環(huán)管反應器中液固兩相傳遞特性的研究.pdf

1、多相流是自然界和工業(yè)過程中普遍存在的一種基本物理現(xiàn)象,它有著極其廣泛的應用背景和大量急待解決的課題.長期以來多相流反應工程一直被認為是一個很難用數(shù)學手段和精確的試驗來描述和處理的學科領域.由于影響多相流反應工程的因素很復雜,又涉及到流體力學、熱力學、傳熱傳質學、化學反應和流變學等許多相關的基礎學科,故迄今為止多相流反應工程的內在規(guī)律,仍遠未被人們所了解.對多相流反應工程的深入研究可為多相流反應器的設計和優(yōu)化提供理論依據(jù)和試驗指導,具有重

2、要的工程實用價值,因此研究多相流中的各種傳遞規(guī)律和反應過程是化學工程領域中極富有挑戰(zhàn)性的課題.本論文以環(huán)管反應器為研究對象,基于顆粒動力學、雙流體模型、傳質模型和液固兩相傳熱模型,研究了環(huán)管反應器中動量、熱量和質量傳遞特性與聚合反應過程,加深了對環(huán)管反應器內溫度、顆粒濃度等分布的了解,為環(huán)管反應器的設計與優(yōu)化操作提供了理論指導. 本論文主要開展了以下幾個方面的工作: 1.對管道內漿液輸送建立了以顆粒動力學為基礎的Eule

3、r-Euler雙流體模型.在漿液流速大于臨界沉積速度的情況下,模擬了不同漿液入口速度時的管道壓力降,同時對管道內漿液輸送液固兩相流進行了研究:在大于臨界沉積速度、不同漿液入口速度下,壓力降與文獻中實驗結果基本一致;詳細分析了不同漿液速度下管道內液固兩相的空間分布和漿液非對稱懸浮流、移動床流和靜止床流等流動形態(tài);在水平方向液相速度分布和固體顆粒相速度分布呈對稱狀態(tài),而在垂直方向液相速度分布和固體顆粒相速度分布出現(xiàn)一個較大的梯度變化,固體顆

4、粒相速度分布與液相速度基本相同,兩者之間的滑移速度很小,可以忽略. 2.對環(huán)管反應器內液固兩相的流動形態(tài)研究建立了以顆粒動力學為基礎的Euler-Euler雙流體模型.在漿液流速遠大于自由沉降速度的情況下,模擬了不同漿液入口速度時的環(huán)管反應器上升段壓力降,同時對管道內液固兩相流中的一些重要參數(shù)進行了數(shù)值研究:在漿液速度遠大于自由沉降速度的情況下,不同漿液入口速度下的模擬壓力降值與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算值吻合;在入口液固兩相體積分布均勻

5、的情況下,環(huán)管反應器上升段、彎管段以及下降段液固兩相體積分數(shù)分布和液固兩相速度均不一樣,表明文獻中環(huán)管反應器內流體流動為平推流假設與實際存在偏差;在漿液速度v=3 m-s<'-1>時,液相和固相的速度有一定的速度差,隨著入口速度增大,速度差變小;當漿液速度v=7 m-s<'-1>時,固體顆粒相速度分布與液相速度基本相同,兩者之間的滑移速度可以忽略;液相和固體顆粒相湍動能在彎管不同位置分布不均,管壁附近,湍動能較大,而在管內部存在一個湍動

6、能較小區(qū)域.在同一截面位置,隨著漿液速度增大,管道內湍動能明顯增強. 3.在Euler-Euler 雙流體動量傳遞模型的基礎上,根據(jù)環(huán)管反應器內聚合動力學特點建立內液固兩相傳質模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應器內傳質規(guī)律進行研究:漿液固含率模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值吻合,以顆粒動力學為基礎的環(huán)管反應器傳質模型能有效地模擬環(huán)管反應器內傳質過程.模擬結果表明,環(huán)管反應器內固體顆粒相體積分數(shù)分布并不是一樣的,在上升段,固體顆粒相體積分布是均勻的,

7、而在彎管段沿著流動方向趨向不均勻,也必然影響到下降段不再呈均勻分布,但隨著下降流動,管內顆粒濃度趨向均勻;在彎管段,在同一截面位置,隨著漿液速度或顆粒直徑增大,管道內二次流對漿液流動的作用明顯增強,使得彎管外側壁上固體顆粒相濃度增大,管道內固相分布也更加不均勻. 4.在Euler - Euler 雙流體動量傳遞模型和環(huán)管反應器聚合傳質模型的基礎上,考慮了反應器內液固兩相的傳熱過程,建立了環(huán)管反應器的數(shù)學模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管

8、反應器內流動、傳熱和傳質及聚合反應過程進行了研究.反應器內漿液溫度的模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值吻合,說明所建立的環(huán)管反應器數(shù)學模型是有效的.模擬結果表明,環(huán)管反應器溫度與物料濃度存在不均勻分布.在上升段,溫度分布呈中心對稱,而在彎管段就不再呈中心對稱,下降段的溫度因彎管段的不均勻分布而不再呈中心對稱分布;隨著漿液入口速度或入口固體顆粒相體積分數(shù)的增加,環(huán)管反應器上升直管段,彎管段以及下降直管段溫度降低;管壁冷卻水溫度不同,對環(huán)管反應器內冷卻能力