管式振荡流混合器中液-固两相流动及传递特性

In recent years, the tubular oscillatory flow mixers as a new type of chemical reactor and process intensification device with high efficiency is receiving widespread attentions, and its fields of application are extending from the homogeneous to heterogeneous processes. However, the fluid dynamics of liquid-solid two-phases flow in the tubular oscillatory flow mixers ,the distribution behavior of solid particle and mass and heat transfer characteristics in the tubular oscillatory flow mixers are still outstanding challenges. Different types of internal configurations will be designed to test the perfomances of tubular oscillatory flow mixers in this project, and a technique which combines DPIV with ERT will be employed to study the fluid dynamics of liquid-solid two-phases flow in the mixer.The effect of solid particles on the residence time distribution of the mixer will also be measured. Combining the CFD simulation, a mathematical models for fluid flow and particle distribution along the axial direction of the mixers could be established. Based on the above models, structural optimization of an oscillatory flow mixer design can be realized. At the same time, it is possible to find out the effects of solid particles in the mixer on the heat transfer and mass transfer by the determination and corelation of the heat transfer and mass transfer coefficients in the tubular oscillatory flow mixer. Furthermore, we are trying to understand the scaleup rules for the mixers which deal with liquid flow containing solid particles. In short, the studies of fluid dynamics and transport law in the mixer will provide theoretical basis for the realization of the industrial application of the process.

近年来，管式振荡流混合器作为一种新型高效的化学反应设备与过程强化装置受到了广泛关注，其应用领域也由均相过程向非均相过程扩展。然而，管式振荡流混合器中液-固两相流的流体力学、固体颗粒分布行为以及传质和传热特性尚有待于进一步深入研究。本项目设计不同构型的管式振荡流混合器，利用DPIV和ERT联用技术研究在混合器中的液-固两相流的流体力学，测定固体颗粒对混合器停留时间分布的影响，并结合CFD建立流体流动及颗粒分布的数学模型，从而实现振荡流混合器结构的优化设计。同时，通过对传热和传质系数的测定及关联，弄清管式振荡流混合器中固体颗粒对传热及传质过程的影响规律，从而实现认识含固体颗粒振荡流混合器的放大规律。总之，对处理含有固体颗粒的振荡流混合器的流体力学及传递规律的研究，将为实现该过程的工业化应用提供理论基础。

对于许多化工单元生产过程来说，良好的混合以及优良的传递性能是必需的。欧盟会议提出了含固体颗粒加工过程强化面临的严峻挑战，解决该问题将会降低大量成本、提高产品质量从而提升竞争力。本项目以过程强化为目标，以管式振荡流混合器（OFM）为研究对象，对此类新型强化装置在涉及固-液两相复杂体系的化学反应及物理过程中的应用进行研究，建立了相应的实验和模拟分析方法，对OFM内部流体力学特性研究，传质传热测定，及其工业应用等多方面进行了探索。在对OFM内部传质传热机理及应用研究中，设计了一种能够实现反应过程强化，降低应用成本的OFM反应器，并成功应用于一个典型固-液体系非均相催化反应——离子交换树脂催化乙酸异龙脑合成过程。研究了OFM反应装置对乙酸异龙脑酯合成过程的强化效果及运行规律，基于OFM设计了乙酸异龙脑酯连续合成及乙酸异龙脑酯连续皂化过程的中试方案，并完成了后者的工业化中试试验，成功建成了年处理量1000吨的OFM乙酸异龙脑酯连续皂化工业化装置。针对OFM内部复杂多相流动规律特性，建立了用于固-液体系颗粒浓度测定的无侵入式高速图像分析方法。进一步建立了计算流体力学模型与可视化实验相结合的研究方法。同时初步建立了结合折射率匹配法（RIM）在OFM中高固含率下的固液多相流粒子成像测速系统（PIV）的可视化分析方法。利用图像分析法测定了颗粒的轴向分布规律，探究了不同操作条件下对颗粒分布的影响规律。对比测定传统釜式和管式反应器及新型OFM的停留时间分布特性，测定了OFM中固-液体系的传热、传质特性，研究了振荡流混合器中悬浮运动的固体颗粒对传热和传质过程的影响。利用CFD模拟结合实验的方式，探究了OFM中的固-液多相流场特性。同时对另一典型固-液过程—结晶过程进行了初步研究，为OFM在固-液两相的工业化应用奠定了理论基础。