超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

多相反应体系的微界面强化简述

加氢、氧化等气液慢反应过程广泛存在于现代过程工业之中,这些反应过程一般受传质速率控制。因此,对这类多相反应体系的传质强化一直是研究热点之一。但总体而言,除外场和微通道（微流控）强化等一类强化反应器外,以往的研究大多集中于界面尺度为毫-厘米级的传统反应器的搅拌与混合方式、气泡分布状态、流体流型、构效关系等方面,而鲜有将研究视角投放到传统以米为直径计量单位的反应器平台上如何构建尺度为微米级的界面体系及其特殊效应方面。探讨了多相反应体系的微界面反应强化理念,并简述了微界面的涵义、微界面反应强化与构效调控方法、微界面反应器的结构与形成原理、微界面体系的微颗粒测试与相界面表征技术、微界面反应强化面临的问题与挑战等,以与本领域同行共同研讨。     

多相反应体系的微界面强化简述

加氢、氧化等气液慢反应过程广泛存在于现代过程工业之中,这些反应过程一般受传质速率控制。因此,对这类多相反应体系的传质强化一直是研究热点之一。但总体而言,除外场和微通道(微流控)强化等一类强化反应器外,以往的研究大多集中于界面尺度为毫-厘米级的传统反应器的搅拌与混合方式、气泡分布状态、流体流型、构效关系等方面,而鲜有将研究视角投放到传统以米为直径计量单位的反应器平台上如何构建尺度为微米级的界面体系及其特殊效应方面。探讨了多相反应体系的微界面反应强化理念,并简述了微界面的涵义、微界面反应强化与构效调控方法、微界面反应器的结构与形成原理、微界面体系的微颗粒测试与相界面表征技术、微界面反应强化面临的问题与挑战等,以与本领域同行共同研讨。     

气液反应体系相界面传质强化研究

气液反应界面传质的强化是当今高效和节能反应器研究的重要课题,弄清反应器内的气液传质机理是对气液反应器进行数学描述的关键。反应过程的能效和物效与体系中的传质系数k_G,k_L,k_S以及相界面面积a等参数直接相关,这些参数受气泡尺寸、分布、表观气速和气含率等因素的制约。就确定的体系和反应条件而言,这些因素会因反应器的结构尤其是搅拌和混合方式的变化而异。文章从理论上分析了影响气液界面传质的各因素,建立了较为详细的理论模型。理论计算结果表明:气泡大小是影响气液界面传质和最终反应速率的重要流体力学参数,微米级气泡对反应过程的强化作用明显。能量耗散率是决定体系气泡大小的深层原因,强化气液反应器设计时应重点考虑。     

等离子体多相反应器基础研究和过程强化

等离子体是物质第四态,其中大量高能活性粒子的存在,使得等离子体强化的化学反应过程展示出特殊外场作用下的非常规行为。一方面,等离子体提供的高活性环境,可以从原子/分子尺度大大强化化学反应过程,特别是实现非常规条件下的反应;另一方面,等离子体的特有性质,在介观尺度改变了相间接触行为,形成区别于常规多相流的独特的流体力学、传递和反应特性。本文概述了将低温等离子体的理化特性与多相反应过程集成,所形成的相关基础研究和低温等离子体反应器的工业发展,包括热等离子体煤制乙炔,冷等离子体气固催化、氯化聚氯乙烯合成以及气液等离子体反应过程。     

气液微反应器研究及展望

气液微反应器具有效率高,速度快,操作灵活,易于装卸和运输的特点,是作为实现过程强化、满足绿色化工生产的重要设备之一。对各种新型气液微反应器进行了介绍,阐述了气液微反应器内流动特性和传质特性,最后对其未来进行了展望。     

超重力多相催化反应器的研究进展

针对本征反应速率为快速反应的多相催化过程,其宏观反应速率一般受限于相间传质速率。基于超重力技术良好的传质强化特征,以及超重力装备关键机械部件在高温高压条件下稳定运行的突破,超重力反应器应用于多相催化反应,逐步展现了反应过程强化的潜力。本文主要对近年来本中心研制的超重力多相催化反应器在气液、气固以及气液固体系的研究进行综述,并对超重力多相催化反应器的发展前景进行了展望。     

微气泡耦合生物反应器的研究进展

微气泡具有气液接触面积大、气体溶解速率快、上升速度慢和水中停留时间长等理化特征，非常适合于高气液传质效率需求的生物发酵过程。本文介绍了能够耦合生物反应器的几种微气泡发生装置，分别为微气泡分散器、微孔膜、流体振荡器耦合微孔膜和微气泡曝气搅拌桨；并简述了微气泡发生装置耦合搅拌式生物反应器、气升式生物反应器和生物膜反应器在生物反应过程的应用进展；最后回顾了二氧化碳微气泡在生物反应器的应用研究进展。指出微气泡耦合生物反应器的研究仍处于起步阶段，在放大规律和能耗方面仍处于研究空白。微气泡耦合生物反应器的发展对工业生物技术、石油化工、污水处理和资源再利用等的发展具有重要的意义。     

气液等离子体过程强化技术及其在高级氧化过程的应用

气液等离子体过程强化技术是20世纪80年代发展起来的一门新兴交叉学科,在高级氧化过程、液相化学合成和纳米材料制备等领域具有巨大的研究与应用价值。从化学工程的角度理解,气液等离子体过程强化技术的本质是特殊外场作用下的多相传递与反应过程,其中涉及高能电子碰撞、化学活性组分氧化、紫外光解和冲击波等多种物理与化学作用。由于气液等离子体过程强化技术本身的复杂性及多学科交叉性,对其复杂的物理与化学耦合机理还未得到充分认识,同时缺乏对气液等离子体反应器的系统研究及设计指导,从而极大程度地限制了该技术的进一步应用和发展。为全面认识气液等离子体过程强化技术,本文综述了近年来有关气液等离子体过程强化技术的诊断及机理研究进展,并剖析了气液等离子体反应器的设计思路,同时回顾和展望了气液等离子体高级氧化过程的最新研究进展,讨论了气液等离子体过程强化技术的研究方向。     

医药中间体催化氢化反应搅拌器的设计

针对医药中间体催化氢化过程,通过计算与分析确定了搅拌反应器型式,并进行了工业化对比。根据工业化运行的情况,验证了氢化搅拌的传质要以考虑反应物料为主,有的反应过程强化气液传质反而对反应不利,该脱保护基氢化反应过程应采用弱吸气的搅拌强化气液传质,选用了表面曝气搅拌器。工业化应用验证了设计思路的正确性,可供氢化工业化设计参考。     

反应传递多尺度耦合的拟颗粒模拟

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展,传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势,显著简化了分子间作用模型,极大提高了计算效率,为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景,阐述其基本思想,并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。     

第二液相对气液二相体系传质的影响

以CO2气体-K2CO3/KHCO3水溶液吸收过程为研究体系,用酸解法测量气体被吸收的速率,通过对比试验考察了加入第2液相(有机相)对体系传质速率的影响。经过试验研究证明,第2液相的加入对气液传质过程的影响程度与加入的物质有关,在试验条件下甲苯对体系强化作用高于异辛醇和庚烷对体系的强化作用。当第2液相加入量较小时,随加入量的增加,其对气液传质过程的促进作用增强,但当第2液相加入量较大时,这种作用则不明显。同时第2液相对传质作用的影响与流动场有关,增加流动场的搅动有助于强化气液传质作用。     

精馏技术研究进展与工业应用

精馏是化学工业中应用最广泛的关键共性技术,广泛应用于石油、化工、化肥、制药、环境保护等行业。精馏具有应用广泛、技术成熟等优点,但存在设备投资大、分离能耗高等问题,因此研究开发新型高效传质元件、开发新型节能精馏技术,具有重要的社会意义和经济价值。本文从精馏塔类型、流体力学性能、传质性能、塔器大型化、过程节能、过程强化等方面,介绍了精馏技术的研究进展与工业应用。对于板式塔,从气液两相流动状态、压降、漏液和雾沫夹带方面研究了塔板的流体力学性能;对于填料塔,从压降、液泛和持液量方面研究了填料塔的流体力学性能,但目前的研究仍以经验关联式为主,缺乏严谨的的理论模型。对于气液两相的传质性能研究,简述了气液两相传质理论,但科学、精准的传质模型尚未提出。对于塔器大型化的应用研究,介绍了塔板、气液分布器和支撑装置等大型化关键技术的工业应用。从精馏过程典型节能技术、耦合节能技术、流程节能技术、低温余热回收和特殊精馏等方面,介绍了精馏过程节能与强化的应用进展。文章最后对精馏过程的传质、强化和集成进行了展望。     

Microinterface intensification in hydrogenation and air oxidation processes

Hydrogenations and air oxidations usually have low apparent reaction rate, generally controlled by mass transfer rate, and widely exist in the modern chemical manufacturing process. The key to increase the mass transfer rate is the reduction of the liquid film resistance 1/k_La. In this work, the original concept of microinterface intensification for mass transfer and then for these reactions has been proposed. We derived the regulation model and set up the mathematical calculation method of micron-scale gas-liquid interface structure on mass transfer and reaction, designed the mechanical energy exchange device that can produce gas-liquid microinterface system on a large scale, and established the OMIS system which is able on line to measure the diameter and distribution of millions of microbubbles, interface area a and mass transfer film thickness δ_M, as well as developed a series of microinterface intensified reactor systems (MIRs) for the applications of hydrogenation and air oxidation processes. It is believed that this research will provide an up-to-date development for the intensification of hydrogenation and air oxidation reactions.     

亚硫酸铵微界面强化氧化特性研究

以亚硫酸铵水溶液的空气氧化为研究对象，考察了微界面强化对该体系传质与氧化过程的影响。在同一实验平台和操作工况下，对微界面强化与传统鼓泡塔氧化过程的传质和反应性能进行了实验研究。利用高速摄像与压差测量技术，分别对反应过程的空气气泡分布与气含率变化进行了测定。结果表明，相较于传统鼓泡塔空气氧化反应器，微界面强化氧化反应器以微界面体系取代了传统毫-厘米级宏界面，在不同盐离子浓度与氧化气量工况下均表现出了良好的强化效能。在微界面体系强化下，亚硫酸铵氧化过程气含率大幅提升，相界面积增加十余倍，反应速率平均提升56.8%，实验结论为微界面强化反应器的多相反应体系工业应用提供了一定的数据支撑。     

Study on the characteristics of micro-interface intensified oxidation of ammonium sulfite

The process intensification of interfacial area and reaction conditions in multi-phase systems are important issues in industrially scaled reactors. In order to investigate the intensifying effect of micro-interface system on gas-liquid mass transfer and reaction rate, the ammonium sulfite oxidation was selected as the research object. A systematic air forced oxidation experiment was carried out through the micro-interface intensification reactor (MIR) and the traditional bubble column reactor (BCR) under the same experiment platform and operating conditions. The bubble size distribution and overall gas holdup were measured by high-speed camera technology and differential pressure measurement, respectively. The experimental results showed that MIR obtained higher gas holdup because of the micro-interface structure, the interfacial area was increased by more than 10 times, the reaction rate increased by 56.8% averagely compared with BCR. The experimental conclusions provide certain data support for the industrial application of the multiphase reaction system of the micro-interface intensification reactor.     

超重力场内气液传质强化研究进展

气液传质过程广泛存在于化学工业当中。气液传质强化技术的研究, 对缩短工艺流程、缩小设备尺寸、降低投资和运行成本等具有重要的意义。以旋转床为核心装备的超重力技术, 是气液传质过程强化的有效技术之一。经过30多年的发展, 超重力过程强化技术在基础和应用研究方面都取得了长足的进展, 特别是在受混合和传递限制的过程中得到广泛应用。本文从旋转床转子结构出发, 综述了整体旋转式、双动盘式、动静结合式等转子结构的超重力旋转床气液传质强化的研究进展和理论成果, 并展望了超重力旋转床气液强化传质的发展方向。     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.