毫米通道内非牛顿流体微观混合过程的实验与CFD模拟

作     者：宋钊毅 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：向阳;多英全

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：毫米通道 微观混合 CFD 强化机制 非牛顿流体 

摘      要：毫米通道反应器是发展比较迅速的化工过程强化手段之一,在化学合成、催化反应、生物工程、医药制造、石油化工等领域有着广泛的应用。毫米通道反应器具有尺寸小、比表面积大、传递速度快等优势,能够显著增强液液均相的微观混合过程。在聚合反应、药物化学品合成工业中,常涉及非牛顿体系。目前,针对毫米通道反应器内非牛顿流体液相混合反应的研究较少,这限制了反应器在处理非牛顿体系快速反应过程的工业应用。 本文以毫米通道反应器为研究对象,基于Villermaux-Dushman反应体系,实验研究反应器内非牛顿流体的微观混合性能以及关键影响因素,进而提出强化微混效率的三个方案（增加内构件、旋转与两者协同）,同时构建毫米通道内非牛顿流体流动的三维CFD模型,分析反应器内强化非牛顿流体微观混合的机制;在此基础上,构建新型毫米通道内非牛顿流体流动、混合与反应的三维CFD模型,并采用响应面分析方法,阐明影响过程的关键因素。主要研究结果如下: （1）毫米通道内微观混合效率实验结果表明,通道直径越大,对微观混合效率越不利;在较低羧甲基纤维素钠（CMC）浓度（0.2wt.%～0.4wt.%）条件下,随CMC浓度增加,离集指数稍微上升,但提高流量会使离集指数下降;在较高CMC浓度（大于0.6wt.%）条件下,随CMC浓度增加,离集指数急剧上升,此时提高流量反而会使离集指数升高;在较高表观黏度/黏度相近条件下,非牛顿流体的离集指数随流量的变化规律与牛顿型流体的相反。基于团聚模型,获得毫米通道反应器内非牛顿流体的微观混合特征时间范围在0.19～4.29ms。 （2）内构件、旋转以及协同作用强化毫米通道微观混合实验结果表明,在较高CMC浓度条件下,增加内构件会使得低流量下反应器内离集指数降低,而对于高流量下的几乎无影响;通道旋转可明显降低反应器内离集指数,两者协同的效果最佳。反应器内CFD模拟结果表明,内构件对反应器内剪切应力影响可忽略,不能有效降低表观黏度,对微观混合效率影响较小;通道旋转会显著提高剪切应力,导致流体的表观黏度降低,从而使得离集指数显著下降;内构件与旋转的协同作用能够进一步提高剪切应力,协同作用要比单一因素更有利于提高微观混合效率。 （3）采用修正的有限速率/涡耗散模型,构建的新型T型毫米通道反应器内混合与反应的三维CFD模型。模拟结果表明,在一定操作条件下,旋转毫米通道反应器（R-MCR）内模拟获得的离集指数与实验结果的误差在±15%以内,表明CFD模型的有效性;回归出R-MCR内模型参数—涡耗散常数的经验关联式为Am=0.57Re-0.78β0.12,且回归式的模拟结果与实验结果的误差不超过±20%。响应面分析结果表明,流量对离集指数的影响大于旋转速度,旋转速度的影响大于CMC浓度,总体来说三个因素对离集指数的影响都比较显著;CMC浓度固定为0.8 wt.%,当旋转速度为40rpm,流量从20ml/min升高到165ml/min,离集指数提高了144.67%;当流量为165ml/min,旋转速度从40rpm增加至160rpm,离集指数降低了106.13%。