本文關鍵詞：快速噴射混合強化共沉淀反應過程實驗研究與數(shù)值模擬

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【摘要】：本文以一種多孔錯流射流(MOIT)噴射反應器為研究對象,采用實驗與數(shù)值模擬相結合的方法對噴射反應器內(nèi)的液體湍流混合特性以及其強化共沉淀反應可控制備硫酸鋇過程進行了研究。分別考察了噴射反應器的結構、操作條件、反應器的幾何放大等因素對物料之間的湍流混合特性的影響規(guī)律；在此基礎上研究了該類反應器可控制備硫酸鋇的共沉淀反應過程,從過飽和度角度出發(fā),分別考察了反應器結構、操作條件、反應物料濃度等因素對反應器內(nèi)過飽和度、晶體成核及生長速率的影響,從微觀混合與沉淀反應機理層面研究了噴射共沉淀過程可控制備納米硫酸鋇(粒徑大小及其分布)的科學規(guī)律。針對噴射反應器內(nèi)的液體湍流混合過程,研究結果表明：采用大渦模擬方法,亞格力應力模型為動態(tài)動能亞格子模型,當網(wǎng)格尺度D/△x=55時,通過大渦模擬得到的瞬態(tài)濃度場分布、濃度脈動等都能夠與PLIF實驗結果較好吻合；與傳統(tǒng)的T型反應器相比,本文提出的多孔錯射流噴射混合器能夠更好地強化物料之間的混合,混合過程湍動能及其耗散分布更加均勻；速度比是影響該反應器內(nèi)的流體混合效率的重要因素,隨著速度比增大,湍流渦數(shù)量逐漸增加且分布更為均勻,湍流強度逐漸增強,亞格子尺度上的湍動能耗散逐漸加快,有利于強化反應器內(nèi)物料之間的混合；保證混合過程平均速度、速度比以及射流小孔數(shù)量不變,對多孔錯流射流噴射反應器的主管徑與射流孔徑進行同比例放大的過程中,發(fā)現(xiàn)其具有明顯的放大效應,相同位置處的湍動能耗散速率、速度場脈動強度都會相應減弱,混合效果逐漸變差；保證混合管直徑以及射流孔總面積不變,改變射流小孔的直徑及數(shù)量,在相同的速度比下,考察各混合器內(nèi)兩股流體的混合效果發(fā)現(xiàn),增加射流小孔數(shù)量,減小孔徑,混合效果先變好,后變差,存在最優(yōu)設計,對于管徑為40mm的反應器,當射流小孔數(shù)量為12,孔徑為5.78mm時,混合效果最好。利用多孔錯流射流噴射混合器,通過Na2SO4與BaC12液相共沉淀反應制備了硫酸鋇納米顆粒,采用TEM對最終制備所得的硫酸鋇納米顆粒進行表征,考察了平均雷諾數(shù)對顆粒平均粒徑及顆粒粒徑分布的影響,實驗結果表明：隨著雷諾數(shù)的增加顆粒粒徑先減小然后逐漸趨于不變；顆粒的粒徑分布則是先變窄而后逐漸保持不變；另外由本文的多孔錯射流反應器制備所得的硫酸鋇納米顆粒分散性較好,團聚少。針對噴射共沉淀過程制備硫酸鋇顆粒的數(shù)值模擬,在標準k-ε湍流模型的基礎上耦合群體平衡(PBM)模型,對共沉淀反應過程制得的硫酸鋇的平均粒徑及其分布進行了預測。模擬結果表明：隨著雷諾數(shù)的增加,微觀混合速率逐漸接近沉淀反應速率,混合對于沉淀反應過程的影響逐漸減小,過飽和度的分布更加均勻,最終顆粒平均粒徑逐漸減小,分布逐漸變窄；初始反應物料濃度增加,過飽和度先明顯增加且分布范圍變窄,然后逐漸趨于穩(wěn)定,對應的晶體成核以及生長速率明顯增加,平均粒徑則先迅速減小后緩慢增大,由于微觀混合時間不變,反應時間減短,對應Da準數(shù)變大,粒徑分布變寬；保持混合管直徑不變(D=4mm)以及射流孔總面積不變,改變射流小孔的直徑及數(shù)量,在完全相同的進料情況下,隨著射流小孔數(shù)量的增加,反應器內(nèi)過飽和度的分布更加均勻,晶體的成核以及生長速率的分布更加均一,所得的顆粒粒徑更小,粒徑分布更窄；保持射流小孔數(shù)量不變,同比例增加主流管徑及射流孔徑,混合時間以及反應時間均出現(xiàn)明顯的增加,Da準數(shù)變化不大,最終所得顆粒平均粒徑明顯增加,粒徑分布變化不大,反應器具有較為明顯的放大效應。
【關鍵詞】：噴射反應器 混合 沉淀反應 數(shù)值模擬 過程強化
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ052
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論及文獻綜述11-33
• 1.1 引言11-12
• 1.2 沉淀反應過程12-18
• 1.3 共沉淀反應過程設備18-23
• 1.4 流體混合過程數(shù)值模擬方法23-27
• 1.5 沉淀反應過程模擬研究進展27-32
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容32-33
• 第二章 MOIT噴射反應器內(nèi)湍流混合過程數(shù)值模擬33-63
• 2.1 大渦模擬方法及結果驗證33-39
• 2.2 噴射反應器結構對湍流混合特性影響39-46
• 2.3 操作條件對混合過程湍流特性影響46-53
• 2.4 噴射混合過程放大53-61
• 2.5 本章小結61-63
• 第三章 MOIT噴射反應器可控制備BaSO_4實驗研究63-69
• 3.1 實驗原料與儀器63-64
• 3.2 實驗方法與內(nèi)容64-65
• 3.3 樣品表征與分析65-66
• 3.4 實驗結果討論與分析66-67
• 3.5 本章小結67-69
• 第四章 噴射共沉淀法可控制備納米BaSO_4過程模擬69-88
• 4.1 噴射共沉淀過程數(shù)值模擬方法69-71
• 4.2 模擬結果驗證71-72
• 4.3 雷諾數(shù)對沉淀反應過程的影響分析72-75
• 4.4 初始反應物料濃度對沉淀反應過程影響分析75-79
• 4.5 反應器結構對沉淀反應過程影響分析79-82
• 4.6 反應器放大過程對沉淀反應的影響分析82-86
• 4.7 本章小結86-88
• 第五章 結論及展望88-90
• 5.1 結論88-89
• 5.2 展望89-90
• 參考文獻90-96
• 碩士期間科研成果96-97
• 致謝97

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1 方宜;快速噴射混合強化共沉淀反應過程實驗研究與數(shù)值模擬[D];東南大學;2016年

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本文編號：1083018