《氣液固三相高剪下反應器性能與模型放大研究》是依託天津大學，由張金利擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氣液固三相高剪下反應器性能與模型放大研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張金利
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本申請以傳遞控制的氣液固三相反應過程強化為研究背景，針對甲苯異氰酸酯（TDI）生產工藝中的光氣化反應，開展氣液固三相高剪下反應器的性能與模型化研究。首先實驗研究相速度、相含率、相濃度、相溫度等局部流動、傳質、傳熱性能及微觀相間動量、質量、熱量傳遞性能，獲得傳遞性能模型關聯式；進而，利用大渦數值模擬技術建立描述該反應器中氣、液、固三相微觀瞬態流動、傳熱與傳質性能的模型，結合TDI光氣化反應動力學模型，對氣液固三相高剪下反應器進行模擬最佳化設計。本項目的研究成果不僅可以對高剪下反應器的設計與最佳化提供直接指導，而且還將對其他多相反應或混合過程的研究提供實驗手段和理論工具；本項目的研究對於多相過程強化具有重要的理論意義和實用價值。
結題摘要
對於單相體系，首先，利用雷射都卜勒測速儀測定了中試規格、雙圈超細齒管線型高剪下混合器外圈定子射流區的徑向和切向速度分量。對混合器內單相流動過程進行了計算流體力學模擬，考察了不同湍流模型和差分格式對預測精度的影響。在混合器的定-轉子區域、外圈定子射流區以及轉子緊固螺母附近的射流區，流動都明顯偏離各向同性湍流。其次，基於非理想脈衝示蹤-回響實驗與去卷積算法得到超細齒管線型高剪下混合器的本徵停留時間分布，並採用大渦模擬與組分輸運相結合的方法對其進行了預測。高剪下混合器接近於全混流，其內部存在明顯的滯留區。具有較大剪下間隙寬度、較大齒尖-基座間距、單圈定-轉子或者直齒型定子的高剪下混合器，可能會存在溝流、短路和/或流體夾帶的弊端。最後，實驗測定了不同操作模式下定-轉子齒合型與葉片-網孔型高剪下混合器在不同轉速、流量和流體粘度下的揚程、泵效率、輸入軸功及功率曲線，建立了弗魯德數校正的Kowalski功耗預測模型。對於多相體系，首先，實驗測定了定-轉子齒合型和葉片-網孔型管線高剪下混合器的單程連續乳化能力與功率消耗特性。分別採用了煤油-水、矽油-水、煤油-甘油溶液乳化體系，考察了不同構型的兩種管線型高剪下混合器中液滴平均直徑d32及液滴粒徑分布隨操作參數和工作流體物性參數的變化。由於湍流和剪下水平的不均勻性以及液滴夾帶和環流現象，實驗中得到的粒度分布曲線均存在雙峰分布的現象。其次，採用亞硫酸鈉氧化法對於兩種管線型高剪下混合器的傳質性能進行了研究。研究結果表明，氣液相界面積和傳質係數均隨轉速、液相流量以及微米CaCO3的含量增加而增加；隨氣相流量增加先略有增大然後減小。對於兩種構型的高剪下混合器，氣液相界面積隨表面活性劑濃度的增加而增大，當其濃度超過30 mg/L時，相界面積達到一個平台，不發生明顯的變化；而傳質係數表面活性劑濃度的增加而減小，當其濃度超過30 mg/L時，傳質係數下降趨勢變緩，並逐步穩定下來。最後，考察了實驗室規格的管線型高剪下混合器在氣液固三相反應體系下的性能，採用CO2-Ca(OH)2體系，以磷酸作為晶型調控劑製備了針狀的文石晶型的碳酸鈣。在磷酸含量為6.4 g/L，反應溫度為83 oC, CO2流量為8.4 L/h的條件下，能夠得到最高含量的文石晶型（97.9%）。
