降膜式液液快速混合反应器的流场模拟

论文摘要

现存二甲基二氯硅烷水解工艺面临反应不完全以及产物硅氧烷与反应物盐酸水溶液混合后乳化的问题。本文采用降膜思路,设计了一种混合反应器,并采用CFD软件对单板上油水降膜进行研究。流场模拟和降膜实验表明,反应器内采用成膜板能够有效扩大油水两相的接触面积,保证水解反应的完全进行,且避免了乳化现象的发生。本文所作的研究工作如下:针对国内外水解反应器存在的种种问题,如乳化,聚合,反应停留时间过长及反应不完全等现象,提出了一种新型快速混合反应器的设计思路。实验与模拟结果证明,反应器内设置多层斜板可以实现油水相的快速混合,且解决了油水相混合后容易乳化的难题;反应器与气体除雾器耦合为一体,减少了雾沫夹带现象;内外筒体的设置,实现了对气体的导流。反应器实验模型网格划分表明:太稀疏的网格不能精确地描述流场的特征;网格检查中其最大扭曲度保证在0.85以内,小于0.8最佳,纵横比控制在5以内,可确保模拟计算得到较理想的结果。采用CFD软件VOF法中的几何重建方案成功地对气液和油水界面进行了追踪,发现气液间存在自由界面,油滴浮到自由界面处,造成界面变形,引发了界面波动,波动的产生干扰了液膜的稳定性。利用CCD高速摄像机和计算机后处理系统对反应器内斜板上膜厚进行测量,结果表明:斜板角度为30°,流量为10 m3/m2·h,分布器孔间距为45mm时,实验数据与模拟结果吻合较好,误差<13%。油水两相在斜板上的流动情况中,油滴与自由界面的融合过程导致了气液界面变形;在斜板上开不同角度的尖槽,角度小,液膜表面产生较少的大波;流体流经不同尺寸的矩形凹槽后均发生飞溅;大尺寸的梯形凹槽上降膜较平稳;波纹板上的波纹峰/波纹长值越大,湍动越厉害,甚至滑脱固壁面;对半圆槽、矩形槽、梯形槽、尖槽和平板上油水两相降膜流动进行比较,半圆槽上波动较明显,促进了油水混合,且板上速度较低,可避免乳化现象的发生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 有机硅产品的性能和应用
• 1.1.1 产品的性能
• 1.1.2 产品的应用
• 1.2 水解反应器的开发
• 1.2.1 国内外水解工艺的研究进展
• 1.2.1.1 恒沸酸水解
• 1.2.1.2 饱和酸水解
• 1.2.1.3 浓酸水解
• 1.2.1.4 水解工艺的比较
• 1.2.2 国内外采用的水解反应器
• 1.2.2.1 环形循环洗涤反应器
• 1.2.2.2 填料塔
• 1.2.2.3 静态混合器
• 1.2.2.4 文丘里快速反应器
• 1.2.2.5 快速混合反应器
• 1.2.2.6 搅拌釜
• 1.2.3 降膜式液液快速混合反应器的提出
• 1.3 降液膜流动
• 1.3.1 自由降膜的数学模型
• 1.3.2 降膜特性
• 1.4 CFD在降膜中的应用
• 1.5 研究背景及研究内容
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究内容
• 2 降膜式液液快速混合反应器的开发
• 2.1 降膜式液液快速混合反应器的设计思路
• 2.2 降膜式液液快速混合反应器的设计
• 2.2.1 液体分布器
• 2.2.2 成膜内件
• 2.2.3 内外筒体
• 2.2.4 除雾板
• 2.3 混合反应器的特点
• 2.4 本章小结
• 3 倾斜板上降膜模型的确定与边界条件
• 3.1 CFD模拟软件概述
• 3.1.1 GAMBIT软件概述
• 3.1.2 FLUENT软件概述
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 连续方程和动量方程
• 3.2.2 体积分率方程
• 3.2.3 表面张力方程
• 3.3 倾斜板上液液降膜流动模型
• 3.3.1 几何模型及计算网格划分
• 3.3.1.1 几何模型的建立
• 3.3.1.2 数值格式与网格划分
• 3.3.2 数值模拟方法的确定
• 3.3.3 界面重构方法
• 3.3.4 速度压力耦合
• 3.3.5 边界条件
• 3.4 反应器几何模型的建立与数值模拟方法的选择
• 3.5 本章小结
• 4 降膜式液液快速混合反应器的实验研究
• 4.1 测量膜厚的方法
• 4.1.1 电容法
• 4.1.2 电导法
• 4.1.3 其他方法
• 4.2 实验流程与测量系统
• 4.2.1 实验流程
• 4.2.2 实验设备及测量仪器
• 4.2.2.1 成膜内件
• 4.2.2.2 降膜厚度测量
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 本章小结
• 5 模拟与实验结果的比较与讨论
• 5.1 水相模拟结果分析与讨论
• 5.1.1 液膜发展
• 5.1.2 不同速度对膜厚的影响
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 喷淋密度的影响
• 5.2.2 板倾斜角度的影响
• 5.2.3 分布器开孔率的影响
• 5.2.4 分布器对降膜的影响
• 5.3 反应器模拟结果分析与讨论
• 5.3.1 流场速度矢量图分析
• 5.3.2 实验与模拟值的比较
• 5.4 本章小结
• 6 油水两相的降膜流动模拟
• 6.1 降膜波动的产生
• 6.1.1 油滴形状变化
• 6.1.2 油滴引起的液面波动
• 6.2 油水降液膜的影响因素分析
• 6.2.1 倾斜角度对降膜的影响
• 6.2.2 入口速度对降膜的影响
• 6.2.3 倾斜板几何结构对降膜的影响
• 6.2.3.1 尖槽对降膜的影响
• 6.2.3.2 凹槽对降膜的影响
• 6.2.3.3 波纹槽对降膜的影响
• 6.2.3.4 不同开槽下降膜比较
• 6.3 油滴聚并
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录目录