環(huán)管反應(yīng)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(yīng)用背景和大量急待解決的課題.長期以來多相流反應(yīng)工程一直被認為是一個很難用數(shù)學(xué)手段和精確的試驗來描述和處理的學(xué)科領(lǐng)域.由于影響多相流反應(yīng)工程的因素很復(fù)雜,又涉及到流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和流變學(xué)等許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科,故迄今為止多相流反應(yīng)工程的內(nèi)在規(guī)律,仍遠未被人們所了解.對多相流反應(yīng)工程的深入研究可為多相流反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)和試驗指導(dǎo),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(yīng)過程是化學(xué)工程領(lǐng)域中極富有挑戰(zhàn)性的課題.本論文以環(huán)管反應(yīng)器為研究對象,基于顆粒動力學(xué)、雙流體模型、傳質(zhì)模型和液固兩相傳熱模型,研究了環(huán)管反應(yīng)器中動量、熱量和質(zhì)量傳遞特性與聚合反應(yīng)過程,加深了對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度、顆粒濃度等分布的了解,為環(huán)管反應(yīng)器的設(shè)計與優(yōu)化操作提供了理論指導(dǎo). 本論文主要開展了以下幾個方面的工作: 1.對管道內(nèi)漿液輸送建立了以顆粒動力學(xué)為基礎(chǔ)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(nèi)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(jié)果基本一致;詳細分析了不同漿液速度下管道內(nèi)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(yīng)器內(nèi)液固兩相的流動形態(tài)研究建立了以顆粒動力學(xué)為基礎(chǔ)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(yīng)器上升段壓力降,同時對管道內(nèi)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)流體流動為平推流假設(shè)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(dāng)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(nèi)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(nèi)湍動能明顯增強. 3.在Euler-Euler 雙流體動量傳遞模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)聚合動力學(xué)特點建立內(nèi)液固兩相傳質(zhì)模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)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(xué)為基礎(chǔ)的環(huán)管反應(yīng)器傳質(zhì)模型能有效地模擬環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)過程.模擬結(jié)果表明,環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(nèi)二次流對漿液流動的作用明顯增強,使得彎管外側(cè)壁上固體顆粒相濃度增大,管道內(nèi)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(yīng)器聚合傳質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,考慮了反應(yīng)器內(nèi)液固兩相的傳熱過程,建立了環(huán)管反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管

8、反應(yīng)器內(nèi)流動、傳熱和傳質(zhì)及聚合反應(yīng)過程進行了研究.反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器數(shù)學(xué)模型是有效的.模擬結(jié)果表明,環(huán)管反應(yīng)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)冷卻能力