旋转填充床中液体宏观分布的研究

旋转填充床中液体宏观分布的研究

颗粒分散相模型“脱离失所有一个概念”这个词诞生了40多年。许多研究人员在八个微混合环境中进行了研究，并提出了不同的经验和理论模型。其中，波旋滚吸模型和bohreat模型成功地模拟了各种混合设备中微观混合对快速复杂反应体系产物分布的影响，被认为是目前相对合理的模型。然而在Bourne的研究所涉及的反应器中,液体均为连续相。在旋转填充床中,由于旋转填料的粉碎作用,液体是分散相,完全不符合涡旋卷吸模型,而Curl提出的聚并分散模型与此相符。该模型将流体分为众多不相混溶的聚集体,通过聚集体两两之间的碰撞、聚并和再分散来实现混合过程。采用聚并分散模型来预测旋转填充床中转速及流量对1-萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐这一偶氮化合反应体系产物分布的影响,并与实验结果进行了比较。1填料的分类及过程填料由RS钢波纹丝网一层层缠绕而成,共50层,将填料简化为图1(a)所示的50层同轴圆柱,每层展开后形状如图1(b)所示。由喷口喷出、径向速度为出口速度、周向速度为零的初始液体射流在与第一层填料相遇时可分为两部分:一部分液体由填料的空隙间穿过,不受丝的影响,继续保持原有方向;另一部分液体则为填料所捕获,附于丝上,它们还获得了与填料相同的周向速度,并在离心力的作用下继续向外流动。到达第二层填料的液体可以分为两部分,一部分是保持原状的液体射流,另一部分则是从第一层填料上流出来的液体,它们又各自有一部分被第二层填料所捕获,另一部分保持原状通过,第三层填料上的情况也大致类似,如此进行,直至液体到达填料层外缘。假定:所有液体微元(液滴、液丝和液膜)的体积相等,它们之间的混合发生在被每层填料捕获时出现的两两聚并分散,而未被填料捕获的液体微元间不发生混合。2离集指数xs以1-萘酚(A)与对氨基苯磺酸重氮盐(B)在碱性缓冲溶液(Na2CO3和NaHCO3各10mol/m3)中偶氮化合这一竞争串联反应作为工作体系,其化学反应式可以简单表示如下:A+B→k1RB+R→k2SA+B→k1RB+R→k2S该反应是一对快速反应,其中反应速率常数k1比反应速率常数k2大三个数量级。二次产物S的选择率XS(XS=2cS2cS+cR)XS(XS=2cS2cS+cR)就被用作离集指数,表征微观混合质量的好坏。实验流程如图2所示,反应物A和B溶液分别装在两个储槽内,由两个离心泵经转子流量计从中心处进入旋转填充床内,通过液体进口管喷到填料上,液体在离心力的作用下沿填料孔隙由转子内缘向转子外缘流动,并在此期间相互混合,在填料外缘处甩到外壳上,最后在重力作用下汇集到出口处流出。实验中改变的各实验条件范围如下:转速n(r/min)为0~1940;流量qv(L/h)为63~147。其它实验条件为:室温(292±3)K;两者摩尔比1∶1;浓度(c0)为0.05mol/m3(流量在无特别说明时均为A与B的流量之和;浓度在无特别说明时均为A与B混合后的浓度而非其在储槽中的溶液浓度)。实验时,转速由调频变速仪控制,然后用手持转速仪实测;流量由转子流量计前的调节阀调节。在出口处取样,然后立即送到分光光度计上测定其吸光度,再根据Lambert-Beer定律,用线性回归法求出产物R与S的浓度,计算出离集指数XS。为保证实验数据的可靠性,每个实验重复三次,将得到的XS值取平均值使用。3液体微元数目对填料过滤效率的影响输入旋转填充床的操作条件,计算出床内液体平均停留时间及液滴平均直径等参数。液体微元的大小即由液滴平均直径确定。假定液体通过每层填料所需的时间t相同。在每层填料上,按照捕获概率计算出被该层填料捕获的液体微元数目,采用MontoCarlo方法对这些微元进行两两聚并,完全混合均匀并发生反应,经过时间段t后,到达下层填料,并在这之前一瞬间将每个聚并后的微元分散成为两个大小及内容都完全相同的液体微元,如此一直计算到填料层出口。液体微元从填料中出来后,假定所有的液体微元都混合均匀,并在此条件下将反应物B耗尽,得到出口溶液的浓度组成。液体在旋转填充床内平均停留时间、液滴平均直径和进口射流被各层填料捕获的概率根据前人的实验结果计算而得;模拟结果表明,当消除随机过程造成的差别后(每个实验条件下重复计算10次,将得到的XS取平均值),液体微元数目对计算结果没有影响。在实际模拟时,所用微元数目为400个;已被捕获过的微元被各层填料再次捕获的概率则由微元的大小及图1所示的填料结构计算而得;由于反应物A和B,产物R和S的浓度均极低,在反应过程中整个体系被认为是恒温、恒密度(与纯水相同),为计算方便,各种反应物及产物在水溶液中的扩散系数取为7×10-10?m2/s。4结果与讨论4.1旋转填充床反应物宏观分布的研究图3给出了转速对XS影响规律的模拟和实验结果。模拟结果有两条线,实线是假定液体宏观分布完全均匀得到的,而虚线则假定有10%的反应物A溶液直到出口才参加混合。由图可见,转速升高,XS下降,但下降趋势逐渐减缓,最后趋近于定值。由前人的实验结果可知,转速升高,液体平均停留时间变短,在两层填料间停留时间也相应变短,液体微元间聚并分散频率加快,因此XS值减小。图3中,假定液体宏观分布完全均匀得到的结果尽管在趋势上与实验结果互相吻合,在数值上却相差较远,而假定反应物A溶液有10%不参与床内混合,所得到的结果则与实验结果接近,这表明在旋转填充床中反应物A和B的宏观分布并非完全均匀。至于转速较低时,模拟值上升过快则是由于模型中所采用的平均停留时间经验关联式在转速较低时误差过大造成的。4.2流量对xs影响在n((1220±5)r/min)、α(20)、c0(0.05mol/m3)固定不变的情况下,改变流量进行模拟和实验,结果如图4所示。图中两条模拟线的意义同前。由图可见,流量增加,XS略有下降;忽略宏观分布影响得到的值远低于实验值,而考虑宏观分布后则与实验值相近,其差别可认为是正常现象。流量的影响原因主要也在于其对停留时间的影响,随着流量增加,液体在旋转填充床中平均停留时间降低,XS下降。5模拟结果与实验结果比较与实验结果进行比较表明,聚并分散模型基本上能正确反映出转速及流量对旋转填充床内微观混合的影响情况,然而假定旋转填充床内液体宏观分布均匀时,得到的结果远低于实验值,而考虑了宏观分布的模拟结果则与实验值相近。实验和模拟结果均表明:提高转速及