基于IDDES方法的受限撞击流反应器流动及混合特性

采用基于SSTk-ω模型的IDDES方法对CIJR内部的流动及混合过程进行数值模拟研究,较完整地识别了流场不同区域的大尺度涡结构,探讨了涡结构的生成和演化机制。讨论涡结构对相平均温度场和热通量场的影响,揭示了混合机理。研究结果表明:2股射流向圆顶区的交替偏转导致动量不相等,射流剪切层的自持振荡伴随涡旋的周期性运动,因此驻点出现周期性偏移现象。下游发展区K-H不稳定性的发展卷起大尺度展向涡。撞击区的流向涡对混合的促进作用局限在腔室轴线附近,下游发展区的展向涡能够激发大规模的热量输运,从而有效强化混合。

基于卷积神经网络的撞击流反应器浓度场混合特性

基于PLIF测试技术结合卷积神经网络技术提出混合性能预测方法,分析水平对置撞击流反应器浓度场混合特性,能准确预测其内部浓度场的混合均匀度及混合时间。基于卷积神经网络构建了混合性能预测模型,利用水平对置撞击流反应器浓度场实验数据对构建的模型进行有监督地训练并进行预测,预测结果显示对混合均匀度的预测准确率达95%,计算效率提高了99.99%。为更好地理解混合性能预测模型对混合均匀度的预测机理,本文对其卷积层输出进行可视化处理,通过功率谱分析卷积核的响应给出了撞击流反应器浓度场特征提取的物理解释。最后利用预测模型搭建混合均匀度快速获取系统并应用于撞击流混合特性研究。所提出的基于卷积神经网络的预测模型可以有效分析水平对置撞击流反应器的混合特性,预测模型可靠、适用范围广,为深度学习算法应用于撞击流领域提供了方案经验。

撞击流反应器混合性能研究进展

按照撞击流反应器的研究发展进程,分析了撞击流反应器的混合过程。结合大量学者研究工作,回顾了反应空间、流体流动、喷嘴结构等因素对常见的开放式撞击流反应器、受限撞击流反应器、浸没循环撞击流反应器等反应器混合性能影响的研究。简述了外界激励和其他技术对撞击流反应器混合效果影响的研究进展,并总结了几类反应器的微观混合时间及关联式。同时介绍了一种新型水平三向撞击流反应器,该反应器产生的径向射流不同于两喷嘴径向射流,而为交叉状的伞状射流;通过进一步探究发现当量喷嘴间距L*=2 D^3 D时径向射流偏转角β出现峰值,而且此时的混合时间也最短。最后对撞击流反应器混合性能研究前景进行展望。

三股对撞式撞击流反应器微观混合性能研究

采用高速数码相机对三股对撞式撞击流反应器不同入口雷诺数下的流场特征进行了研究,并采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系,考察了不同喷嘴直径下的入口雷诺数、不同溶液体积流量比对离集指数的影响。结果表明:入口雷诺数、溶液体积流量比对离集指数有明显的影响。增大入口雷诺数,三股流体高速撞击破碎成的液滴粒径逐渐减小,液滴雾化程度增加,离集指数减小,微观混合效果增加;增大体积流量比,溶液局部浓度增大,导致混合不均匀,离集指数增大。与传统撞击流反应器相比,三股对撞式撞击流反应器离集指数为传统撞击流反应器的2/5,表现出了较好的微观混合性能,更适用于不等溶液体积流量比的液液快速混合反应。

立式循环撞击流反应器不同撞击间距下混合性能分析

为优化和改进立式循环撞击流反应器的结构布局,提高其混合性能,本文采用Fluent软件对立式循环撞击流反应器在导流筒不同间距结构下的流场进行数值模拟,反应器上下两导流筒的间距D设置为60 mm、80 mm、100 mm、120 mm,反应在3组转速下分别进行w=5 r/s、15 r/s、25 r/s。计算结果表明:在相同转速下,导流筒间距D=80 mm时的特征撞击面上的平均速度最大,说明该结构下对应的传质效果更好;在相同转速下,导流筒间距D=60 mm时撞击面径向速度分布的均方根差σ最大,表明该结构下速度分布的梯度最大,流场剪切混合效果更好。

立式循环撞击流反应器中桨叶垂直交错排布条件下的混合性能

立式循环撞击流反应器(VCISR)桨叶的倾角及其布置形式,是影响混合性能的重要因素。本文采用数值方法对VCISR桨叶不同角度垂直交错排布条件下的混合性能进行了研究。上下两对桨叶倾角θ均设置为45°,上下两对桨叶错位角分别设置为15°、30°、45°、60°,结果表明:上下两对桨叶错位角在45°时,VCISR特征撞击面上的速度均方根σ最大,达到3.81,混合性能最优;同工况条件下,当错位角为60°时,桨叶旋转能量消耗最小。

液体连续相撞击流反应器中结构与操作参数对混合性能的影响

液体连续相撞击流反应器(LISR)中结构与操作参数对混合性能有重要影响,利用计算流体动力学(CFD)技术数值模拟LISR混合过程,重点从压力波动、剪切力场及混合时间等角度系统讨论结构与操作参数对混合性能的影响。研究结果显示,当桨叶倾角为30°时,压力波动强度与剪切应力平均值最大,分别为137.83 Pa和12.65Pa。桨叶倾角的改变不影响混合时间,但会局部影响流体分散效果;当桨叶转速为1 500 r/min时,其压力波动强度与剪切应力平均值最大,分别为10.68 Pa和9.69 Pa。桨叶转速的增大会减小混合时间,促进混合;撞击距离对压力波动、剪切力场及混合时间的影响都较小,对混合性能几乎无影响。

撞击流反应器用于甲醇合成反应

撞击流反应器用于气液固三相甲醇合成反应可以充分发挥其优良的传热、传质性能。在撞击流反应器内,催化剂浆料经喷嘴雾化后成微米尺度的液滴,气液相间接触面积远大于其他三相合成反应器。考察了温度、压力、气体流量、浆料循环量以及喷嘴个数对甲醇合成反应的影响,结果表明,当压力从3.8MPa上升到5MPa时,反应器的时空产率增长了近1倍,气体流量达22.4L.min-1后时空产率几乎不再变化,增加浆料循环量以及在同一循环量下采用多喷嘴对置都可以增加催化剂时空产率。同时,与固定床、搅拌釜和浆态鼓泡床甲醇合成进行了对比,结果表明,在低空速下撞击流反应器与其他反应器时空产率相当,而在高空速下要优于其他反应器。

撞击流反应器脱除硫酸尾气中SO_2的研究

采用钠-钙双碱法在撞击流气液反应器中脱除硫酸尾气中的SO_2,探讨了模拟硫酸尾气中SO_2质量浓度、吸收液Na OH质量分数、液气比和雾化压力等因素对脱硫效率的影响。研究表明:当模拟硫酸尾气中SO_2质量浓度越低、吸收液Na OH质量分数越高、液气比和雾化压力越高时,脱硫率越高。当模拟硫酸尾气中SO_2质量浓度在800—2 400 mg/m^3范围内时,优化得到的脱硫工艺条件为:吸收液Na OH质量分数为2.0%,液气比为0.34—0.36 L/m^3,对应雾化压力为1—1.2 MPa。在此条件下,脱硫率可高于97%,其脱硫后尾气SO_2质量浓度小于100 mg/m^3,远低于GB26132—2010规定的排放标准。

两侧及轴向进料同向流水平撞击流反应器研究

以空气-水,空气-CMC(羧甲基纤维素)水溶液为体系,采用脉冲示踪和稳态微压差法测量了相关数据,研究了两侧及轴向进料同向流水平撞击流管式反应器中表观液速UL、气体喷出速度Ug、及液体粘度m在撞击流和非撞击流下对器内平均气含率eg的影响。得到了当气体喷速为170m·s-1,管内表观液速为0.6m·s-1时,气含率eg较大, 液相分散显著,使气液接触面增大的结果。实验测得了UL、Ug、液体的粘度 m 及撞击混合前后的压差Δh和混合时间t;将其关联后提出了在上述条件下该水平撞击流管式反应器平均气含率eg的关联式: 74.1573.0g56.1Lg1058.0-=meUU 以湿法磷酸(含P2O5 22%)-氨体系进行热态试验,结果表明:气氨喷速为170m·s-1、且磷酸进料流速为3.3m·s-1,管内物料表观流速为0.6m·s-1时,反应器内氨负荷较大、混合情况好、反应较彻底,而且氨逸出率最低。

撞击流反应器内涡特性研究进展

撞击流技术具有良好的混合效果,广泛应用于能源、环保、化工等工程领域。由于撞击流反应器流场内存在大量无序的湍流涡结构,使其具有良好的混合效果。本文基于撞击流的混合原理,详细叙述了撞击流反应器内不同混合尺度下的混合过程以及涡的演变对混合的影响。结合实验和数值模拟等研究结果,阐述了不同类型撞击流反应器和撞击流反应器多相流场涡特性,归纳了撞击流反应器流场涡的特点。论述了撞击流反应器涡的产生和脱落机理。着重对圆柱射流、平板射流和撞击流流场内涡特性的本征正交分解(POD)分析进行总结,利用流场能量的角度揭示涡演化和消散规律。最后,对开发新型撞击流反应器、优化分析方法等研究前景进行展望。

撞击流反应器制备纳米四氧化三铁的研究

在浸没式循环撞击流反应器中,以氨水为沉淀剂,用七水合硫酸亚铁和六水合三氯化铁为原料,采用共沉淀法制备了纳米四氧化三铁粒子。考察了搅拌转速、亚铁与三价铁物质的量比、反应温度和溶液pH对所得纳米四氧化三铁的分散性和粒径的影响。采用傅里叶红外光谱仪、透射电镜、X射线衍射仪等对制得的纳米粒子的结构和性能进行了表征。结果表明:用撞击流反应器制备纳米四氧化三铁粒子的最佳工艺条件:亚铁与三价铁物质的量比为1∶1,反应温度为40℃,搅拌转速为1 600 r/min,以氨水作沉淀剂,最佳pH控制在11.0左右。在上述条件下,可以制备出分散性好、纯度高、平均粒径为10 nm的四氧化三铁粒子。

立式循环撞击流反应器不同倾角桨叶的混合性能比较

采用FLUENT软件对不同倾角桨叶和转速下的立式循环撞击流反应器流场分布进行了数值模拟。分析结果表明,同一转速下时,特征撞击面上速度分布的平均值比较接近,说明倾角对撞击混合的传质效果影响不大;同一转速时,桨叶倾角为45°的撞击面上速度沿径向分布的均方根差σ值最大,这表示速度沿径向分布的离散程度最大,撞击混合效果最佳。

撞击流反应器制备纳米铜粉过程的流场多尺度分析

在撞击流技术制备纳米铜粉的实验反应体系中,粒径的分布规律与流场混合尺度存在某种联系。采用数值计算方法,从流场多尺度角度开展液体连续相撞击流反应器(LISR)强化制备过程分析。结果表明:大尺度流体对流由桨叶旋转带动,中等尺度湍流扩散强度与湍黏度和速度梯度关联,小尺度流体黏性扩散与中等尺度湍流扩散类似;LISR为制备纳米铜粉反应体系提供一个强烈压力波动区,其微观状态下的反应体系随着压力波动区能量的传递和转换得以迅速实现,并显著促进制备纳米铜粉反应过程的进行;LISR中湍黏扩散作用显著,能高效促进流体更加均匀,有利于制备纳米铜粉反应体系。上述过程流场的多尺度分析,对后期撞击流技术制备纳米铜粉的实验反应体系工艺优化具有指导意义。

撞击流反应器法纳米白炭黑的制备

在浸没循环撞击流反应器中,以九水硅酸钠和硫酸为原料,以表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分散剂,采用反应-沉淀法制备纳米白炭黑.确定了制备纳米白炭黑的适宜工艺条件:硅酸钠浓度为0.3 mol/L,硫酸的质量浓度为20%,反应终点p H为5,螺旋桨转速为800 r/min,反应时间70 min,CTAB添加量为0.4g/L.采用T透射电子显微镜对产品进行表征,纳米白炭黑近似球型,粒径为11 nm左右且分散性较好,纯度高,收率达到98%以上.实验所制得纳米白炭黑产品达到2010版中国药典的医药级标准.

两组同轴相向撞击流反应器流场的仿真研究

利用Fluent软件对两组同轴相向撞击流反应器内的流场进行了模拟,研究了在不同流速下两组同轴相向撞击流反应器内的流场结构。模拟结果表明,随着进口速度的增加撞击区逐渐扩大,并使其周围形成的漩涡更加密集,涡流现象更为明显,产生了更大的速度梯度。同时,湍流强度随进口速度的增加变化明显,相对湍流强度增强,更有利于反应器内的湍动混合。

浸没循环撞击流反应器──极具应用潜力的液相和液固相反应装置

理论分析和实验研究结果表明， 浸没循环撞击流反应器（ＳＣＩＳＲ） 与传统的搅拌槽反应器（ＳＴＲ） 相比，虽然在可测量尺度上的混合特性并不占优；但由于撞击区中流体元间剪切速率更高，因而微观混合更强烈。这对于在分子尺度上进行的化学反应具有重要意义。制取“超细”白炭黑研究的结果佐证了ＳＣＩＳＲ强化微观混合的特性。除此以外， ＳＣＩＳＲ在结构方面还具有多项胜过ＳＴＲ的优点， 极具开发应用的潜力。

立式撞击流反应器中桨叶优化设计

为探讨倾斜角对立式循环撞击流反应器(VCISR)混合性能和桨叶受力的影响规律,采用数值方法分别模拟了四种倾斜角下对反应器内流速和桨叶受力情况,并展开了对比分析,将桨叶倾斜角θ分别设置为15°、30°、45°、60°.结果表明,当θ=45°时,反应器内的混合性能最佳;工质的循环能力最强;上下桨叶受到的合力最小;桨叶绕Z轴旋转的合力矩最小,该结果为立式撞击流反应器的桨叶的倾斜角优化设计提供理论参考依据.

浅析循环撞击流反应器中的混合

介绍了撞击流的基本原理,在一系列已有的研究结果的基础上,浅析了循环撞击流反应器中的混合,并指出了对其中的微观混合进行研究的方向．

立式循环撞击流反应器三维流场的数值模拟

利用Fluent软件对立式循环撞击流反应器三维流场进行数值模拟和分析。立式循环撞击流反应器内速度场和压力场分布关于撞击面对称,证实了驻面的存在,导流筒外侧和撞击面边缘存在死区;由于导流筒对流体引导作用,撞击区水平面x轴上速度最大的点出现在导流筒近壁面位置;定义了表征不同撞击流初始速度下混合效率无量纲系数k,且k值随撞击流初始速度u0增加而增大,其中在0.1～0.3m/s之间有小幅波动,大于0.3m/s后增幅平稳。