摘 要

为了优化射流搅拌反应器的结构参数，本文设计了喷嘴之间角度不同、喷嘴朝向不同以及反应器出口大小不同的射流搅拌反应器的模型，并借助CONVERGE软件对不同结构参数的射流搅拌反应器内气体的流动混合过程进行三维模拟计算。以反应器内气体的混合均匀性为优化标准，通过温度场、浓度场定性分析了喷嘴之间的角度、喷嘴朝向以及反应器出口大小对混合均匀性的影响，并利用反应器内所有网格中氮气摩尔分数的加权标准差比较了不同结构参数的射流搅拌反应器的混合均匀性，此外还对反应器内气体的流动混合过程进行了分析。研究表明气体从喷嘴喷出后在射流搅拌反应器内做螺旋向心运动；喷嘴之间角度越小混合均匀性越好；喷嘴朝向为上下左右的模型的混合均匀性优于喷嘴朝向为上上左右的模型；反应器出口越小混合均匀性越好。在所设计的模型中，喷嘴之间角度为20°、喷嘴朝向为上下左右、反应器出口为12 mm的射流搅拌反应器的混合均匀性最好。

关键词：射流搅拌反应器；结构参数；混合均匀性

Abstract

In order to optimize the structure of jet-stirred reactor parameters, this paper design the nozzle Angle, nozzle towards different between exports and reactor size different jet-stirred reactor model, and with the help of CONVERGE software, different structural parameters of the flow of the gas in the jet-stirred reactor mixing process for three dimensional numerical simulation. In the mixing uniformity of the gas in the reactor in order to optimize the standard, through the qualitative analysis of temperature field and concentration field of the Angle between the nozzle, the nozzle towards exports and reactor size on the influence of the mixing uniformity, and using the nitrogen molar fraction of all the grid in the reactor of the weighted standard deviation compared the different structural parameters of jet-stirred reactor mixing uniformity, the process of gas flow mixing reactor were also analyzed. The results show that the gas is spirally centripetal in the reactor after it is ejected from the nozzle. The smaller the Angle between the nozzles, the better the mixing uniformity. The mixing uniformity of the model with the nozzle orientation of upper and lower left is better than that of the model with the nozzle orientation of upper and left; The smaller the reactor outlet, the better the mixing uniformity. In the designed model, the mixing uniformity of the jet-stirred reactor is the best when the Angle between the nozzles is 20°, the nozzle orientation is up and down, and the reactor outlet is 12 mm.

Key Words：jet-stirred reactor；structure parameter；mixing uniformity

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 射流搅拌反应器的研究现状 1

1.3 本文研究的内容与目的 3

第2章 射流搅拌反应器三维计算模型的建立 4

2.1 射流搅拌反应器的基本结构 4

2.2 三维数学模型基础 4

2.2.1 三维模型 4

2.2.2 基本控制方程 8

2.2.3 湍流模型 9

2.2.4 模拟设置 9

2.3 模拟结果的网格无关性验证 10

第3章 射流搅拌反应器的结构参数对混合均匀性的影响 12

3.1气体在射流搅拌反应器内的混合过程 12

3.2 喷嘴之间角度对混合均匀性的影响 18

3.3 喷嘴朝向对混合均匀性的影响 22

3.4 反应器出口大小对混合均匀性的影响 28

第4章 全文总结及展望 33

4.1 全文总结 33

4.2 展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

目前化石燃料是全球的主要能源，但化石燃料是不可再生能源，已发现的化石燃料的储量逐渐满足不了越来越高的需求^[1]。并且化石燃料的大量使用会产生氮氧化合物、碳氧化合物等污染物，给环境带来很大的压力。为了逐步减少对化石能源的需求，加快能源转变，全球正在大力开发和利用生物质燃料。生物质燃料是一种可再生清洁能源，来源广，抗爆性强，燃烧温度较低，有利于降低氮氧化合物的排放。在此背景下，生物质燃料的气相反应动力学的研究以及瞬态物质的检测和鉴定引起了广泛的关注。这些研究通常是在一定压力和温度范围内进行的，其所运用的实验设备有快速压缩机、激波管、静态反应器、流式反应器和射流搅拌反应器等。

射流搅拌反应器(jet-stirred reactor,简称JSR)是一种理想的连续搅拌式反应器，常用于研究燃料高温和低温燃烧过程中气态或预蒸发液体的氧化特性，其具有高效的气相混合效率，可使反应器内和出口的气体组成具有一致性，可通过结合色谱等分析技术为构建、验证和完善生物质燃料的化学动力学机理提供必要的实验数据，在过去的几十年中被广泛用于研究气相化学动力学^[2]。射流搅拌反应器的结构参数是影响其混合效率的重要因素，为了研究不同结构参数的射流搅拌器的混合效率，本课题通过对不同结构参数的射流搅拌反应器内气体流动混合过程的模拟计算，分析反应器内部气体的混合过程及混合均匀性，以达到优化结构参数，得到更均匀混合的目的。

1.2 射流搅拌反应器的研究现状

目前，部分国外学者针对不同结构的射流搅拌反应器进行了研究。最早，David等^[3]最先提出了关于射流搅拌反应器的三个设计原则：(1)四个喷嘴的射流必须是湍流的；四个喷嘴必须能够很好的混合反应器中整个气相，射流必须提供非常强烈的内部循环流；喷嘴出口处的射流速度不得超过声速。Dagaut等^[4]设计了一种球形室直径为40毫米，喷嘴内径为1毫米的均相气相球形反应器，并且整个反应器均由石英制成，其能够在高压(约1 MPa)下快速混合，反应物和载体气体通过锥形入口流入球体顶部。学者们使用Dagaut设计的这种射流搅拌反应器进行了许多化学动力学研究。在Dagaut设计的反应器的基础上Rota等^[5]设计了一种新型的带有四个喷嘴的球形腔装置，设计上的重大改变是反应产生的废气从球形上方四个孔排出反应器，同时对进入反应器的混合物进行预热，反应器停留时间比之前的设计短大约0.1秒。

由于射流搅拌反应器常被人们用来进行化学动力学研究，需要其具有高效的混合效率，因此学者们针对提高反应器的混合效率做了进一步的研究。其中，Gil等^[6]将圆柱形反应器与球形和锥形反应器的混合进行比较，由比较结果得知圆柱形反应器的结构对于在圆柱形加热炉中进行恒定温度的试验更加方便，并且在关于碳氢气体燃料扩散火焰的动力学研究中，圆柱形反应器更加完美。Michael Crawford等^[7]针对射流搅拌反应器内气体的混合进行了研究，通过流体动力学(CFD)软件模拟射流搅拌反应器内气体的混合。他通过对一些经典的射流搅拌反应器模型进行模拟，跟踪惰性示踪脉冲，将反应器内的混合可视化。通过研究结果表明，经典的射流搅拌反应器模型中可能存在明显的浓度不均匀现象，不适合化学动力学研究。因此对于射流搅拌反应器的优化可以改善浓度的均匀性，Michael Crawford提出了一种可以替代的环形反应器的几何结构，该结构能使反应物快速均匀混合。Ayass WassimW等^[8]对不同类型射流搅拌反应器内部的混合过程进行深入研究。在现有的射流搅拌反应器的基础上，对射流搅拌反应器装置进行了修改和评估，并为每个反应器提出了最佳的实验条件并研究了不同球形反应器直径、喷嘴直径和喷嘴类型(十字型和倾斜型)对混合产生的影响。通过高速摄像机、激光吸收光谱技术以及CFD模拟，对六个反应器进行评估。高速摄像机示踪实验提供了关于实际流场的独特定性信息。当使用激光技术时，通过确定各反应器的实验停留时间分布(RTD)曲线，可以进行定量分析。最后通过CFD模拟来预测不同停留时间下的RTD曲线以及射流搅拌反应器的混合水平。最终得出采用反应器直径为40 mm、喷嘴直径1 mm的倾斜喷嘴结构是低至0.4 s的停留时间条件下进行相关试验的最佳选择，而对于中、高停留时间0.5 s-5 s，建议使用具有交叉喷嘴的反应器直径为56 mm、喷嘴直径为0.3 mm的射流搅拌反应器。