文 献 综 述

前言

化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内的停留时间的长短有关，时间越长，反应进行得越完全，可见，研究反应物料在反应器内的停留时间分布具有重要的意义。连续釜式反应器是化学工业中普遍存在的，虽然混合效率通常不理想，但也是一种重要的反应器。为了解决罐中混合性能与理想状态的偏差，我们测其停留时间并与理想反应器进行比较。比较的结果有利于分析罐子的缺点和改进的搅拌机设计。实验室中，通过流体示踪实验，可以测定物料流体的停留时间分布。虽然，示踪实验可以测定流动特性，但实验需要消耗一定成本，并且在不同操作条件和工业化生产规模下，实验结果可能偏离实际情况^[1]。计算流体动力学（CFD）很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。最近几年报道了很多对于不同领域反应器的停留时间分布的研究，此外，研究朝着理解在不同转速下的内部流动机理，并在数值上预测RTD，计算流体动力学（CFD）软件FLUENT，成为提供复杂流体现象视觉信息和进行反应器设计和性能测定的强大工具，FLUENT引入可视化流场和模拟罐中的RTD。借助CFD，流动行为以及它们对混合效率的影响可以被确定并且，罐内浓度分布，温度分布和功耗等也能确定。因此，CFD工具已被用于预测搅拌罐内停留时间分布流动行为特征、混合时间和功耗等。

国内研究进展

李健达^[2]等利用CFD 软件Fluent，对搅拌槽内的混合过程进行了模拟计算。结果表明：桨叶产生的流场分布#8212;平行流与文献的PIV 研究监测结果具有良好的一致性；整体监测得到的混合时间之间的差值较小；混合体积曲线能够从宏观的角度来分析搅拌混合过程。王彦伟^[3]利用CFD方法,对振荡流混合反应器(OFR)流场中停留时间分布RTD进行模拟研究, 首次实现了三维OFR流场中RTD的模拟,并成功地获得了1000个示踪粒子的RTD曲线。厦门大学刘^[4] 等通过实验结合CFD分析，第一次为在连续搅拌釜中合成纳米银，提供了成功的绿色方案，并且用模拟结果优化了参数，成功合成不同尺寸的纳米银颗粒。

近年来，国内许多研究者利用CFD，模拟计算清水池的有效水利停留时间，来改进清水池的消毒效率并减少消毒副产物生成量。杜志鹏^[5]等研究了清水池有效水力停留时间的影响因素,采用示踪试验进行中试模型研究,长度相似比例为1:60, CFD 模拟示踪试验,研究了进水流速、拐角数及拐角宽度的影响,结果表明: 总长宽比相同时,拐角数越少越大; 拐角宽度存在最优值范围 ,而一定范围内流速的变化对的影响不明显。金俊伟^[6]研究表明清水池有效水力停留时间与理论水利停留时间比值（t10/t）与水流廊道总长宽比呈对数关系，并得到相应的公式（t10/t）=0.1894Ln(L/W)-0.0494。清水池的t10/t, 都和水流廊道总长宽比呈幂指数关系，随水流廊道总长宽比的增大而减小。徐丽^[7]等对人工湿地水力停留时间进行试验研究，若只关注人工湿地出水水质，采用水力停留时间为2天时，可以保证其出水水质达到《地表水环境质量标准(GB 3838#8212;2002)》Ⅴ类标准。

国外研究进展

Meroney, Robert N^[8]等使用CFD来模拟四个不同的圆形厌氧消化罐（直径13.7,21.3,30.5和33.5m）的混合特性，，这些消化罐配备单或多台叶轮管式混合器。结果显示，CFD很好地预测两种型号和全尺寸圆形罐配置的性能。Terashima^[9]等建立了一种关于污泥流变性质的3维CFD模型来定量分析全尺寸厌氧消化器中的混合特性。该模型模拟结果与示踪反应实验曲线一致。并且应用所开发的模型和方法来确定在不同固体浓度的全规模消化器中完全混合所需的时间， 混合时间的信息对优化进料循环以获得更好的消化器性能方面有用。Wu, Binxin^[10] 等人建立了一种预测混流厌氧消化池中流场的通用数学模型。模型中，物料液体肥料为非牛顿流体，并且流量由连续性，动量和k-ε标准湍流方程和非牛顿幂定律模型控制，模拟结果由文献中的实验数据很好地验证。基于CFD模拟结果为中试规模的厌氧消化器确定最佳功率输入，提出了一些降低死区和低速区的措施。Yann Le Moullec^[11]等人运用三维欧拉-欧拉两相方法来模拟交叉流气液废水处理反应器。测试了两种不同的湍流模型：k和雷诺应力模型（RSM）模型，并且考虑气泡引起的湍流效应，两个湍流模型的模拟成功地预测了反应器的流体动力学，示踪实验用来测试先前模拟流体的停留时间分布（RTD），显示反应器中主要为湍流分散。Othman, N^[12]等通过计算流体动力学优化连续混合叶轮混合器，CFD用于最初筛选参数范围以减少所需的实际实验的数量，并且模拟结果与实验相吻合。

总结