新型螺旋盘管反应器微观混合性能及应用研究

论文摘要

微观混合(即分子尺度上的混合)是流体混合的最后阶段,通常包括流体微元的粘性变形以及随之而来的分子扩散过程。对于反应特征时间与微观混合特征时间相当或小于微观混合特征时间的化学反应过程,微观混合发挥着重要的作用。如结晶、沉淀、聚合等一些工业过程,都显著地受到微观混合均匀程度的影响。本论文利用自行设计的三种不同结构的加料组件,分别与螺旋盘管相连接构成新型螺旋盘管反应器,利用碘化物—碘酸盐平行竞争反应体系对其微观混合性能进行研究；并以浓硫酸磺化甲苯这一磺化反应作为应用体系,借助新型螺旋盘管反应器对反应物良好的混合作用和传热效果,考察其对磺化反应产物中对位异构体比率的影响。主要研究内容与结果如下：1.针对自行设计的平行型(Parallel)、垂直型(Vertical)、撞击流型(Impinging)三种不同结构的加料组件,借助流体力学软件模拟了加料组件内部流体的宏观混合情况,并以离集强度IS衡量宏观混合效果。模拟结果表明IS,vertical<IS,impinging<IS,parallel,即三种加料组件中,垂直型加料组件的宏观混合性能最好。2.采用碘化物—碘酸盐平行竞争反应体系研究了螺旋盘管反应器的微观混合性能,并以离集指数XS衡量微观混合性能的优劣,研究结果表明：(1)随雷诺数Re的增大XS逐渐降低,随溶液A、B体积流量比的增加XS提高。(2)不同结构加料组件的螺旋盘管反应器微观混合性能对比表明,离集指数关系XS,parallel<XS,impinging<XS,parallel,此实验结果与加料组件宏观混合模拟结果趋势一致,垂直型加料组件对反应物的分散作用更加显著,有利于提高混合效率。(3)考察了不同加料组件中进料位置对离集指数XS的影响,以垂直型加料组件最为显著,在距离加料点3mm处是最佳的进料位置,XS最低可达到0.005。(4)螺旋盘管的盘管直径越小,微观混合越充分,对反应物的混合越有利。并且螺旋盘管的微观混合性能优于同长度的直管。3.螺旋盘管反应器的合成对甲苯磺酸的探索研究表明,在80℃时反应2小时,对位异构体的比率可达到90%；提高甲苯循环量以及降低硫酸的进料速度的都有助于提高对位异构体的比率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 微观混合模型化研究
• 1.2.1 经验模型
• 1.2.2 机理模型
• 1.3 微观混合研究体系
• 1.3.1 偶氮化串联竞争反应体系
• 1.3.2 氯乙酸乙酯水解平行竞争反应体系
• 1.3.3 间苯二酚的溴化取代反应体系
• 1.3.4 碘化物-碘酸盐反应体系
• 1.4 化学反应器微观混合性能研究进展
• 1.4.1 搅拌釜反应器
• 1.4.2 管式反应器
• 1.4.3 撞击流反应器
• 1.4.4 微通道反应器
• 1.4.5 超重力反应器
• 1.5 盘管反应器
• 1.5.1 盘管种类
• 1.5.2 螺旋盘管内微观混合及应用
• 1.6 论文的思路及研究内容
• 第二章 新型螺旋盘管反应器
• 2.1 新型螺旋盘管反应器设计思路
• 2.2 新型螺旋盘管反应器及加料组件结构
• 2.3 加料组件的宏观混合模拟
• 2.3.1 模拟条件
• 2.3.2 模型求解
• 2.3.3 模拟结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 新型螺旋盘管反应器微观混合性能研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验体系
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 雷诺数Re对离集指数的影响
• 3.3.2 溶液A、B体积流量比对离集指数的影响
• 3.3.3 反应物进料位置对离集指数的影响
• 3.3.4 不同盘管直径对离集指数的影响
• 3.3.5 螺旋盘管与直管反应器的比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 合成对甲苯磺酸的探索性研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 硫酸磺化法
• 3磺化法'>4.1.2 SO₃磺化法
• 4.1.3 氯磺酸磺化法
• 4.2 磺化产物分析
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 色谱分析条件
• 4.2.3 分析方法
• 4.3 磺化反应烧杯实验
• 4.3.1 实验步骤
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.2.1 反应温度的影响
• 4.3.2.2 搅拌转速的影响
• 4.3.2.3 浓硫酸滴加时间的影响
• 4.4 磺化反应螺旋盘管反应器实验
• 4.4.1 实验步骤
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.2.1 反应温度的影响
• 4.4.2.2 甲苯循环量的影响
• 4.4.2.3 硫酸流速的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书