行竞争反应体系选择性的影响。结果表明,本文提出的CFD耦合卷吸模型的新方法可以很好地预测出离集指数随搅拌转速、进料位置、进料浓度等条件的变化,且该方法的模型方程简单、计算时间短,不需要任何实验数据作为模型参数,适用于工业规模反应器的诊断和优化。(2)基于"Eulerian-Eulerian"的多流体模型观点,将本文提出的适用于均相体系的CFD耦合卷吸模型的新方法进行了扩展,数值研究了气液以及固液搅拌槽内微观混合对碘化物/碘酸盐平行竞争反应体系选择性的影响。采用欧拉多相流模型以及k-ε多相湍流模型数值计算流场,在模拟气液宏观流场时还添加了可变气泡尺寸模型。结果表明,针对多相体系扩展得到的CFD耦合卷吸模型的新方法,可以较好地预测出离集指数随惰性相相含率、搅拌转速、进料位置等条件的变化。对于气液搅拌槽,增加气速可以显着增加液面附近流体的湍动程度,使得每一份进料的消耗时间缩短,但对于靠近桨叶附近的进料位置,气速对离集指数的影响较小;对于固液搅拌槽,相含率很高时形成固体云,在清液层进料时,离集指数显着增大。(3)基于CFD耦合卷吸模型,通过求解平均混合分数及其方差的输运方程,数值研究了搅拌槽进料管的返混,定性地描述了返混发生时进料管出口附近物料流动和混合特征。结果表明,当进料管发生返混时,从速度矢量图上可以清晰看到管口处产生旋涡,且旋涡尺寸随着返混程度的增加而增大,返混最严重时旋涡占据了整个进料管出口;从平均混合分数及其方差分布图可以看到,返混发生时,进料管出口内侧混合分数值明显小于1,方差最大值所在的区域也位于进料管出口内,随着进料速度增加或者进料管直径的减小,返混逐渐减弱,方差最大值所在的区域逐渐由管内侧转移到管口外;不发生返混时,方差最大值所在的区域即离集大的区域则位于管口外侧。(4)将 CFD 耦合 DQMOM-IEM(Direct quadrature method of moments combining with the interaction by exchange with the mean micro-mixing model)微观混合模型用于研究搅拌槽内微观混合对酸碱中和/氯乙酸乙酯水解平行竞争反应体系产物分布的影响。计算结果表明:DQMOM-IEM微观混合模型可以成功地预测离集指数随搅拌转速以及进料时间的变化。搅拌转速越高,流体湍动程度越大,充分的微观混合抑制了副产物的生成;进料时间越长,加入搅拌槽内的新鲜物料越容易与搅拌槽内反应物充分混合,反应区体积越小且越集中于进料管出口,离集指数也越小。(5)采用CFD耦合DQMOM-IEM微观混合模型,数值计算了搅拌槽内的反应PLIF(Planar laser-induced fluorescence)过程。针对该真实反应体系的特征,详细推导了以混合分数和反应进度变量所表示的化学反应过程,考察了搅拌桨转速以及安装高度对同时进行的混合和快速化学反应过程的影响。该方法不仅适用于反应PLIF过程的计算,还可以数值模拟其他混合敏感的化学反应体系。模拟结果表明:在获得宏观流场的基础上,通过求解两环境DQMOM-IEM微观混合模型,成功地预测了反应PLIF过程,获得了荧光示踪剂罗丹明B浓度的时空分布。随着搅拌转速的增加,物料混合速率加快,物理混合时间以及反应混合时间均减小;改变搅拌桨的安装高度,搅拌槽内不同位置的湍动程度以及流动主体方向均会发生相应变化,从而影响了反应混合进程。此外,如果在数值计算中不耦合微观混合模型,则预测的反应混合时间远小于实验值以及使用DQMOM-IEM模型获得的模拟值,因此在对混合敏感的反应体系进行模拟时,微观混合作用显着,添加微观模型可以获得更加准确的预测结果。
张义堃[7]2017年在《同心双轴搅拌器微观混合性能研究》文中进行了进一步梳理搅拌混合操作在化工、制药、食品、冶金以及造纸等过程工业中有着广泛的应用。实际混合过程中一般兼有宏观混合和微观混合。搅拌器的微观混合性能对有快速复杂反应加入的过程工业生产有着重要影响,反应的转化率、产物分布以及最终的产品质量与搅拌器的微观混合性能有着密切联系。现有微观混合研究,大多采用串联竞争反应体系作为微观混合性能表征的方法,所研究的搅拌器类型也多数以Rushton圆盘涡轮或翼形桨等适于低粘体系的单轴桨为主,而对于在过程工业中有广阔应用前景的宽粘度域适用性同心双轴搅拌器的微观混合性能研究不够深入。因此,其微观混合性能的研究将对该类型搅拌器的优化设计与推广应用大有裨益。本文通过实验研究和数值模拟方法,对同心双轴搅拌器在粘稠体系下的微观混合性能进行了研究。采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系通过实验表征了叁种带有不同内桨的同心双轴搅拌器的微观混合性能,分析了不同内桨类型、内外桨功率、加料位置、内桨桨径、转动模式以及体系粘度等因素对同心双轴搅拌器微观混合性能的影响规律。同时建立了适用于同心双轴搅拌器微观混合系统的数学模型,进一步通过数值模拟分析了桨叶区不同位置加料以及内桨离底距离对微观混合性能的影响,比较了叁种带有双层内桨的同心双轴搅拌器在不同转动模式下的微观混合性能,并且从搅拌釜内局部能量耗散率ε和湍动能k的角度阐释了微观混合的机理。结果表明,粘稠体系下,内桨组合为PBTD-6+Rushton的同心双轴搅拌器在径向桨所在的下桨叶区加料时微观混合性能最好。因此,建立了此种优势桨型作用下表征其微观混合性能的离集指数工程预测模型,为此类搅拌器的选用提供参考和理论支持。
丛海峰[8]2005年在《搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性》文中认为微观混合是指物料从湍流分散后的最小微团(Kolmogorov尺度)到分子尺度上的均匀化过程,这种小尺度上的均匀化过程对精细化工、制药等工业过程中经常涉及到的快速复杂反应有着重要影响。 在直径为0.476m的搅拌槽内,分别选用叁窄叶翼型CBY桨和标准六直叶涡轮桨,采用羟乙基纤维素(Hydroxyethyl cellulose简称HEC)水溶液非牛顿流体作为工作体系,以改进的硫酸铜沉降与氯乙酸乙酯水解的平行竞争反应作为研究微观混合的反应工作体系,在质量浓度为0.1%～0.5%的HEC水溶液中,排除硫酸铜副反应的影响,利用铜离子浓度与可见光吸光度的线性关系,考察了加料时间、搅拌转速、桨叶类型、溶液粘度以及流体的非牛顿性等因素对产物分布的影响规律,实验结果表明:随着溶液表观粘度的增加,副产物收率随之提高,但增加的趋势有所减缓;对于粘性流体不能仅仅采用雷诺数作为放大规则。同时采用E—模型对产物分布进行了模拟计算,计算结果与实验结果进行了对比。 研究表明,当进料点和搅拌转速不变时,粘度对非牛顿流体的微观混合有重要的影响。E—模型计算结果与实验结果的趋势一致,能较好的对实验结果进行定性的预测,但定量方面还有差距,需要从实验
王宇良[9]2014年在《LDPE釜式反应器混合特性研究》文中提出低密度聚乙烯(LDPE)釜式反应器中,混合情况不但与反应器的安全、稳定运行密切相关,而且直接影响聚合产物的性质。深入研究LDPE釜式反应器的宏观混合和微观混合特性,结合反应器混合模型和聚合反应动力学,建立反应器混合特性与LDPE产品性质之间的对应关系,对深入理解该工艺的特点和反应器的操作优化具有重要的指导意义。本文围绕这一主题开展了如下叁方面的工作。首先,针对LDPE釜式反应器建立冷模实验装置,通过对宏观混合时间和停留时间分布的系统考察,掌握了其宏观混合特性。研究发现,中部轴承套起到分区挡板的作用,反应器可分为上下两个分区,分区内部混合情况良好。实验条件下,多股进料不但可以保证物料在整个反应器中较好的分散,还可使总停留时间分布(RTD)受搅拌转速的影响较小。对于多股进料的体系,RTD的无因次方差分析结果与实际情况相矛盾,而基于信息熵理论的信息熵混合度M能准确地反映流体的流动与混合情况。其次,在LDPE釜式反应器冷模实验装置中,采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系研究了其微观混合规律,并对工业反应器的微观混合情况进行了分析。研究发现,微观混合效果随搅拌转速的增大而变好,随液体粘度的增大而变差,粘度对微观混合的影响大于搅拌转速的影响。由团聚模型确定实验条件下的微观混合时间tm介于0.003～0.05s。基于工业反应器中离析指数-粘度的关系与冷模实验装置相同这一假设,研究发现当反应温度为260℃时,tm(0.03～0.05s)远小于特征反应时间tr(0.9s),微观混合对聚合反应的影响较小；当温度达到290℃时,tm(0.013s)与tr(0.1s)接近,微观混合对聚合反应的影响不可忽视。最后,建立了反映LDPE釜式反应器中非理想混合特性的分区混合模型——PFR-CSTR-PFR组合模型,并结合自由基聚合动力学对工业上反应工段进行Aspen模拟,考察了操作变量和混合情况对聚合产品的影响。由停留时间分布实验数据拟合得到模型参数(全混比和返混比)并对模型进行验证。根据返混比随搅拌雷诺数变化的曲线确定了工业反应器中的返混比,并将其用于工业反应器的Aspen模拟。模拟发现,聚合转化率随温度、压力和引发剂流量增大而增大；温度、压力对分子量影响较大；调节剂乙烷对分子量的调节效果不明显。还初步探索了宏观混合(返混比)与微观混合(引发剂效率)对聚合产品的影响,发现宏观混合对聚合产品的影响很小；微观混合变差使得引发剂效率变低,导致聚合转化率降低、数均/重均分子量均下降、分子量分布指数增大、长链/短链支化度均降低。
佘启明[10]2009年在《外循环撞击流反应器混合特性研究》文中认为外循环撞击流反应器(ECISR)是一种具有优良混合特性的新型反应器。本论文在体积为160L的外循环撞击流反应器的冷模实验装置上,实验研究了该反应器的宏观混合和微观混合特性。宏观混合方面,以水为介质、KC1饱和溶液为示踪剂,测定了外循环撞击流反应器的混合时间,采用正交实验法对撞击段结构、循环位置、循环流量、进料位置四个影响因素进行了优化,得到影响混合时间的因素主次关系依次为循环位置、进料位置、循环流量、撞击段结构;较优水平组合为:撞击段结构结构Ⅰ、撞击区上部进料(400mm)、循环位置B、循环流量5000L/h。在正交试验所得到的较优水平组合的基础上,采用单因素实验法分别考察了不同的撞击段结构、循环位置、循环流量、进料位置对反应器内混合时间的影响。结果表明:实验范围内,循环位置对混合时间影响最大,循环位置B混合时间最短;进料位置其次,在撞击区下部(0mm)进料混合效果最差,撞击区上部(400mm)进料混合效果最好;混合效果随循环流量增加而提升,当循环流量大于5000L/h时,混合时间变化已不明显。撞击段结构对混合时间的影响不明显,撞击段结构I的宏观混合效果略优于撞击段结构Ⅱ。微观混合方面,以酸碱中和与氯乙酸乙酯水解的平行竞争反应为工作体系,用气相色谱仪对产物分布进行测定,考察了不同的撞击段结构、进料时间、进料位置、循环流量对该平行竞争反应副产物分布的影响,通过副产物收率X_Q的变化来表征微观混合的效果,副产物收率X_Q越大说明微观混合效果越差,X_Q越小则表明微观混合效果越好。研究结果表明:当进料位置和循环流量不变时,副产物收率随进料时间的延长而降低,但存在一个临界值,达到该临界值后,产物分布不再随进料时间的延长而降低,采用该临界时间作为进料时间时,可以近似认为己经消除了宏观混合对反应体系产物分布的影响:进料位置实验表明撞击区附近微观混合强烈,撞击区上部(400mm)进料微观混合效果最好;微观混合效果随着循环流量的上升而提升,但当循环流量大于6000L/h时,微观混合提升已不明显;撞击段结构Ⅱ的微观混合效果明显优于撞击段结构Ⅰ。
参考文献：
[1]. 搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化[J]. 段晓霞, 程荡, 程景才, 冯鑫, 杨超. 化学反应工程与工艺. 2013
[2]. 搅拌槽内微观混合的研究[D]. 蒋勇. 北京化工大学. 2004
[3]. 定—转子反应器微观混合性能及应用研究[D]. 吕俊博. 北京化工大学. 2008
[4]. 搅拌槽内宏观及微观混合的实验研究与数值模拟[D]. 闵健. 北京化工大学. 2005
[5]. 气—液搅拌槽内微观混合特性的实验研究[D]. 王沛. 北京化工大学. 2012
[6]. 搅拌槽微观混合的数值模拟研究[D]. 段晓霞. 中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所). 2017
[7]. 同心双轴搅拌器微观混合性能研究[D]. 张义堃. 浙江大学. 2017
[8]. 搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性[D]. 丛海峰. 北京化工大学. 2005
[9]. LDPE釜式反应器混合特性研究[D]. 王宇良. 浙江大学. 2014
[10]. 外循环撞击流反应器混合特性研究[D]. 佘启明. 浙江工业大学. 2009