气液固三相高剪切反应器性能与模型放大研究

本申请以传递控制的气液固三相反应过程强化为研究背景，针对甲苯异氰酸酯（TDI）生产工艺中的光气化反应，开展气液固三相高剪切反应器的性能与模型化研究。首先实验研究相速度、相含率、相浓度、相温度等局部流动、传质、传热性能及微观相间动量、质量、热量传递性能，获得传递性能模型关联式；进而，利用大涡数值模拟技术建立描述该反应器中气、液、固三相微观瞬态流动、传热与传质性能的模型，结合TDI光气化反应动力学模型，对气液固三相高剪切反应器进行模拟优化设计。本项目的研究成果不仅可以对高剪切反应器的设计与优化提供直接指导，而且还将对其他多相反应或混合过程的研究提供实验手段和理论工具；本项目的研究对于多相过程强化具有重要的理论意义和实用价值。

对于单相体系，首先，利用激光多普勒测速仪测定了中试规格、双圈超细齿管线型高剪切混合器外圈定子射流区的径向和切向速度分量。对混合器内单相流动过程进行了计算流体力学模拟，考察了不同湍流模型和差分格式对预测精度的影响。在混合器的定-转子区域、外圈定子射流区以及转子紧固螺母附近的射流区，流动都明显偏离各向同性湍流。其次，基于非理想脉冲示踪-响应实验与去卷积算法得到超细齿管线型高剪切混合器的本征停留时间分布，并采用大涡模拟与组分输运相结合的方法对其进行了预测。高剪切混合器接近于全混流，其内部存在明显的滞留区。具有较大剪切间隙宽度、较大齿尖-基座间距、单圈定-转子或者直齿型定子的高剪切混合器，可能会存在沟流、短路和/或流体夹带的弊端。最后，实验测定了不同操作模式下定-转子齿合型与叶片-网孔型高剪切混合器在不同转速、流量和流体粘度下的扬程、泵效率、输入轴功及功率曲线，建立了弗鲁德数校正的Kowalski功耗预测模型。. 对于多相体系，首先，实验测定了定-转子齿合型和叶片-网孔型管线高剪切混合器的单程连续乳化能力与功率消耗特性。分别采用了煤油-水、硅油-水、煤油-甘油溶液乳化体系，考察了不同构型的两种管线型高剪切混合器中液滴平均直径d32及液滴粒径分布随操作参数和工作流体物性参数的变化。由于湍流和剪切水平的不均匀性以及液滴夹带和环流现象，实验中得到的粒度分布曲线均存在双峰分布的现象。其次，采用亚硫酸钠氧化法对于两种管线型高剪切混合器的传质性能进行了研究。研究结果表明，气液相界面积和传质系数均随转速、液相流量以及微米CaCO3的含量增加而增加；随气相流量增加先略有增大然后减小。对于两种构型的高剪切混合器，气液相界面积随表面活性剂浓度的增加而增大，当其浓度超过30 mg/L时，相界面积达到一个平台，不发生明显的变化；而传质系数表面活性剂浓度的增加而减小，当其浓度超过30 mg/L时，传质系数下降趋势变缓，并逐步稳定下来。最后，考察了实验室规格的管线型高剪切混合器在气液固三相反应体系下的性能，采用CO2-Ca(OH)2体系，以磷酸作为晶型调控剂制备了针状的文石晶型的碳酸钙。在磷酸含量为6.4 g/L，反应温度为83 oC, CO2流量为8.4 L/h的条件下，能够得到最高含量的文石晶型（97.9%）。