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。

径向流反应器导流锥结构优化及流场特性数值模拟

基于计算流体力学与离散元法耦合(CFD-DEM)的模拟方法,以实现最高流场均匀度为目标,探究了导流锥结构对流场均布的影响.在获得最优导流锥结构的基础上,进一步研究了反应器高径比(I)、开孔率(ϕ)和内外流道截面比(S)对流场均布的影响.结果表明:导流锥形状系数a和n均取1.00时反应器内流场均匀度最高;高径比、开孔率和内外流道截面比较小有利于流场均布;正交实验表明,开孔率对流场均匀度影响最大,反应器最优结构为高径比取4、开孔率取0.055、内外流道截面比取0.2.

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。

“密粒”气固缩核反应平推流反应器模型

气固反应是化工过程常见而重要的反应。恰当的反应器模型能够简化反应器设计,提高效率。本文首次建立了“密粒”缩核反应平推流反应器的设计模型,并分析了一工业数据,结果表明,高度计算值与文献值相差20%,可见,当前模型能够指导反应器的设计,为反应器设计、操作优化提供支撑,具有重要使用价值。

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。

多级串联等体积全混流反应器与平推流反应器等效性研究——以二级可逆反应为例

在多级串联全混流反应器中,在等温等容条件下给出了二级可逆反应第N级反应器的出口浓度表达式。讨论了在相同操作条件下,达到平推流反应器的转化率所需要的等体积串联全混流反应器的级数N;主要考察了正反应速率常数k1、平衡常数K、反应物初始浓度之比M、停留时间τ等因素对N的影响,得出了N与正反应速率常数k1、相平衡常数K以及停留时间τ的关系曲线呈抛物线,有极大值N=7,串联2~7个等体积全混流反应器就可达到要求;且随着M的增大N没有太大变化,而且,随着k1,K,M以及τ的增大,转化率增大。此外,当N〈5时,转化率增长较快,当N〉5时,增长较缓慢。

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。

高酸值油料活塞流反应器制备生物柴油试验研究

建立了一套200 t/a的生物柴油中试系统,包括固定床反应器、活塞流反应器、蒸馏系统和自动控制系统4个部分,对菜籽油、桐油、地沟油制备生物柴油进行了试验评价。活塞流反应器的最佳工艺条件为:催化剂加载量为1.2%,反应停留时间17 min,反应温度65℃,醇油摩尔比为6∶1。以菜籽油为原料,反应后甲酯质量分数可达到96.33%;在固定床反应器中应用一种阳离子交换树脂作为酯化反应催化剂,以桐油为原料,测试的固定床最佳反应条件为:反应温度65℃,醇油摩尔比6∶1,停留时间88 min,酸值从7.0 mg/g降到0.8 mg/g;同样,以酸值高达114.0 mg/g的地沟油为原料,经中试系统生产的生物柴油也能完全达到中国柴油0#标准。

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。

间热径向流反应器料层厚度对煤热解特性的影响

考察了方形径向流固定床煤热解反应器中变化煤层厚度对料层升温速度及煤热解产物分布特性的影响。随着料层厚度增加,导致煤热解反应要求的时间增长,热解水和气的产率相应增加,焦油和半焦收率逐渐降低,但焦油中轻质组分(沸点低于360℃组分)含量呈升高趋势,半焦和煤气热值稍许降低。如,加热壁温度900℃、从45 mm至105 mm增加煤料层厚度时,焦油产率从7.17%(质量,下同)下降到6.26%(相对干基煤),但焦油中的轻焦油组分含量则从67%升至72.7%,半焦产率由80.0%降至77.0%,热解水和煤气产率分别由6.96%和5.91%增至8.85%和7.90%,煤气热值则由24348.5 k J·m-3下降至20649.2 k J·m-3。所得半焦的热值径向上由高温侧向低温侧逐渐降低,煤料层越厚、热值降幅越大,而相同煤料层厚度处与加热壁平行的同一轴向平面上的半焦热值基本相同。针对研究的反应器,气相热解产物在反应器内沿径向(横向)由高温料层区向低温料层区流动。在该过程中伴随着热解产物对远离加热壁的低温煤料的传热、热解生成重质组分的冷凝和在煤/半焦颗粒表面的吸附截留,进而在低温料层进一步升高温度时发生二次裂解等物理化学过程。反应器内煤层厚度越大,上述各种伴随的物化作用越显著,从而明显影响煤料层的升温及热解特性。

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。

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。

活塞流反应器制备生物柴油

为实现连续、高效、稳定的生物柴油制备,本研究以自行设计的活塞流反应器制备生物柴油。同时利用正交实验的方法对制备过程的影响因素进行了较为系统的研究,得到的优化条件为:催化剂质量为油质量的1.2%,物料在活塞流反应器中滞留时间约17 min,床层温度65℃,油醇摩尔比约1∶6。在此优化条件下所得产品甲酯质量分数达96.33%。经减压蒸馏精制后,甲酯质量分数提高到98.62%,其他燃料特性也与德国现行生物柴油标准相符,同时接近甚至优于我国0#车用柴油标准。为生物柴油的大规模工业化应用奠定了良好的基础。

挡板偏心度对振荡流反应器三维流场对称性影响的研究

借助商业计算流体力学软件CFX,运用有限容积法离散振荡流反应器(OFR)的单个腔室,对具有理想对称几何边界和轻微挡板偏心度的OFR在系列振荡雷诺数(Reo)下的三维流场进行了仿真模拟,并将其可视化计算流场与实验流场进行比较,研究了OFR几何边界上的非对称因素对其内三维流场流型的影响。模拟结果表明在有效消除计算随机误差以及误差积累的情况下,几何边界理想对称OFR内的三维层流流场呈现出良好的中心对称性和周向均匀性,而湍流流场中心对称的同时呈现出周向非均匀结构——在圆周上生成8个中心对称排列的横向漩涡,其形态与Couette流中的泰勒涡类似。另外,挡板偏心度对OFR内的振荡流场的对称性有重要影响:在较大的Reo下,其三维流场生成非对称性显著的大尺度漩涡对;并且随Reo的增大,流场的非对称程度加大而增加。

管式振荡流反应器的流动模式研究 (II)高振荡强度下的流动模型和模拟

根据高振荡强度下的粒子成像流场可视化实验结果,在分析振荡流场中漩涡结构特征的基础上,提出用带有二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联模型来表征高振荡强度下的管式振荡流反应器流动特性。根据停留时间分布实验结果,运用小生境遗传算法优化求解模型参数与振荡参数之间的定量关系。模拟计算表明,优化后的模型给出的停留时间分布曲线与实验结果吻合良好。

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。

二氧化钛平推流反应器光催化矿化草甘膦研究

在平推流光化学反应器中采用纳米TiO2光催化矿化N-(膦酰基甲基)甘氨酸(草甘膦)溶液,考察了多种因素对矿化效果的影响。结果表明,在碱性溶液中,OH-可以充当光致空穴的俘获剂,从而提高了草甘膦的光催化矿化效率;外加氧化剂可以作为电子的接受体,通过接受光生电子来抑制光生电子与光生空穴的复合,提高光催化反应的量子产率,从而促进草甘膦的光催化矿化;升高温度可促进具有强氧化性自由基的生成,同时也可抑制光生电子和光生空穴的复合,促进草甘膦在催化剂表面的矿化;外加有机物可与草甘膦共同竞争催化剂表面的活性位点,从而阻碍了草甘膦在催化剂表面的矿化;在一定范围内,光催化矿化率随无机离子浓度的增加而升高,但当无机离子的质量浓度>4 mg/L时,矿化率下降。

管式振荡流反应器的流动模式研究(Ⅰ)PIV和RTD实验研究

采用粒子成像可视化(PIV)技术研究了管式振荡流反应器(OFR)内的流场形态和混合特点,并采用脉冲进样法测定了OFR在不同振荡条件下的停留时间分布函效。实验结果表明,OFR的混合特性十分复杂,并随振荡强度的变化呈现出不同的特征。振荡强度较低时,振荡使得OFR径向混合加强,减少了滞留区, 流体的流动趋于平推流;振荡强度较高时,腔室内布满数目、尺寸和位置不断变化的漩涡,使每个腔室趋向于全混,腔室间的返混增大。实验数据与多级串联全混釜模型的比较结果显示,OFR的混合特性远非简单流动模式模型所能表征。