论文部分内容阅读
本文以环管反应器及静态混合环管反应器为研究对象,采用数学建模、CFD模拟及实验等方法相结合对其进行深入研究,以揭示其宏观混合性能、传质传热性能、反应性能等基本规律,为反应器的推广及应用提供理论依据。采用轴向扩散模型分别描述循环泵和环管,建立了具有预测性和普适性的环管反应器停留时间分布（RTD）数学模型。通过实验获得模型参数的经验公式,采用有限差分法获得模型的数值解。模型通过RTD实验验证,精度可靠。采用动量源项模拟循环泵建立了环管反应器CFD模型。通过稳态计算获得速度场、压力场、浓度场,非稳态计算获得RTD。CFD模型通过激光多普勒测速（LDV）实验和RTD实验双重验证,精度良好。设计了环丁烯砜合成的管式连续工艺和环管工艺,在典型的可逆放热慢反应上对比环管反应器与传统管式反应器。获得以下结论:环管反应器的停留时间分布基本特征为:RTD曲线呈多峰分布,各峰的峰宽一致;峰高随时间延长逐渐衰减,最终趋于零;峰形随时间延长逐渐衰减,趋于扁平,最终峰消失。高循环比下环管反应器的返混特性十分接近理想全混流反应器（CSTR）。循环比对环管反应器返混影响最大,皮克列数（Pe）次之,出口位置影响最小。静态混合环管反应器的RTD与空管环管反应器十分接近。静态混合环管反应器与空管环管反应器相比,内部流体湍动程度增加,更有利于质量传递和热量传递。循环泵的有效轴功随循环比增加呈幂函数增长,高循环比下能耗较大,环管反应器整体浓度分布在较均匀的水平上,其体浓度变异系数可达10-5以下。静态混合环管反应器的努塞尔数和传热面积均大于空管环管反应器,两者共同影响下使得静态混合环管反应器的综合换热性能远优于空管环管反应器。环管反应器可通过管径的改变调节停留时间、循环比的改变调节湍动程度,二者独立进行,互不干扰,兼具优良的换热性能,在慢反应中具有明显优势。综上,环管反应器具有十分接近理想CSTR的返混特征,兼具优良的传质、传热性能,静态混合环管反应器传质传热性能更加优越,二者均可广泛的应用在均相及气液、液液、液固等非均相反应过程,是CSTR的理想替代物。