旋轉(zhuǎn)填充床中液體宏觀分布的研究

顆粒分散相模型“脫離失所有一個(gè)概念”這個(gè)詞誕生了40多年。許多研究人員在八個(gè)微混合環(huán)境中進(jìn)行了研究，并提出了不同的經(jīng)驗(yàn)和理論模型。其中，波旋滾吸模型和bohreat模型成功地模擬了各種混合設(shè)備中微觀混合對(duì)快速?gòu)?fù)雜反應(yīng)體系產(chǎn)物分布的影響，被認(rèn)為是目前相對(duì)合理的模型。然而在Bourne的研究所涉及的反應(yīng)器中,液體均為連續(xù)相。在旋轉(zhuǎn)填充床中,由于旋轉(zhuǎn)填料的粉碎作用,液體是分散相,完全不符合渦旋卷吸模型,而Curl提出的聚并分散模型與此相符。該模型將流體分為眾多不相混溶的聚集體,通過(guò)聚集體兩兩之間的碰撞、聚并和再分散來(lái)實(shí)現(xiàn)混合過(guò)程。采用聚并分散模型來(lái)預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)填充床中轉(zhuǎn)速及流量對(duì)1-萘酚與對(duì)氨基苯磺酸重氮鹽這一偶氮化合反應(yīng)體系產(chǎn)物分布的影響,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。1填料的分類及過(guò)程填料由RS鋼波紋絲網(wǎng)一層層纏繞而成,共50層,將填料簡(jiǎn)化為圖1(a)所示的50層同軸圓柱,每層展開(kāi)后形狀如圖1(b)所示。由噴口噴出、徑向速度為出口速度、周向速度為零的初始液體射流在與第一層填料相遇時(shí)可分為兩部分:一部分液體由填料的空隙間穿過(guò),不受絲的影響,繼續(xù)保持原有方向;另一部分液體則為填料所捕獲,附于絲上,它們還獲得了與填料相同的周向速度,并在離心力的作用下繼續(xù)向外流動(dòng)。到達(dá)第二層填料的液體可以分為兩部分,一部分是保持原狀的液體射流,另一部分則是從第一層填料上流出來(lái)的液體,它們又各自有一部分被第二層填料所捕獲,另一部分保持原狀通過(guò),第三層填料上的情況也大致類似,如此進(jìn)行,直至液體到達(dá)填料層外緣。假定:所有液體微元(液滴、液絲和液膜)的體積相等,它們之間的混合發(fā)生在被每層填料捕獲時(shí)出現(xiàn)的兩兩聚并分散,而未被填料捕獲的液體微元間不發(fā)生混合。2離集指數(shù)xs以1-萘酚(A)與對(duì)氨基苯磺酸重氮鹽(B)在堿性緩沖溶液(Na2CO3和NaHCO3各10mol/m3)中偶氮化合這一競(jìng)爭(zhēng)串聯(lián)反應(yīng)作為工作體系,其化學(xué)反應(yīng)式可以簡(jiǎn)單表示如下:A+B→k1RB+R→k2SA+B→k1RB+R→k2S該反應(yīng)是一對(duì)快速反應(yīng),其中反應(yīng)速率常數(shù)k1比反應(yīng)速率常數(shù)k2大三個(gè)數(shù)量級(jí)。二次產(chǎn)物S的選擇率XS(XS=2cS2cS+cR)XS(XS=2cS2cS+cR)就被用作離集指數(shù),表征微觀混合質(zhì)量的好壞。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,反應(yīng)物A和B溶液分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)槽內(nèi),由兩個(gè)離心泵經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)從中心處進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi),通過(guò)液體進(jìn)口管噴到填料上,液體在離心力的作用下沿填料孔隙由轉(zhuǎn)子內(nèi)緣向轉(zhuǎn)子外緣流動(dòng),并在此期間相互混合,在填料外緣處甩到外殼上,最后在重力作用下匯集到出口處流出。實(shí)驗(yàn)中改變的各實(shí)驗(yàn)條件范圍如下:轉(zhuǎn)速n(r/min)為0~1940;流量qv(L/h)為63~147。其它實(shí)驗(yàn)條件為:室溫(292±3)K;兩者摩爾比1∶1;濃度(c0)為0.05mol/m3(流量在無(wú)特別說(shuō)明時(shí)均為A與B的流量之和;濃度在無(wú)特別說(shuō)明時(shí)均為A與B混合后的濃度而非其在儲(chǔ)槽中的溶液濃度)。實(shí)驗(yàn)時(shí),轉(zhuǎn)速由調(diào)頻變速儀控制,然后用手持轉(zhuǎn)速儀實(shí)測(cè);流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)前的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。在出口處取樣,然后立即送到分光光度計(jì)上測(cè)定其吸光度,再根據(jù)Lambert-Beer定律,用線性回歸法求出產(chǎn)物R與S的濃度,計(jì)算出離集指數(shù)XS。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,將得到的XS值取平均值使用。3液體微元數(shù)目對(duì)填料過(guò)濾效率的影響輸入旋轉(zhuǎn)填充床的操作條件,計(jì)算出床內(nèi)液體平均停留時(shí)間及液滴平均直徑等參數(shù)。液體微元的大小即由液滴平均直徑確定。假定液體通過(guò)每層填料所需的時(shí)間t相同。在每層填料上,按照捕獲概率計(jì)算出被該層填料捕獲的液體微元數(shù)目,采用MontoCarlo方法對(duì)這些微元進(jìn)行兩兩聚并,完全混合均勻并發(fā)生反應(yīng),經(jīng)過(guò)時(shí)間段t后,到達(dá)下層填料,并在這之前一瞬間將每個(gè)聚并后的微元分散成為兩個(gè)大小及內(nèi)容都完全相同的液體微元,如此一直計(jì)算到填料層出口。液體微元從填料中出來(lái)后,假定所有的液體微元都混合均勻,并在此條件下將反應(yīng)物B耗盡,得到出口溶液的濃度組成。液體在旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)平均停留時(shí)間、液滴平均直徑和進(jìn)口射流被各層填料捕獲的概率根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算而得;模擬結(jié)果表明,當(dāng)消除隨機(jī)過(guò)程造成的差別后(每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)計(jì)算10次,將得到的XS取平均值),液體微元數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。在實(shí)際模擬時(shí),所用微元數(shù)目為400個(gè);已被捕獲過(guò)的微元被各層填料再次捕獲的概率則由微元的大小及圖1所示的填料結(jié)構(gòu)計(jì)算而得;由于反應(yīng)物A和B,產(chǎn)物R和S的濃度均極低,在反應(yīng)過(guò)程中整個(gè)體系被認(rèn)為是恒溫、恒密度(與純水相同),為計(jì)算方便,各種反應(yīng)物及產(chǎn)物在水溶液中的擴(kuò)散系數(shù)取為7×10-10?m2/s。4結(jié)果與討論4.1旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)物宏觀分布的研究圖3給出了轉(zhuǎn)速對(duì)XS影響規(guī)律的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模擬結(jié)果有兩條線,實(shí)線是假定液體宏觀分布完全均勻得到的,而虛線則假定有10%的反應(yīng)物A溶液直到出口才參加混合。由圖可見(jiàn),轉(zhuǎn)速升高,XS下降,但下降趨勢(shì)逐漸減緩,最后趨近于定值。由前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,轉(zhuǎn)速升高,液體平均停留時(shí)間變短,在兩層填料間停留時(shí)間也相應(yīng)變短,液體微元間聚并分散頻率加快,因此XS值減小。圖3中,假定液體宏觀分布完全均勻得到的結(jié)果盡管在趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相吻合,在數(shù)值上卻相差較遠(yuǎn),而假定反應(yīng)物A溶液有10%不參與床內(nèi)混合,所得到的結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近,這表明在旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)物A和B的宏觀分布并非完全均勻。至于轉(zhuǎn)速較低時(shí),模擬值上升過(guò)快則是由于模型中所采用的平均停留時(shí)間經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在轉(zhuǎn)速較低時(shí)誤差過(guò)大造成的。4.2流量對(duì)xs影響在n((1220±5)r/min)、α(20)、c0(0.05mol/m3)固定不變的情況下,改變流量進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。圖中兩條模擬線的意義同前。由圖可見(jiàn),流量增加,XS略有下降;忽略宏觀分布影響得到的值遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值,而考慮宏觀分布后則與實(shí)驗(yàn)值相近,其差別可認(rèn)為是正?，F(xiàn)象。流量的影響原因主要也在于其對(duì)停留時(shí)間的影響,隨著流量增加,液體在旋轉(zhuǎn)填充床中平均停留時(shí)間降低,XS下降。5模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較表明,聚并分散模型基本上能正確反映出轉(zhuǎn)速及流量對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)微觀混合的影響情況,然而假定旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)液體宏觀分布均勻時(shí),得到的結(jié)果遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值,而考慮了宏觀分布的模擬結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)值相近。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果均表明:提高轉(zhuǎn)速及