对流微通道反应器流动混合特性与应用研究
混合作为重要的化工单元操作之一，混合程度的好坏将直接影响化工过程尤其是化学反应和化工分离过程的效率。微反应器作为新型的过程强化技术手段，自被提出以来就因为其强化混合的特性而备受关注并被广泛应用。而一般的微反应器存在两个明显的缺陷:由于它们复杂的结构而难以加工和放大;此外，对于沉淀过程，较小的处理量和通道堵塞的问题也极大地限制了其实际应用。 基于上述分析，本文构建了结构简单的对流微通道反应器(Single Countercurrent-Flow Microchannel Reactor，S-CFMCR)，具有易于加工和不易堵塞的优点。该反应器主要通过流体在混合区对流接触混合而不需要强烈的撞击，这一特点使其能够在低流速下也能获得良好的混合效果，不仅减少了能量消耗也降低了反应器内压降和流体输送泵的负荷。并且通过将其并联能够实现连续和大规模生产的能力，同时几乎无放大效应，能够在需要强化混合的单元操作中被广泛应用。本文的主要研究内容如下: (1)借助CFD模拟技术可视化地研究了对流微通道反应器内的液体流动混合行为特性，并以此为基础对其数增放大过程进行优化来减弱放大效应，同时以实验手段验证了模拟的可靠性。结果表明:反应器内的流场均关于平面x=0呈对称分布，在混合区上壁面处会形成混合“死区”，流体流速在混合区中心点达到最小值，在流体对流处会形成一个高湍动区，湍动能最大值在反应器中心点偏下，由于反应器开放式的出口，为了使流体充分对流，入口流速不宜过大。在反应器的放大过程中，微通道避开反应器壳体中心排列和适当延长缓冲区长度都有利于减弱放大效应。 (2)借助Villermaux/Dushman反应体系用实验的方法研究了对流微通道反应器的微观混合效率及其影响因素，然后分别借助团聚模型和基于CFD的卷吸模型估算了不同操作条件下的微观混合时间。两种方法估算的微观混合时间较为接近，且反应器的微观混合性能无明显放大效应。微观混合时间均随入口体积流率的增大先减小后增大，在单通道体积流率为40mL min-1时，微观混合性能最佳。其中基于CFD的卷吸模型法估算微观混合时间的过程具有计算量小、无需实验和操作灵活的优点，是量化分析化学反应器微观混合效率的高效手段。 (3)基于对反应器流体流动和微观混合特性的研究，将其应用于制备新型超级电容器电极材料KMnF3，考察了微观混合时间对所制备材料形貌和电化学性能的影响。结果发现较短的微观混合时间下制备的材料具有更窄的粒径分布和更优异的电容性能，体现了对流微通道反应器操作条件对其内微观混合与沉淀反应过程的影响具有对应关系。沉淀过程中反应器最佳的入口体积流率为单管40mL min-1，也是微观混合性能最佳的操作条件。此外，经优化过的C-CFMCR在沉淀过程中只存在微弱的放大效应，并且所制备的样品比传统搅拌釜式反应器制得的样品具有更加规则和均一的形貌和更小的粒径，有望在宏量制备材料领域获得应用。 (4)考察了所制备的KMnF3作为超级电容器电极材料的电化学性能并阐述了其储能机理。在三电极体系下，电流密度为1Ag-1时，材料的比电容可达481Fg-1，循环充放电5000圈后的容量保持率仍高达94.6％。在二电极体系下，电流密度为1Ag-1时，元件的比电容可达29.6Fg-1。循环充放电5000圈后的容量保持率仍达81.2％，表明了其具有优异的循环稳定性，且在功率密度为386.3W kg-1时可提供13.1Wh kg-1的能量密度。 (5)进一步扩展了对流微通道反应器的应用范围，用其进行芦丁的溶剂萃取纯化研究。与入口体积流率对微观混合与化学反应沉淀过程的影响规律一致，萃取率随着入口体积流率的增大先增大后减小，表明了对流微通道反应器的操作条件对其内的混合过程、化学反应沉淀过程和液-液萃取分离过程的影响存在良好的对应关系。实验发现反应器在萃取分离过程同样不存在明显的放大效应。将其与搅拌槽式反应器进行萃取实验对比，结果表明相对于搅拌槽式反应器，对流微通道反应器在液-液萃取分离过程表现的更为高效和节约物料。
对流微通道反应器;流动混合;放大效应;电极材料;溶剂萃取
北京化工大学
博士
化学工程与技术
文利雄
2020
中文
TQ052
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）