学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

新型反应器微观混合—沉淀过程的理论、实验及应用研究

作　者: 向阳
导　师: 陈建峰
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程
关键词: 旋转填充床 微通道反应器 混合 沉淀 聚并-分散模型 CFD 硫酸钡 吉非罗齐
分类号: TQ03
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 230次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


典型的反应沉淀过程是两种液体混合后,反应产生过饱和度,然后发生成核、生长和团聚。如果沉淀动力学的时间尺度远长于混合时间,两股液体的混合过程快于反应,此时最后产物特性主要依靠物化参数,而不是混合条件。实际上,沉淀过程通常非常快,导致了在反应器内达到均匀过饱和度之前,成核、生长和团聚就已经开始了,这种不均匀过饱和度场产生不同的推动力,反过来影响了产物最后的特性,即产物粒子的形貌及粒度分布受到流体力学和混合过程控制。因此,为了改善产品特性以获得最大的经济效率,需要结合流体力学和混合机制来研究化学反应器的反应沉淀过程。因此本文研究了超重力旋转填充床反应器和微通道反应器内的混合-反应沉淀过程。基于前人对旋转填充床中可视化研究及微观混合的研究结果,本论文首先建立了能描述旋转填充床反应器(RPB)内液相反应沉淀过程(包括流体流动、混合、反应、成核及晶体生长)的数学模型。同时就BaCl2与Na2SO4反应生成BaSO4为沉淀体系,实验考察了旋转填充床的反应沉淀过程及各操作条件对产物粒子粒度分布的影响规律,这些工作为旋转填充床的工业应用及结构优化设计提供了理论基础。本文还对多种混合形式的微通道反应器内混合效率进行了研究,建立了CFD模型,考察了在微尺度下不同混合形式及操作参数对混合效率的影响；同时还实验考察了包括混合通道尺度、流量等操作条件对产物颗粒粒度分布的影响规律。最后,基于液相反应沉淀过程的实验和理论研究结果,开展了用超重力法(RPB为核心反应设备)制备纳米药物吉非罗齐的应用研究工作。本论文主要工作如下：1、在前人对RPB内流体流动的可视化观察结果和混合特征研究结果的基础上进行合理假设,结合物料衡算方程、粒度衡算方程及结晶动力学方程,采用聚并-分散模型(Coalescence-Redispersion Model)建立了旋转床内描述流体流动、混合、反应、成核及晶体生长的数学模型,提出了表征填料内液相微观混合强度的模型参数—聚并概率,并根据填料结构与液体微元间混合机制计算给出不同径向填料位置的聚并概率大小。2、设计了一台可实现沿填料径向取样的旋转填充床(RPB)进行BaSO4沉淀的实验研究,首次从实验上证实了RPB填料端效应区对液相反应沉淀过程的重要性。RPB的反应沉淀实验结果表明：提高转速可改善微观混合,使BaSO4产物颗粒粒径减小、粒度分布变窄；反应物流量的增加也会使粒度下降、分布变好,但当流量达到一定数值后这种下降趋势明显减缓；反应物初始浓度增加,粒度变小、分布变窄；在恒定的BaSO4产物浓度下,随反应物体积流量的增大,粒径稍有增大、分布变差。3、基于上面建立的旋转填充床中液相反应沉淀的数学模型,分析计算了聚并概率p、过饱和度、体积比及成核动力学对产物颗粒粒度分布的影响规律。模拟结果表明：成核级数越大,粒径及方差越大,所需填料层厚度增大；随晶核尺度增加,粒径及方差增大；提高反应物初始浓度或体积比,粒径及方差减小。模型的计算结果和实验结果基本吻合,能够正确反映操作参数(流量、转速等)对产物颗粒粒径的影响规律。这些研究结果,为进一步的研究以及旋转填充床的优化设计提供了理论基础。4、基于计算流体力学知识,从湍动理论出发,建立CFD模型并对多个混合形式的微通道反应器内流动情况及混合效率进行了数值计算。模拟结果表明：流动处于层流,物质间混合只能依靠分子扩散进行,通道内流体几乎处于完全离集的状态,流速加快后,辅以湍动扩散,混合效率迅速增大；物料流量增大,混合效率增加；进口物料体积流量比增大,混合效率加快；交叉点两流体混合角度越大,混合强度越高。基于对微通道反应器混合效率的研究结果,在Y型和线型微通道反应器中考察了各操作参数对粒度大小及分布的影响规律。实验结果表明：随混合通道尺度下降,产物颗粒平均粒径及无因次方差减小；提高反应物流量,粒径及方差下降,但是当流量提高到一定数值后这种下降趋势减缓；反应物浓度增大,过饱和度增加,粒径及方差下降,反应物体积流量比增大,粒径及方差下降。上述研究结果对于微通道反应器用于纳米颗粒的制备等相关领域具有一定的指导价值。5、基于对旋转填充床反应沉淀过程的理论及实验研究结果,利用超重力法制备出了具有窄粒度分布、平均粒径约80 nm纳微吉非罗齐颗粒,同时对纳微粉化药物进行了表征,开发出了超重力法制备纳米吉非罗齐的新工艺。

全文目录


摘要  6-10
ABSTRACT  10-24
符号说明  24-26
第一章 绪论  26-49
  1.1 引言  26-28
  1.2 反应沉淀(结晶)动力学  28-33
    1.2.1 晶核的形成  28-31
    1.2.2 晶体的生长  31-33
    1.2.3 凝并、破裂及老化  33
  1.3 反应沉淀过程的研究进展  33-37
    1.3.1 实验研究  33-34
    1.3.2 模型化研究  34-37
      1.3.2.1 微观混合模型简述  34-36
      1.3.2.2 混合-沉淀模型  36-37
  1.4 化学反应器  37-40
    1.4.1 搅拌釜反应器  37
    1.4.2 管式反应器  37-38
    1.4.3 Couette反应器  38
    1.4.4 微反应器  38-39
    1.4.5 旋转填充床  39-40
  1.5 目前存在的问题和选题意义  40-41
  1.6 本论文的研究内容  41-42
  参考文献  42-49
第二章 旋转填充床内反应沉淀过程的模型化研究  49-64
  2.1 引言  49
  2.2 旋转填充床中流体流动及微观混合研究简介  49-53
    2.2.1 旋转填充床内流体力学特性  49-51
      2.2.1.1 液体在填料内流动形态及分布  49-50
      2.2.1.2 液膜厚度  50-51
      2.2.1.3 液滴直径  51
    2.2.2 停留时间测定  51-52
    2.2.3 旋转填充床内微观混合特性  52-53
  2.3 混合-反应沉淀模型的构建  53-61
    2.3.1 物理过程的描述  53-54
    2.3.2 数学模型  54-59
      2.3.2.1 物料衡算方程  55-56
      2.3.2.2 粒数衡算方程  56-57
      2.3.2.3 矩和矩方程  57
      2.3.2.4 填料层中过饱和度及粒度  57-59
    2.3.3 模型参数的确定  59-61
      2.3.3.1 液滴直径  59
      2.3.3.2 停留时间  59
      2.3.3.3 聚并概率  59-61
  2.4 本章小结  61-62
  参考文献  62-64
第三章 旋转填充床内反应沉淀过程的实验研究  64-84
  3.1 引言  64
  3.2 实验体系  64-65
    3.2.1 工作体系的选择  64-65
    3.2.2 反应物溶液配制及药品  65
  3.3 实验流程及设备  65-69
    3.3.1 实验流程介绍  65-67
    3.3.2 实验设备及仪器介绍  67-69
  3.4 实验条件及产物表征  69-71
    3.4.1 实验条件  69-70
    3.4.2 产物粒子的分析与表征  70-71
      3.4.2.1 粒度及形貌  70
      3.4.2.2 晶型结构  70
      3.4.2.3 比表面积  70-71
  3.5 实验结果与讨论  71-80
    3.5.1 沿程的粒度分布  71-73
    3.5.2 过饱和度对粒度的影响  73
    3.5.3 体积比对粒度的影响  73-74
    3.5.4 流量对粒度的影响  74-76
    3.5.5 转速对粒度的影响  76-78
    3.5.6 XRD测试  78-79
    3.5.7 与传统反应器比较  79-80
  3.6 本章小结  80-82
  参考文献  82-84
第四章 旋转填充床内反应沉淀过程的模拟与实验验证  84-102
  4.1 引言  84
  4.2 混合-反应沉淀的总体模型  84-88
    4.2.1 数学模型方程  84-87
    4.2.2 模型参数的确定  87
    4.2.3 总体模型计算过程  87-88
  4.3 模拟结果与讨论  88-98
    4.3.1 液滴数目对粒径的影响  88-89
    4.3.2 聚并概率的影响  89-92
    4.3.3 结晶动力学的影响  92-95
      4.3.3.1 成核级数的影响  92
      4.3.3.2 晶核尺度的影响  92-95
    4.3.4 过饱和度的影响  95
    4.3.5 体积比的影响  95-98
  4.4 模拟与实验结果的比较  98-100
    4.4.1 填料厚度对粒径的影响  98
    4.4.2 流量对粒径的影响  98-99
    4.4.3 转速对粒径的影响  99-100
    4.4.4 模型的误差分析  100
  4.4 本章小结  100-101
  参考文献  101-102
第五章 微通道反应器内混合效率与反应沉淀过程的研究  102-124
  5.1 引言  102-103
  5.2 微通道反应器的混合效率  103-111
    5.2.1 数学模型方程  103-105
    5.2.2 混合效率的计算  105-107
    5.2.3 模拟结果与讨论  107-111
      5.2.3.1 流量的影响  107-108
      5.2.3.2 体积比的影响  108-109
      5.2.3.3 不同混合形式的影响  109-111
  5.3 微通道反应器内反应沉淀过程的实验研究  111-121
    5.3.1 实验方法及设备  111-114
      5.3.1.1 微通道反应器  111-112
      5.3.1.2 实验流程  112-114
    5.3.2 实验结果与讨论  114-121
      5.3.2.1 产品测试与表征  114
      5.3.2.2 流量对粒度的影响  114-117
      5.3.2.3 体积比对粒度的影响  117-119
      5.3.2.4 过饱和度对粒度的影响  119-121
  5.4 本章小结  121-122
  参考文献  122-124
第六章 旋转填充床应用于制备吉非罗齐纳米颗粒的研究  124-138
  6.1 引言  124-125
  6.2 实验所需的原料、设备及方法  125-130
    6.2.1 实验原料  125
    6.2.2 实验所需的仪器和设备  125-127
    6.2.3 实验方法  127-130
      6.2.3.1 实验原理  127-128
      6.2.3.2 实验过程  128
      6.2.3.3 分析测试方法  128-130
  6.3 实验结果与讨论  130-135
    6.3.1 吉非罗齐在NaOH溶液中的消耗量  130-131
    6.3.2 温度对吉非罗齐溶解度的影响  131
    6.3.3 体积比的影响  131-132
    6.3.4 流量的影响  132-133
    6.3.5 转速的影响  133
    6.3.6 其他表征及与原料药的比较  133-135
  6.4 本章小节  135-136
  参考文献  136-138
第七章 结论  138-140
致谢  140-141
攻读博士学位期间发表的学术论文  141-142
作者与导师简介  142

相似论文

  1. LNG系统中工作压力设定依据与换热器正交试验设计,TQ051.5
  2. 远程多轴步进电机控制驱动系统的研制,TM383.6
  3. 电动车用轴径向—轴向磁通复合结构永磁同步电机的研究,TM341
  4. 多重ANN/HMM混合模型在语音识别中的应用,TN912.34
  5. 节能与新能源汽车数据采集与高原适配技术探索研究,U469.7
  6. Fe，V共掺杂TiO2催化剂的合成、表征及其性能研究,O614.411
  7. 铁尾矿砂混凝土的配制与应用研究,TU528
  8. 电极和电解质对H2O2开路电位的影响研究,TM911.4
  9. 基于H∞控制理论的气动机械手夹持力控制系统的研究,TP241
  10. 碳酸根柱撑水滑石的制备及结构重构性能研究,TQ424.2
  11. 分阶段多级厌氧—交叉流好氧反应器处理印染废水中试研究,X791
  12. 粳稻穗角性状的遗传分离分析和QTL定位及关联分析,S511.22
  13. 西藏地区燕麦秸秆与苇状羊茅、多年生黑麦草混合青贮的研究,S816.53
  14. 基于遗传—牛顿算法的公交优化调度,TP18
  15. 鸡胸肉、腿肉混合肌原纤维蛋白热诱导凝胶特性的研究,TS251.1
  16. 玉米秸秆和牛粪混合厌氧发酵工艺优化研究,S216.4
  17. 基于HJ卫星混合像元分解的水稻生长监测技术研究,S511
  18. 添加啤酒糟提高玉米秸秆与农副产品混合青贮发酵品质的研究,S816.53
  19. 添加酒糟和糖蜜对箭筈豌豆与多年生黑麦草、苇状羊茅混合青贮发酵品质的影响,S816.53
  20. 免疫共沉淀联合质谱筛选肝核因子HNF3β相互作用蛋白质及初步功能研究,R341
  21. 细菌聚类算法及其在图像分割问题中的研究与应用,TP391.41

中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化学反应过程
© 2012 www.xueweilunwen.com