高Schmidt数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟

论文摘要

喷射反应器是一种新型的反应器,可以提高混合强度、改善浓度及温度分布均匀、加快反应进程、抑制副反应的发生和提高反应选择性,在石油、化工、环保、医药等行业的实际生产中有着广泛的应用。由于喷射反应器内湍流多尺度混合-反应过程的复杂性,目前对喷射反应器内多尺度混合-反应过程和放大规律研究的很少。准确、全面地了解影响喷射反应器混合效果及混合-反应性能的主要因素,有助于喷射反应器放大规律的建立,为其优化设计和工程放大提供良好的依据。本文首先利用PLIF实验数据对CFD模拟中常用的三种湍流模型进行了验证,结果表明标准k ?ε湍流模型和可实现k ?ε湍流模型均可较好的反映喷射反应器内的真实宏观混合过程。在此基础上,利用流体力学模拟软件Fluent6.2对喷射反应器内的湍流多尺度混合情况进行了研究,建立了评价喷射反应器混合效果的指标,采用宏观混合分数方差与微观混合分数方差分别代表宏观混合和微观混合情况,考察了不同操作条件对喷射反应器混合效果的影响。结果表明:1)在引射流体速度不变的条件下,喷嘴速度越大,喷射反应器的混合效果越好;2)在喷嘴速度不变的条件下,引射流体速度越大,喷射反应器的混合效果越差;3)在喷嘴速度与引射流体速度之比一定的条件下,喷嘴速度与引射流体速度越大,喷射反应器的混合效果越好;4)在本文所选的操作条件下,微观混合过程为喷射反应器内物料间混合过程的控制步骤。在对喷射反应器内湍流混合过程研究的基础上,选用典型的平行-竞争反应作为反应体系进一步考察了喷射反应器内的湍流反应情况。利用两环境DQMOM-IEM模型,通过平行-竞争反应体系中的慢反应的转化率衡量了操作条件对喷射反应器内湍流混合-反应过程的影响。结果显示:1)该混合-反应模型可以正确的对喷射反应器内湍流混合与反应之间的相互关系进行模拟,可以直观的给出喷射反应器内不同位置处混合-反应的详细信息,为反应器的优化设计提供理论依据;2)在引射流体速度保持不变的条件下,喷射反应器喷嘴速度越大,喷射反应器的混合效果越好,平行-竞争反应的选择性越高;3)在保持喷嘴速度不变的条件下,喷射反应器引射流体速度越大,喷射反应器的混合效果越差,平行-竞争反应的选择性越低;4)随着喷嘴速度与引射流体速度比的增加,平行-竞争反应的选择性越来越好,说明二者速度比越大,喷射反应器的混合效果越好;在速度比一定的情况下,速度越大,喷射反应器的混合效果越好,平行-竞争反应的选择性越好。5)在喷嘴速度一定的情况下,慢反应的转化率与Da数成线性关系,且直线的斜率与喷嘴速度相关;6)喷射反应器内的湍流反应过程受湍流混合过程与化学反应动力学因素双重控制。在实际生产中应综合考虑能量消耗和化学反应的选择性两方面因素来确定操作条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 喷射反应器简介
• 1.1.1 喷射器的工作原理
• 1.1.2 喷射反应器的原理及优点
• 1.1.3 喷射反应器的工业应用
• 1.2 高Schmidt 数下湍流反应过程的复杂性
• 1.2.1 湍流多尺度混合
• 1.2.2 Schmidt 数对湍流混合的影响
• 1.2.3 不同特征混合时间比较
• 1.2.4 混合与反应的关系
• 1.3 湍流反应过程的研究方法[15]
• 1.3.1 化学反应工程方法（ chemical-reaction-engineering approach）
• 1.3.2 流体力学方法（ fluid-mechanical approach）
• 1.3.3 基于CFD 模型的方法
• 1.4 喷射反应器的研究现状
• 1.5 已有研究的不足之处和本文的主要内容
• 第二章 CFD 原理及喷射反应器的数值模拟模型
• 2.1 CFD 方法和原理
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 CFD 模拟中通用控制方程
• 2.2.2 控制方程的数值求解
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 k- ε两方程湍流模型
• 2.2.5 组分浓度方程的求解
• 2.3 物理模型
• 2.3.1 三维模型
• 2.3.2 网格无关性验证
• 2.4 湍流模型的选取
• 2.5 本章小结
• 第三章 喷射反应器内湍流多尺度混合的数值模拟
• 3.1 混合模型
• 3.1.1 模型方程
• 3.1.2 模型参数
• 3.2 模型求解策略
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 物料性质
• 3.2.4 网格无关性验证
• 3.2.5 其它设置
• 3.3 喷射反应器内混合情况的初步模拟
• 3.3.1 模拟条件
• 3.3.2 模拟结果与讨论
• 3.4 喷嘴速度对喷射反应器混合性能的影响
• 3.4.1 模拟实例
• 3.4.2 模拟结果及讨论
• 3.5 引射流体速度对喷射反应器混合性能的影响
• 3.5.1 模拟实例
• 3.5.2 模拟结果与讨论
• 3.6 喷嘴速度与引射流体速度对喷射反应器混合效果的影响
• 3.6.1 模拟实例
• 3.6.2 模拟结果与讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 喷射反应器内湍流反应的多尺度模拟
• 4.1 喷射反应器内混合-反应数学模型
• 4.1.1 平行—竞争反应体系
• 4.1.2 平行－竞争反应的CFD 表示
• 4.1.3 喷射反应器内混合-反应数学模型
• 4.2 模型求解策略
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 用户自定义标量
• 4.2.4 物料性质
• 4.2.5 物理模型及网格划分
• 4.2.6 计算方法
• m与特征反应时间t_r'>4.2.7 特征混合时间t_m与特征反应时间t_r
• 4.3 模拟实例及结果讨论
• 4.3.1 混合-反应初步模拟
• 4.3.2 喷嘴速度对喷射反应器混合-反应性能的影响
• 4.3.3 引射流体速度对喷射反应器性能的影响
• 4.3.4 喷嘴速度与引射流体进入混合段速度比对喷射反应器性能的影响
• 4.3.5 喷嘴速度与引射流体进入混合段速度对喷射反应器混合-反应性能的影响
• 4.4 Damkoler 数对湍流混合-反应的影响
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录