强化喷射搅拌反应器内流体力学性能初探

发布时间：2017-08-17 07:34

  本文关键词：强化喷射搅拌反应器内流体力学性能初探

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【摘要】：为了实现工程工业节能减排和绿色发展目标,新型反应器研发与应用意义重大。强化喷射搅拌反应器(Jet Intensified Reactor,以下简称JIR)是近二十年来得到迅速发展的一种具有高强度混合效果的反应器,它具有结构简单、维护方便、无泄露和安全高效等优点,其突出的综合性能在许多方面优于传统反应器,但由于对其流体力学研究方面的不足制约了其应用的步伐。决定JIR内流体力学性能的关键在于喷射搅拌器气液的出口结构,然而,有关此方面流体力学的研究成果非常少见。喷射搅拌器出口的结构直接影响反应器中气体的分布、气含率、气体卷吸率以及气泡Sauter平均直径进而影响气液相界面积,但具体对于特定参数的影响程度和影响规律尚不明确,这制约了工业上此类反应器的优化设计。鉴于上述情况,本文将重点考察喷射搅拌器的出口结构对反应器流体力学特性的影响。本研究设计了7种不同的出口结构,采用CCD(Charge Coupled Device)相机对JIR实验过程的流体流动情况进行拍摄,获取不同的喷射搅拌器出口结构下反应器内部气泡分布的真实图像,再基于数字图像分析技术(Digital Image Analysis, DIA)分析图像中的信息,得到气-液体系中气泡Sauter平均直径、反应器内气-液相界面积、气含率、卷吸率等反应器相关流体力学参数。本课题取得的一些研究进展如下：(1)通过实验测量了气泡自由上升过程中的速度大小,并将实验所得结果与Fan等人提出的单个气泡上升初始速度理论模型计算所得值进行比较,表明吻合较好。研究发现,液体粘度、表面张力、密度等的物理性质对气泡自由上升过程中的速度大小有影响,且粘度的影响尤为明显。随着粘度的增大,气泡的上升速度急剧减小。利用所测得的气泡自由上升速度实验值可对反应器内气含率、卷吸率等关键参数进行计算。(2)利用本课题组与华中科技大学合作研发的数字图像分析软件,得到不同操作条件下反应器内部的气泡粒径分布,对气泡Sauter平均直径大小理论模型进行了初步验证。研究发现：在低液体循环流量(0.5～1.3 m3/h)下,模型的预测值较为准确；在液体循环流量为1.3 m3/h以上时,气泡Sauter平均直径的实测值与计算值相差较大,此时需要对理论模型进行修正；JIR下降管在相同开孔面积条件下,开孔数目为8时,喷射搅拌器所产生的气泡Sauter平均直径最小。(3)测定了JIR在特定操作条件下气含率、气体卷吸率、气液相界面积,并将其与本课题组所提出理论模型进行对比,结果吻合良好。(4)根据实验结果可知,单位能量产生的相界面积随着液体循环流量的增大呈先增大后减小的趋势。在实验范围内,存在一个最佳能量利用率所对应的最优液体循环流量,其值为1.0m3/h。该研究结果有助于在反应器设计时的节能优化。
【关键词】：强化喷射搅拌反应器 气液相界面积 气泡大小 数字图像分析技术
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ021.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 喷射搅拌器原理及射流卷吸机理10-13
• 1.2.1 喷射器工作原理10-11
• 1.2.2 射流11-12
• 1.2.3 射流的卷吸机理12-13
• 1.3 喷射强化反应器分类及应用13-17
• 1.3.1 喷射强化反应器分类13-14
• 1.3.2 喷射强化反应器的应用14-17
• 1.4 喷射强化反应器的研究进展17-20
• 1.5 本课题主要研究内容20-21
• 第二章 实验装置与图像采集装置21-34
• 2.1 实验装置21-25
• 2.1.1 气泡自由上升速度装置21-22
• 2.1.2 强化喷射搅拌反应器22-25
• 2.2 图像采集装置25-30
• 2.2.1 高速摄像机采集系统25-27
• 2.2.2 CCD相机采集系统27-29
• 2.2.3 实验照明装置29-30
• 2.3 图像处理方法30-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 强化喷射搅拌反应器内流体力学性能的研究34-58
• 3.1 气泡自由上升速度的测量34-43
• 3.2 气含率的测定43-45
• 3.3 气泡大小、粒径分布的测量45-52
• 3.3.1 气泡大小的测量45-47
• 3.3.2 粒径分布47-52
• 3.4 气体卷吸率的测量52-54
• 3.5 气液相界面积的计算54-56
• 3.6 单位能量产生相界面积大小的计算56
• 3.7 本章小结56-58
• 第四章 结论与展望58-60
• 4.1 结论58-59
• 4.2 展望59-60
• 参考文献60-68
• 致谢68-69
• 硕士期间发表的论文及申请的专利69-70

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本文编号：687816