液液搅拌槽内微观混合实验及数值模拟

High materials and energy consumption and pollution emissions are partially resulted from imperfect scale-up of chemical reactors. To facilitate perfect scale-up of chemical reactors, the micomixing effect should be carefully explored and understood, especially in the more frequently used multiphase stirred reactors. The micromixing in an immiscible liquid-liquid stirred reactor is investigated by experiment, mathematical model and CFD simulation. Chemical precipitation is used as the model reaction to study the micromixing in liquid-liquid systems, with focus on the influence of operation conditions, reactor configurations and volume fractions of the dispersed phase, etc. Based on the single-phase probability density function model, a two-phase CFD-based micromixing model is developed. The simulated results are compared against the experimental data, which can shed new light on improvement of the two-phase micromixing model. The combination of experiments and CFD modeling can gain an in-depth understanding of micromixing mechanism in multiphase systems. The study is expected to lay solid theoretical foundation for improving reactor efficiency by raising the selectivity to products, and thus saving energy and reducing materials consumption.

针对导致工业液液搅拌反应器高能耗高物耗的关键原因之一的放大效应问题，采用实验、理论和数值模拟相结合的方法，瞄准如何实现该复杂体系微观混合调控及强化的关键科学问题，首先以反应沉淀为实验体系，系统研究多种操作条件、反应器结构和相含率等重要变量条件下，两相体系微观混合的变化规律；然后在实验基础之上，基于单相微观混合模型，发展液液两相微观混合数学模型，建立流动、宏观/微观混合和反应过程耦合的数学模型，针对实际体系进行数值模拟，揭示液液搅拌槽内不互溶惰性相对连续相中微观混合的影响机制，以优化调控及强化液液快反应过程，提高产物选择性，为实现节能降耗提供理论基础。

本项目针对导致石油和化工反应器复杂快反应体系收率低的多相混合传递问题，采用实验、理论和数值模拟相结合的方法，从反应器角度来考察液液体系的微观混合效应。首先以硫酸钡反应沉淀为实验体系，研究不同操作条件下，液液两相体系微观混合的变化规律；然后在实验基础之上，基于单相微观混合模型，发展液液两相微观混合数学模型，建立流动、宏观/微观混合和反应过程耦合的数学模型，并针对实际体系进行数值模拟，揭示液液搅拌槽内不互溶惰性相对连续相中微观混合的影响机制，以优化调控及强化液液快反应过程，提高产物选择性，为实现节能降耗提供理论基础。围绕项目的研究目标，本项目在液液体系宏观混合时间实验研究、沉淀法液液体系微观混合的实验研究、液液两相体系微观混合模型构建、液液两相体系数值模拟研究等方面均取得了较大进展，主要成果包括：（1）采用PLIF研究了搅拌槽中不互溶液液体系分散相的宏观混合时间，并利用硫酸钡沉淀体系考察了惰性分散相体积分数等对沉淀颗粒直径的影响，定量揭示了分散相对微观混合的影响机理和规律；（2）基于Eulerian-Eulerian多流体思想和单相体系的SP-FM-PDF模型，本工作建立了两相有限节点的概率密度函数模型（TP-FM-PDF），用TP-FM-PDF模型对硫酸钡沉淀过程进行模拟，并与实验结果进行了对比验证，考虑了相含率的TP-FM-PDF模型成功预测出了沉淀粒径先增大后减小的变化规律，且与实验值吻合较好。本项目建立的数学模型为工业反应器的设计放大和过程优化提供了可行的数学模型。