窄矩形超声反应器停留时间分布特性研究

发布时间：2017-10-02 13:00

  本文关键词：窄矩形超声反应器停留时间分布特性研究

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【摘要】：超声在液体中传播,其空化效应和微射流现象等能够强化流体间混合传质过程。多相混合和反应在化工、能源、轻工食品、材料和环境工程等许多领域应用非常广泛。超声场在提高传质效率、反应速率和选择性,控制反应过程,缩短化学反应的时长,提高产品产率等方面效果显著。但是超声作为一种新型强化传质手段,对反应器的停留时间分布(RTD)的规律影响如何却鲜有研究和报道。超声场中的RTD规律是超声化学反应器科学设计的重要依据,有助于优化反应器设计,保证高效反应过程,提高反应产品的品质,降低反应能耗和操作成本。因此有必要探求超声场对流体在超声反应器RTD规律的影响。本论文主要从以下几方面进行研究并且得到如下结论:(1)为了检验示踪剂在超声场中的稳定性,配制两份浓度不同的茜素红溶液在超声功率为200W,超声频率为别为25kHz,70kHz的超声场中进行超声辐射,每隔5min取样,发现茜素红溶液的吸光度基本保持不变,表明茜素红在超声场中不发生降解,并且在超声功率为200W,超声频率为25kHz的操作条件下,采用茜素红作为示踪剂,分别对流体介质为清水、10%(V%)甘油-水的混合流体、30%(V%)甘油-水的混合流体的RTD曲线进行重复测定,发现曲线的重现性良好,说明用紫外分光光度法研究超声反应器的RTD特性是可靠的。(2)研究了流体介质为清水的RTD特性。超声功率对RTD特性的影响表现为:在流体流量分别为15L/h、25L/h、35L/h时,流体在超声反应器内的返混程度均在超声功率为100W时达到最小,同一流量下,平均停留时间随着超声功率的增加略有缩短。流体流量对RTD特性的影响表现为:在超声功率分别为0W、100W、150W时,系统的返混程度均在流量为25L/h时较大,但200W时,流量为35L/h时,系统的返混程度较大;同一超声功率下,平均停留时间则随着流量的增大显著缩短。(3)研究了流体介质为10%(V%)甘油-水的混合流体的RTD特性。超声功率对RTD特性的影响表现为:在不同的流体流量下,系统的返混程度均在超声功率为150W时达到最小;在同一流量下,超声功率增大,平均停留时间缩短。流体流量对RTD特性的影响表现为:在不同的超声功率的操作条件下,流体介质在超声反应器内的返混程度均在流体流量为35L/h时较大。(4)研究了流体介质为30%(V%)甘油-水的混合流体的RTD特性。超声功率对RTD特性的影响表现为:在流体流量从15L/h增加到35L/h的过程中,系统的返混程度均在超声功率为200W时达到最小,混合效果最佳。流体流量对RTD特性的影响表现为:在超声功率分别为0W、100W、150W、200W的操作条件下,流体介质在超声反应器内的返混程度同样在流量为35L/h时较大,这个规律和10%(V%)甘油-水的混合流体作为流动介质的规律类似。流体物性对RTD特性的影响表现为:在不同的超声功率和流体流量的操作条件下,出峰时间和平均停留时间随着粘度的增加而延长。(5)研究了超声功率,流体流量,流体物性因素之间的组合交互效应对RTD特性的影响。在流体物性和超声功率对流体介质的交互效应的影响下,系统的返混程度的大小顺序为:35L/h25L/h15L/h;流体物性和流体流量的交互式效应的RTD的返混程度的影响表现为:200W150W100W0W;在流体流量和超声功率的交互式影响下,系统返混程度的大小顺序为:30%(V%)甘油-水混合流体10%(V%)甘油-水混合流体清水。并且利用幂函数对平均停留时间的数据进行拟合回归,得到分布规律为:-0.4629-0.4825-0.89760750.9066(1)(Re) Pt VP=+,回归数值与实验数值吻合较好,最大偏差为±15%。超声功率为150W时,用全混釜串联模型对流体流量分别为15L/h、25L/h、35L/h时,流体介质为30%(V%)甘油-水的混合流体作为流动介质的操作条件下的无因次停留时间密度分布函数E(q)进行模拟,模拟得出的模型参数N分别为6.62、4.43、3.98,模拟结果与实验结果吻合较好。
【关键词】：超声反应器 RTD 超声功率 流体物性 流体流量
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-32
• 1.1 超声波的简要发展历程及其工业应用14-17
• 1.1.1 声化学与超声空化原理14-16
• 1.1.2 超声波在化工领域的应用16
• 1.1.3 超声波强化传质的作用机制16-17
• 1.2 常用超声反应器的分类17-19
• 1.2.1 平行板近场声处理器18
• 1.2.2 管型声化学反应器18-19
• 1.3 示踪剂的选择和注入方式19-21
• 1.3.1 示踪剂选择所遵循的原则19
• 1.3.2 脉冲法19-20
• 1.3.3 阶跃法20-21
• 1.4 常用的RTD的检测方法21-25
• 1.4.1 超声波法21-22
• 1.4.2 光强法22-23
• 1.4.3 比色法23
• 1.4.4 光谱分析法23-24
• 1.4.5 电导率法24-25
• 1.4.6 其他方法25
• 1.5 声化学反应器中影响RTD的因素25-27
• 1.5.1 超声辐射25-26
• 1.5.2 反应器的构造26-27
• 1.5.3 超声频率27
• 1.6 RTD的研究方法27-30
• 1.6.1 化学工程的模型参数模拟法27-29
• 1.6.2 流体力学的流场模拟法29
• 1.6.3 统计学方法29-30
• 1.7 科学选题30-32
• 1.7.1 研究课题的提出30-31
• 1.7.2 研究内容31
• 1.7.3 课题来源31-32
• 第二章 实验装置与测试方法32-41
• 2.1 实验装置32-34
• 2.1.1 窄矩形多频超声反应器32-33
• 2.1.2 紫外分光光度计和NDJ-1 旋转式粘度计33-34
• 2.2 实验前期的准备工作34-39
• 2.2.1 系统坐标轴的选取34
• 2.2.2 反应器的选择34-36
• 2.2.3 流体介质的选择36-37
• 2.2.4 示踪剂及检测方法的选择37-38
• 2.2.5 标准曲线的标定38-39
• 2.3 实验流程及步骤39-40
• 2.4 实验材料及试剂汇总40-41
• 第三章 清水为流体介质的RTD规律41-56
• 3.1 引言41
• 3.2 理论依据与数据处理方法41-43
• 3.3 示踪剂在超声场中的稳定性和系统的可靠性43-44
• 3.4 超声功率对反应槽声场分布的影响44
• 3.5 超声功率对RTD的影响44-48
• 3.5.1 流量为 15L/h下不同超声功率的影响分析44-46
• 3.5.2 流量为 25L/h下不同超声功率的影响分析46-47
• 3.5.3 流量为 35L/h下不同超声功率的影响分析47-48
• 3.6 流体流量对声场分布的影响48-49
• 3.7 流体流量对RTD的影响49-54
• 3.7.1 超声功率为 0W的不同流体流量的影响49-51
• 3.7.2 超声功率为 100W的不同流体流量的影响51-52
• 3.7.3 超声功率为 150W的不同流体流量的影响52-53
• 3.7.4 超声功率为 200W的不同流体流量的影响53-54
• 3.8 本章小结54-56
• 第四章 10%（V%）甘油-水的混合流体介质的RTD规律56-66
• 4.1 引言56
• 4.2 超声功率对10%(V%)甘油-水的混合流体介质的影响分析56-60
• 4.2.1 流量为15L/h时的不同超声功率的影响56-57
• 4.2.2 流量为25L/h时的不同超声功率的影响57-59
• 4.2.3 流量为35L/h时的不同超声功率的影响59-60
• 4.3 不同流量对 10%(V%)甘油-水的混合流体介质的影响分析60-64
• 4.3.1 超声功率为0W时不同流量的影响分析60-61
• 4.3.2 超声功率为100W时不同流量的影响分析61-62
• 4.3.3 超声功率为150W时不同流量的影响分析62-63
• 4.3.4 超声功率为200W时不同流量的影响分析63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第五章 30%（V%）甘油-水的混合流体介质的RTD规律66-75
• 5.1 引言66
• 5.2 超声功率对30%(V%)甘油-水的混合流体介质的影响分析66-70
• 5.2.1 流量为15L/h时的不同超声功率的影响66-67
• 5.2.2 流量为25L/h时的不同超声功率的影响67-69
• 5.2.3 流量为35L/h时的不同超声功率的影响69-70
• 5.3 流体流量对 30%(V%)甘油-水的混合流体介质的影响分析70-71
• 5.4 不同的流体物性对RTD的影响分析71-73
• 5.4.1 超声功率为0W，流量为 15L/h时不同物性的影响分析71-72
• 5.4.2 超声功率为100W，，流量为 25L/h时不同物性的影响分析72
• 5.4.3 超声功率为200W，流体为 35L/h时不同物性的影响分析72-73
• 5.5 本章小结73-75
• 第六章 RTD特性的交互式影响分析和模拟75-82
• 6.1 引言75
• 6.2 不同因素组合的交互效应对无因次停留时间方差的影响分析75-78
• 6.2.1 流体物性和超声功率的交互效应的影响分析75-76
• 6.2.2 流体物性和流体流量的交互效应的影响分析76-77
• 6.2.3 流体流量和超声功率的交互效应的影响分析77-78
• 6.3 平均停留时间数据的拟合与回归78-79
• 6.4 RTD的模型模拟79-80
• 6.5 本章小结80-82
• 结论与展望82-86
• 参考文献86-94
• 攻读硕士期间取得的成果94-95
• 致谢95-96
• 附件96

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