CN115106019B

CN115106019B - 平推流反应器和平推流反应器实验***

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Publication number: CN115106019B
Application number: CN202210725090.5A
Authority: CN
Inventors: 王昆; 沈位; 白世杰; 江杭朋; 梁兴雨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2042-06-23
Also published as: CN115106019A

Abstract

本发明公开了一种平推流反应器，包括：气化混合室，适用于对多种反应气体进行混合，以产生入射气流；扰流装置，包括：入射管，与气化混合室的出口相连，以接收入射气流；管状套筒，包括入射端和出射端，入射端与入射管相连接；以及挡流装置，包括：多个挡流板，安装在管状套筒内并依次排列，多个挡流板的外径尺寸从入射端到出射端依次递减，以对管状套筒内的入射气流进行流速调整；以及流动管反应器，与管状套筒的出射端相连接，适用于为出射端排出的混合气流提供化学反应的空间。通过设置扰流装置降低入射气流的速度，可以使反应气体获得更好的混合效果。

Description

平推流反应器和平推流反应器实验***

技术领域

本发明属于燃烧化学实验领域，尤其涉及一种利用多级扰流装置的平推流反应器和平推流反应器实验***。

背景技术

燃烧化学模型在燃烧化学反应动力学研究中有助于理解化学反应和流动的相互作用，以及可以为提高燃烧效率和识别及消除污染物提供指导。燃烧化学模型的开发，依赖于大范围条件下获得的实验数据。当前常用的基础燃烧反应动力学实验设备包括平推流反应器、层流火焰燃烧器和激波管反应器等。通过与先进的分析技术相结合，研究者可以获得验证传统碳氢燃料、新型低碳/零碳燃料或可再生生物质燃料的燃烧动力学燃烧模型所需的数据。

其中，平推流反应器适用于在燃烧化学基础实验中测量反应物、中间物种和燃料氧化或热解最终产物的浓度，或燃料与其他化合物(例如NOx、 SOx、CO2和H2O)的相互作用。它们通常在低于1500K的温度和低于 50bar的压力下工作，对于研究燃料的高温热解、低温氧化等化学反应过程特别有效。在大多数试验中，通过对高燃料进行稀释(100–1000ppm)来避免火焰的发生和较大的温度梯度。

平推流反应器是理想状态下以平推流流动形式进行化学反应的反应器。平推流的理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。平推流反应器中穿过的流体混合物以与进入时相同的顺序排出。混合物分子的排列顺序在器内保持不变，其停留时间等于理论停留时间。该反应器中，混合气将均匀沿轴向方向推进，而不存在径向上的浓度梯度。在平推流反应器中，可以沿反应器轴线观察化学反应，因此实现了用空间位置表征反应停留时间，在反应器的多个轴线位置测试产物分布，即可得到产物演变的时间历程。

平推流反应器的设计中，尤其需要关注两点问题。其一，反应物浓度作为化学反应动力学的初始条件，需要被精确控制，因此进入平推流内的混合气须保证充分混合；其二，平推流内的流动状态需要尽可能接近上述的平推流假设，以实现对实验边界条件的精确掌握，减小实验误差。

为获取更好的混合效果，经过汽化混合室充分加热汽化的混合气，在进入平推流反应器前所经过的气路一般具有较小的管径(小于10mm)。而为保持流场稳定，接***推流假设，平推流反应器管径通常与进气管路等径。然而，平推流反应器的管径过小，会导致边界层效应明显，且无法满足同一工况条件下多位置采样的需求。目前，部分平推流反应器受其制约，常采用小管径设计、末端采样的方式。这样的试验方案使得平推流反应器所能获取的数据受到极大制约，难以取得同一反应条件下不同反应时间的检测数据，对同一工况下的基础燃烧化学数据获取严重不足。而采用 30mm大内径的平推流反应器会造成在平推流反应器入口处的管径的突变，从而使得流场不均匀，而且这种不均匀性会随着入口流量的增大而更加显著。

发明内容

为解决现有技术中的上述和其他方面的至少部分技术问题，根据本发明一个方面的实施例，提供一种平推流反应器和平推流反应器实验***，通过设置扰流装置连接气化混合室和流动管反应器，可以使反应气体在流动管反应器内获得更好的混合效果。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种平推流反应器，包括：

气化混合室，适用于对多种反应气体进行混合，以产生入射气流；

扰流装置，包括：

入射管，与气化混合室的出口相连，以接收入射气流；

管状套筒，包括入射端和出射端，入射端与入射管相连接；以及

挡流装置，包括：多个挡流板，安装在管状套筒内并依次排列，多个挡流板的外径尺寸从入射端到出射端依次递减，以对管状套筒内的入射气流进行流速调整；以及

流动管反应器，与管状套筒的出射端相连接，适用于为出射端排出的混合气流提供化学反应的空间。

在本发明的一些实施例中，挡流装置还包括：

支撑杆，依次穿过多个挡流板；以及

多个定位杆，每个定位杆的两端分别连接挡流板和管状套筒，以将单个挡流板固定在管状套筒内。

在本发明的一些实施例中，每个挡流板的外缘上均匀设置3个定位杆，以将挡流板和管状套筒连接。

在本发明的一些实施例中，挡流板的数量为五个，相邻的两个挡流板之间的间距相同。

在本发明的一些实施例中，管状套筒的内径为d₀，五个挡流板的外径依次为d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，0.65d₀＜d₁＜0.7d₀，d₁-d₂＝d₂-d₃＝d₃-d₄＝d₄-d₅＝Δd，Δd≤0.1d₁。

在本发明的一些实施例中，每个挡流板被构造成在入射气流的流动方向上突出的伞状结构，每个伞状结构的顶部夹角为∠a，140°＜∠a＜ 160°。

在本发明的一些实施例中，每个挡流板之间的间距为Δz，0.65d₀＜Δ z＜0.7d₀。

在本发明的一些实施例中，入射管的外径小于管状套筒的内径。

在本发明的一些实施例中，入射管外径为d’，d’≤d₀/6。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种平推流反应器实验***，包括：

如上述的平推流反应器；

采样装置，用于对流动管反应器内的反应产物进行采样；

物质检测设备，用于对采样装置的采样结果进行检测。

在本发明的一些实施例中，还包括设置在平推流反应器的流动管反应器内的恒温加热装置，以控制流动管反应器内的反应速度。

根据本发明上述实施例的平推流反应器和平推流反应器实验***，通过设置扰流装置降低入射气流的速度，可以使反应气体获得更好的混合效果，减轻由于平推流反应器的管径突扩造成的流场不均匀现象，使得平推流反应器中的气流接***推流假设。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的平推流反应器的简易示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置的立体示意图；

图3是图2所示的扰流装置的轴向剖视图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的挡流装置的立体示意图；

图5是图4所示的挡流装置的侧视图；

图6示意性示出了平推流反应器中由于入口管径突扩导致的不均匀的流场分布图；

图7示意性示出了平推流反应器的理想流场的分布图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置对气流的扰动效果图；

图9示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置对流场均匀性的优化效果图；以及

图10示意性示出了根据本发明实施例的平推流反应器实验***的方框图。

附图标记说明

1-扰流装置；

2-挡流板；

3-支撑杆；

4-定位杆；

5-管状套筒；

6-入射管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本发明实施例的平推流反应器的简易示意图；图2示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置1的立体示意图；图3是图2所示的扰流装置1的轴向剖视图；图4示意性示出了根据本发明实施例的挡流装置的立体示意图；图5是图4所示的挡流装置的侧视图。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种平推流反应器，如图1所示，包括：气化混合室、扰流装置1和流动管反应器。气化混合室适用于对多种反应气体进行混合，以产生入射气流；如果存在呈固态的氧化剂，则对氧化剂加热至气化状态。

在一些实施例中，如图2、图3所示，扰流装置1包括入射管6：入射管6，与气化混合室的出口相连，以接收入射气流；管状套筒5，包括入射端和出射端，入射端与入射管6相连接；以及挡流装置，如图4、图 5所示，包括：多个挡流板2，安装在管状套筒5内并依次排列，多个挡流板2的外径尺寸从入射端到出射端依次递减，以对管状套筒5内的入射气流进行流速调整；以及流动管反应器，与管状套筒5的出射端相连接，适用于为出射端排出的混合气流提供化学反应的空间。

图6示意性示出了平推流反应器中由于入口管径突扩导致的不均匀的流场分布图；图7示意性示出了平推流反应器的理想流场的分布图；图8 示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置1对气流的扰动效果图；图9 示意性示出了根据本发明实施例的扰流装置1对流场均匀性的优化效果图。

在本发明的一些实施例中，化学反应的时间尺度通常在毫秒甚至微秒级，在平推流反应器采用大内径设计时，如图6所示，在将平衡气流量设置为10Slpm(标准流量升每分钟)，燃料及雾化流量设置为1Slpm，即总流量11Slpm时，总长1m的流动管反应器内部流场分布并不均匀，管径突扩会造成流场不均匀现象，处于管内中心区域的入射气流流速相对于管内周边区域的气流流速速度过快，而平推流反应器流场理想分布如图7所示，由图6、图7流场分布情况可知，流动管内的流动情况与理想的平推流假设完全不同，并且，即便在长度达到1m的流动管中，气流的自身扩散效果亦无法接***推流的假设，反而对预测流速带来影响。根据本发明的实施例，如图8所示，通过在气化混合室和流动管反应器之间设置扰流装置1可以有效降低入射气流的速度，使反应气体获得更好的混合效果，减轻由于平推流反应器的管径突扩造成的流场不均匀现象，如图9所示，通过设置扰流装置1可以使得平推流反应器中的气流接***推流假设。

在本发明的一些实施例中，挡流装置还包括：支撑杆3，依次穿过多个挡流板2；以及多个定位杆4，每个定位杆4的两端分别连接挡流板2 和管状套筒5，以将单个挡流板2固定在管状套筒5内。由于入射气流的流速很快，通过设置支撑杆3和定位杆4可以让挡流板2在气流通过时保持稳定性。每个挡流板2的外缘上均匀设置3个定位杆4，以将挡流板2 和管状套筒5连接，挡流板2的数量为五个，相邻的两个挡流板2之间的间距相同，通过将多个挡流板2均匀设置，可以有效减少气流的湍流和不稳定性。

在本发明的一些实施例中，管状套筒5的内径为d₀，五个挡流板2的外径依次为d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，0.65d₀＜d₁＜0.7d₀，d₁-d₂＝d₂-d₃＝d₃-d₄＝d₄-d₅＝Δd，Δd≤0.1d₁。五个挡流板2的外径依次减小可以使气流在均匀化之后还可以保证一定的流速通过流动管反应器，逐步减小半径的多级挡流板2，使得每级流道的下游出口渐次扩大，以防止形成外缘流速过高的不均匀流场，最终得到基本接***推流假设的下游流场。

在本发明的一些实施例中，每个挡流板2被构造成在入射气流的流动方向上突出的伞状结构，每个伞状结构的顶部夹角为∠a，140°＜∠a＜160°，每个挡流板2之间的间距为Δz，0.65d₀＜Δz＜0.7d₀。伞状结构的夹角设计不应过大或过小，在夹角过大时，入射气流的流速降低过快，不利于气流向后流动，在夹角过小时，入射气流的流速降低过慢，导致气流的均匀化程度过低，单一的伞状挡流板2无法直接达成较好的混合效果，多级伞状扰流结构可以最大程度上使流场分布均匀化，使高流速部分气流有足够的停留时间和流道方向想低速区扩散。

在本发明的一些实施例中，入射管6的外径小于管状套筒5的内径，入射管6外径为d’，d’≤d₀/6。通过设置入射管6的外径相对于管状套筒 5的内径的合理尺寸比例，可以防止由于平推流反应器的管径过小导致边界层效应明显，且无法满足同一工况条件下多位置采样的需求。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种平推流反应器实验***，如图10所示，包括：如上述的平推流反应器；采样装置，用于对流动管反应器内的反应产物进行采样；物质检测设备，用于对采样装置的采样结果进行检测，还包括设置在平推流反应器的流动管反应器内的恒温加热装置，以控制流动管反应器内的反应速度；流量控制装置，用于对进入气化混合室的气流进行流量控制；数据处理装置，用于物质检测设备的检测结果进行数据处理。

根据本发明一个方面的实施例，平推流反应器实验***的气源包括：稀释气、氧化剂、气态反应物、液态反应物，气源通过流量控制装置进入气化混合室中进行混合。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本发明的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种平推流反应器，包括：

扰流装置，包括：

入射管，与所述气化混合室的出口相连，以接收所述入射气流；

管状套筒，包括入射端和出射端，所述入射端与所述入射管相连接，所述管状套筒的内径为d₀；以及

挡流装置，包括：五个挡流板，安装在所述管状套筒内并依次排列，所述多个挡流板的外径尺寸从所述入射端到所述出射端依次递减，以对所述管状套筒内的所述入射气流进行流速调整，五个挡流板的外径依次为d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，0.65d₀＜d₁＜0.7d₀，d₁-d₂＝d₂-d₃＝d₃-d₄＝d₄-d₅＝Δd，Δd≤0.1d₁，每个所述挡流板被构造成在所述入射气流的流动方向上突出的伞状结构，每个伞状结构的顶部夹角为∠a，140°

＜∠a＜160°；以及

流动管反应器，与所述管状套筒的所述出射端相连接，适用于为所述出射端排出的气流提供化学反应的空间。

2.根据权利要求1所述的平推流反应器，其中，所述挡流装置还包括：

支撑杆，依次穿过多个所述挡流板；以及

多个定位杆，每个所述定位杆的两端分别连接所述挡流板和所述管状套筒，以将单个所述挡流板固定在所述管状套筒内。

3.根据权利要求2所述的平推流反应器，其中，每个所述挡流板的外缘上均匀设置3个所述定位杆，以将所述挡流板和所述管状套筒连接。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的平推流反应器，其中，相邻的两个所述挡流板之间的间距相同。

5.根据权利要求4所述的平推流反应器，其中，每个所述挡流板之间的间距为Δz，0.65d₀＜Δz＜0.7d₀。

6.根据权利要求5所述的平推流反应器，其中，所述入射管的外径小于所述管状套筒的内径。

7.根据权利要求6所述的平推流反应器，其中，所述入射管外径为d’，d’≤d₀/6。

8.一种平推流反应器实验***，包括：

如权利要求1-7任一项所述的平推流反应器；

采样装置，用于对所述流动管反应器内的反应产物进行采样；

物质检测设备，用于对所述采样装置的采样结果进行检测。

9.根据权利要求8所述的平推流反应器实验***，还包括设置在所述平推流反应器的流动管反应器内的恒温加热装置，以控制所述流动管反应器内的反应速度。