搅拌反应釜中微观混和问题的研究——(Ⅱ)—新微观混和模型的建立与实验验证

作者根据前文〔10〕的拍摄结果与有关湍流理论,分析了微观混和过程,从而导出了新的单参数微观混和模型。模型对在搅拌反应釜中进行的α—萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐的偶合反应的选择性进行了模拟,模拟结果与实验结果符合程度相当令人满意,同时得到了实验条件下模型参数的关联式。实验结果证实,本文提出的模型能成功地描述微观混和过程及其对化学反应的影响,与其他模型相比,具有结构合理、计算简单、便于应用等优点。本文还分析讨论了体积比α、混和模数 M 以及 Sc 数对微观混和过程状况的影响。所有这些研究结果,为进一步的研究以及新型反应器的设计开发提供了一定的理论基础,具有一定的工业意义。

微观混和问题的研究——(Ⅲ)物质的细观分布形态与变形规律

本文在总结与评价前人工作的基础上,提出了物质微元细观分布形态的片状结构假定。同时,将湍流能谱用于运动学分析,给出了微元的变形规律,λ=λ_Kexp[-0.1(ε/v)^(1/2)t]。微观扩散过程的数学分析表明,微观混和区的宽度趋于一定常值δ=10λ_B,而其体积则呈指数规律增长 v～exp[0.1(ε/v)^(1/2)t]。从而可以将微观混和看成是物料的“稀释”过程或微元的体积膨胀过程。

微观混和研究的现状

微观混和一般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。这种小尺度的均匀化过程对于快速复杂反应有着重要影响。４０年来对微观混和进行了不少的研究，近十多年来机理研究才取得了长足的进展。本文将对这个领域中有关概念和模型的历史发展、形成的主要学派以及当前的研究状况作一全面的介绍。

搅拌反应釜中微观混和问题的研究——(Ⅰ)—频闪高速显微摄影法研究微观混和过程

本文介绍了作者首次开发成功的、用于观察亚微观及微观混和过程的微流元团变形历程的新型方法——高速频闪显微摄影法。作者用此方法首次拍摄到了无化学反应与伴有化学反应时的湍流场中亚微观及微观混和过程中微流元团的照片,对微观混和过程有了感性认识。并提出此过程由以下三个过程组成:(i)湍流涡旋的产生、死亡和再生,使得大涡团分裂成小涡团;(ii)小涡团内的无规则复杂的层片状伸长变形及(iii)分子扩散过程。所得到的这些结果为微观混和问题的进一步深入研究提供了重要的感性认识和物理基础。

微观混和问题的研究——(Ⅳ)混和区域的划分

本文将宏观混和与微观混和看成是两种不同尺度的体积增长过程,着重考虑二者之间的相互作用及其在混和中的不同地位。分析表明,在某一特征时间 t_c 之前微观混和占主导地位,而随后则宏观混和起主要作用。于是可将无限尺度上的混和过程划分为三个区域,每一个区域的物料分别处于完全离集、部分离集和最大混和状态。对于有限尺度容器中的混和,则可以划分为两种类型:一种由整体到局部,另一种由局部到整体。对于化学反应器中的混和,则可根据反应的快慢而进一步分成5种不同的情况。

微观混和问题的研究——(Ⅴ)混和对沉淀反应过程的影响

以硫酸钡沉淀反应为工作体系,研究了在搅拌釜中搅拌强度、粘度、加料时间、反应物初始浓度及反应物初始体积比等各种操作参数对产物晶体粒度分布的影响。发现:搅拌强度、粘度以及加料时间对粒度分布的影响不是单调的,均各自存在极小值点,在极小值临界点处平均粒径或方差(或变异系数)取值最小;平均粒径取值最小处的临界点与方差(或变异系数)取值最小处的临界点并不相重而稍有偏离,但在两个临界点所围的操作区内,粒子细而且分布均匀,所以此区为最佳操作区,这一结果对液相法超细粒子的制备而言显得极为重要。

微观混和问题的研究——(Ⅶ)微观混和数学问题的求解方法

用正交样条配置法求解文[1]中提出的微观混和数学问题,得到了令人满意的结果,然后以正交配置解为比较基础,提出了两种更为简单的近似方法:相似解方法和平均近似解法。本文的工作较好地解决了片状结构模型的计算求解问题。

微观混和问题的研究——(Ⅹ)混和对于快速平行反应过程的影响

根据作者以往提出的微观混和理论,进一步考虑微观与宏观混和因素对平行反应过程的影响。实验以盐酸与氯乙酸乙酯同氢氧化钠的竞争反应为工作体系,在2.5L 和50L 半分批釜中系统地考察了产物分布 X_Q 随搅拌转速、反应物浓度、进料位置、加料速率、加料方式、体积比等因素的变化规律,实验结果整理为 X_Q 与特征无量纲数 Da、Li 的关系,模型能够较好地预测和模拟这一关系。同时,对大釜和小釜的实验与模拟均表明,反应区域的位置和大小的改变是快速反应产生“放大效应”的重要原因。

微观混和问题的研究——(Ⅵ)不同混和阶段的化学反应的描述

根据作者对混和区域的划分,进一步完整地给出了各区域中混和与化学反应过程的描述,这些描述均归结成一系列包含反应项的扩散方程或对流扩散方程的初值问题。对于简单瞬时反应,文中给出了精确解,据此可以估计各区域中化学反应的最大转化率以及反应区的位置和大小。对于竞争串联反应,当主反应为瞬时反应时,经过适当的变换,结合有关的解析解,可将无限区域上多个强非线性方程的初值问题化为有限区域上一个弱非线性方程的初、边值问题。

微观混和问题的研究—— (Ⅸ)宏观混和因素对化学反应过程的影响

根据作者提出的理论模型及其计算方法,进一步分析了宏观混和因素对化学反应过程的影响,考察了竞争串联反应的产物分布随无量纲数 Li、Da 的变化规律,并与文献中的实验数据进行了比较。结果表明,在一定条件下宏观混和对化学反应有显著影响,模型能够正确地预测这种影响。

纺纱纤维混和问题的再讨论

讨论纺纱纤维混和问题。通过分析纺纱纤维混和的理念、纤维混和的方法、纤维微观混和指标、纤维宏观混和指标的概念和测试方法,指出了纤维堆混和、纤维束混和、筵棉多仓立体混和及纤维条混和的特点;介绍了组分纤维混和指标及测试分析方法的作用和意义。举例说明了低比例称重混和的计算方法。

湍流场中物质微元的形态特征及相应的模型

运用高速显微摄影方法对１０￣１…１０￣３ｕｍ尺度上的微观混和过程进行了实验观察，将物质微元的形态特征归结为片状与条状两类。在此基础上，提出了片状结构模型，将微观混和描述为片状微元上的收缩变形与分子扩散。分析表明，由于变形与扩散之间的相互作用，微元上分子扩散区的宽度将趋于某一尺度δ＝１２λＢ，从而使微元体积呈指数增长，ｖ～ｅｘｐ（ｓｆ）．微观混和对化学反应的影响可用Ｄａｍｋ６ｈｌｅｒ数Ｄａ来表征，模型能够正确模拟这种影响。