停留时间可控的撞击流反应器的设计与研究

摘要

纳米亲水铝箔涂覆材料的制备是一个自由基聚合过程，该反应是一个快速反应。微观混合是反应过程的控制步骤，对产品质量有重要的影响。目前工业上采用搅拌釜进行生产，反应釜内的混合状况限制了涂料性能的进一步优化，这就对反应设备提出了更高的要求。撞击流反应器是一种基于撞击流技术的新型反应器，它能强化相间传递，在热、质传递方面有着独特的优越性；对于液相过程，能够显著促进混合，尤其是微观混合，是一种极具潜力的反应器。本文针对亲水涂料的制备，设计开发一种新型的撞击流反应器中试装置，研究其宏观和微观混合特性，为工业上改进涂料制备的设备提供参考。 按照中试要求，综合各种快速反应设备的优点，利用撞击流技术的现有资料，并考虑到撞击流停留时间较短的特点，反应装置采用撞击流反应器与静态混合器串联的组合反应装置。反应器采用水平同轴安装的两个喷嘴提供的射流进行对撞。反应器主体为卧式圆柱筒体，喷嘴安装在其中心线两端，软连接的安装使得喷嘴间的距离可以任意调节。为了增加物料停留时间，设置了物料外循环管路系统。喷嘴部分使用二流体式的套管，新鲜物料流经管内而循环物料流经环隙，保证射流水平同轴以实现最大的混合。静态混合器严格按照国标选择和设计，设计结果经过强度校核，符合强度要求和设计要求。 反应器宏观混合特性的实验研究以KC1为示踪剂，脉冲进样，电导率仪采样，测试了不同的喷嘴间距、物料流量和循环比条件下的停留时间分布情况。比较了粘性体系与去离子水低黏度体系内的停留时间分布的差异，结果表明粘性体系中返混显著增加，停留时间增大。由此提出了一种将gamma混合单元与全混流单元并联后再与平推流单元串联的四参数模型，模型方程为采用该模型对反应器内的停留时间分布密度函数进行拟合，其模拟结果与实验曲线基本吻合，说明该模型能很好的反映反应器内物料的停留时间分布。 采用碘化钾-碘酸盐平行竞争反应体系测试了反应器内的微观混合情况，以分隔指数判断微观混合效果，结果表明增大物料流量能够显著改善反应器内的微观混合状况，同时较小的喷嘴间距和恰当的设置物料循环比都能促进微观混合。根据实验条件，对团聚模型作了一定修正后，计算了反应器内各条件下的特征微观混合时间，结果表明该反应器内微观混合时间仅为4-17 ms，比搅拌釜内的微观混合时间短很多，表明反应器内撞击区促进微观混合非常有效。通过关联微观混合时间与分隔指数，其关系在微观混合时间较短时为线性，微观时间较长时呈二次关系，该结论与文献相吻合。同时采用湍流理论估算了微观混合时间，其结果与团聚模型计算的结果基本一致。 实验结果表明该反应器的微观混合性能优越，能使用于快速反应体系。物料在反应器内的停留时间较短，外循环的物料对停留时间的调节力度有限。对于反应快速但又需要较长时间完全反应的体系，可以考虑多级过程或者延长静态混合器来改善，或者作为预混合设备。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

前 言

0.1 课题背景

0.2 论文的研究意义和任务

第一章 文献综述

1.1 撞击流反应器

1.1.1 撞击流技术的基本原理

1.1.2 撞击流的技术特点

1.1.3 撞击流技术的研究进展

1.1.4 撞击流反应器的研究现状

1.2 宏观混合

1.2.1 宏观混合的研究方法

1.2.2 宏观混合的研究进展

1.3 微观混合

1.3.1 微观混合研究历史

1.3.2 微观混合的研究方法

1.3.3 微观混合模型及研究进展

第二章 撞击流反应器的设计与校核

2.1 设计任务

2.2 反应器设计

2.2.1 反应器的结构

2.2.2 反应器的参数计算

2.3 喷嘴的选择与设计

2.3.1 喷嘴形式的选择

2.3.2 喷嘴参数的确定

2.4 反应器强度校核

2.4.1 椭圆封头开孔补强

2.4.2 简体的开孔补强

2.5 静态混合器的选择与设计

2.5.1 静态混合器的选型

2.5.2 相关参数确定

5.2.3 压力降计算

2.6 其他设备的选用

2.7 本章小结

第三章 宏观混合性能的研究

3.1 前言

3.2 停留时间分布理论基础

3.3 实验部分

3.3.1 实验研究方法

3.3.2 实验装置与流程

3.3.3 实验内容

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 重复性实验

3.4.2 进料流量对宏观混合的影响

3.4.3 循环比的影响

3.4.4 喷嘴间距的影响

3.3.5 停留时间分布函数

3.4.6 黏度对宏观混合的影响

3.5 停留时间分布模型

第四章 微观混合性能的研究

4.1 实验研究方法

4.2 实验原料与装置

4.3 溶液的配制

4.4 微观混合的表征

4.5 实验结果与讨论

4.5.1 流量Ⅴ对微观混合的影响

4.5.2 喷嘴间距LZ对微观混合的影响

4.5.3 循环比R对微观混合的影响

4.6 微观混合比αm

4.7 特征微观混合时间tm的计算

4.7.1 采用团聚模型计算tm

4.7.2 根据湍流理论估算tm

4.8 本章小结

第五章 结论

参考文献

作者简介

致谢