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气泡管内弹状流传递特性与晶层生长的研究

贠军贤  
【摘要】: 熔融结晶技术以其无需使用中间溶剂、操作条件温和、较精馏节能及可获得高纯度的产品等优点,近年来在有机物系分离与纯化领域引起了重视。Rütgers气泡塔结晶技术是层式熔融结晶的一种。它是通过向结晶管内熔体中引入气体,形成弹状流动,以增强熔体与晶层之间的热、质传递过程,实现物系高效分离和纯化的一种结晶方法。 针对气泡塔结晶器内的传递过程,本文用电化学方法,对零净液流量(ZNLF)条件下垂直管内弹状流壁面传递进行了实验研究,结果说明:当基于表观气速的Froude数Fr_G<0.74时,液体对壁面剪应力方向随弹状气泡和液塞的到来呈现向下和向上的交替变化特征,壁面传质系数和剪应力值随液膜下落而增大,随液塞到来而逐渐减小;当Fr_G>0.93时,壁面剪应力方向一直向下,液膜射流穿透了整个液塞段,控制了壁面传递过程。二者的转换发生在Fr_G=0.74~0.93之间,前者适于结晶操作。根据液膜和液塞段液体流动与传递特征的差异,将弹单元区分为层流液膜区、湍流液膜区、尾迹区及液塞发展段等四区,由实验数据得到了描述壁面传质的四区关联模型,并由热质类比得到了描述熔体—晶层界面对流传热膜系数的计算式。 在此基础上,对气泡管内晶层生长中的热质传递进行了分析,得到了描述单组分和双组分熔体晶层生长的数学模型及其近似解,并与己内酰胺—环己酮熔体物系的结晶实验进行了对比,吻合良好。随后,通过实验和理论分析,考察了晶层生长特征、晶层杂质包藏的分布与迁移及影响晶层纯度的弹状流操作条件。结果说明,在晶层生长的初期,弹单元内液膜区、尾迹区和液塞发展段的生长速率均较大;随着生长时间的增大,液膜区生长速率下降;在生长后期,弹单元内出现液膜区和液塞段“结晶—熔化”的交替生长,对晶层纯度的提高是有利的。同时,晶层杂质分布不均匀,是生长过程母液杂质被包裹进入晶层和母液包藏在温度梯度作用下迁移而离开晶层两个过程的综合结果。另外,弹状流参数对晶层纯度的影响,与液膜下落—液塞上升对晶层界面的交替冲刷及 大连理工大学博士学位论文 弹单元内结晶一融化发汗等两个过程密切相关,其合理配合可获得理想的分离 效果。 基于对气泡管内弹状流传递特征的分析,文中提出了一种新型的气泡塔结 晶器一外环流气泡塔结晶器,并用电化学方法,对带有阻力段外环流气泡管内 的流体动力学特征与壁面传递特征进行了实验研究,结果说明:外环流气泡管 弹单元内,壁面剪应力出现向上或向下的变化,但变化点不是规则地取决于弹 状气泡或液塞的到来和离开;由于循环流速的波动,使传递特征较ZNLF条件 下复杂。文中通过分析其弹状流动机理,基于系统压降与动量平衡关系,建立 了描述该系统流动的流体动力学模型,与实验结果吻合良好。 最后,对外环流气泡管内的晶层生长与晶层纯度问题进行了实验研究和理 论分析,并与ZNLF条件下气泡结晶管进行了对比;同时,建立了外环流结晶 管内晶层生长的非稳态模型,与实验结果基本符合。结晶实验说明,外环流条 件下一个弹单元内,液膜下落和液塞上升的交替变化使界面区杂质向熔体主体 的运移及结晶一发汗作用较ZNLF条件下的结晶管增强,晶层纯度得到了提高。 本文考察的气泡管内弹状流近似发展,与工业结晶管内的情况较接近。基 于外环流操作思想可开发适于工业应用的外环流气泡塔结晶器,可望较Rwgers 气泡塔结晶器进一步提高目标晶层的纯度和分离效果。


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