搅拌釜内气液两相流场特征及气泡分散特性研究

发布时间：2020-08-04 09:11

【摘要】：气液搅拌釜作为工业生产中的关键基础设备,广泛应用于石油化工、食品化工、生物化工、能源化工、环境化工等工业领域。搅拌釜内涉及复杂的气液两相流动,气液两相之间相互耦合,存在复杂的相互作用。操作条件以及结构形式的选择,对搅拌釜内的相含率、离散相的混合程度、相间传热传质特性等具有不同程度的影响。因此,本文针对气液搅拌釜内复杂的流场特性,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,研究带有六弯叶桨和上翻六折叶桨组成的组合桨(6BT+6FT_U)以及六弯叶桨和下压六折叶桨组成的组合桨(6BT+6FT_D)的双层气液搅拌釜内流场特征和气泡的分散特性,并设计出穿流六弯叶桨以减轻搅拌过程中桨叶背液面的气穴现象,为气液搅拌釜的高效混合及性能优化提供一定的理论参考。本文首先通过摄像法捕捉通气搅拌实验中的通气搅拌状态图像和气泡运动形态及其分散状态,发现气泡在搅拌釜中具有形态各异,尺寸不一等特性,气泡之间存在聚并与破碎现象,且操作条件、桨组合方式对气泡的尺寸及分布都有影响。针对气泡的复杂形态及行为特征,采用Fluent流体仿真软件,在CFD的基础上耦合群体平衡模型,建立起既能反映气液搅拌釜内流场特征又能反映气泡尺寸及分布的CFD-PBM耦合模型。为了验证模型的正确性,采用形态学图像处理技术处理所拍摄的气泡图片并统计得到搅拌釜近壁区气泡的平均尺寸,将该结果与数值模拟结果进行比较,并从功耗方面以及与文献数据角度进一步对比验证数值模拟结果,上述数据与运用所建模型得到的模拟结果吻合度较好,说明本文所建CFD-PBM耦合模型具有可靠性。基于CFD-PBM耦合模型,从流场结构、气含率、气泡尺寸及分布等方面系统研究了带有6BT+6FT_U组合桨和6BT+6FT_D组合桨搅拌釜的气液分散特性,研究表明:气相与液相之间相互作用,气相对于上升的流型具有促进作用,对于下降的流型具有弱化作用;转速及通气量与气含率具有正相关性,且循环体、桨叶背液面均具有较高局部气含率;气泡尺寸与转速负相关与通气量正相关,尺寸主要集中于3.5-5.5mm之间,桨叶背叶面、循环体区域气泡聚并现象严重,搅拌桨排出流区域尺寸较小;6FT_U桨对流体具有上提特性,迎合了气泡逃逸主速度,气体在其附近流通性更好,而6FT_D桨对流体具有下压特性,6FT_D桨附近及其上部靠近轴处气体聚集现象严重,分散性较差。针对桨叶背液面存在的气穴现象,设计出开孔率为7%的穿流六弯叶桨(6BPT),并基于CFD-PBM耦合模型,研究了该桨与6FT_U桨组成的组合桨的气液分散特性,研究表明:与6BT桨相比,6BPT桨有效增强桨叶背液面流场的局部湍动及桨叶附近的切应力,可以有效减轻桨叶背液面气泡的聚集效应,降低桨叶背液面气泡尺寸,对减轻气穴现象有良好的效果;在所研究工况下,相对于6BT+6FT_U组合桨,6BPT+6FT_U组合桨能够使搅拌釜内气泡尺寸分布更加集中,在120rpm转速,通气量为0.2vvm、0.4vvm的工况下,4mm尺寸组占比最大,且底层桨的气含率略微提升,因此6BPT+6FT_U组合桨对于搅拌釜内气液的分散具有较好的适用性。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ021.4
【图文】：

数值模型和计算方法，研究不同组合桨形式、操作条件下气泡尺寸及大小分布，进而为高效搅拌装置的研究和应用提搅拌釜中的非均相混合过程的优化和装置放大提供一定的技内气液两相流流体力学特性研究进展拌釜是一种工业应用十分广泛的反应器，其工作形式为气体釜内，并经釜内搅拌器的机械搅拌，从而使得釜内气体与液拌使得液相湍动剧烈起到强化混合与传质的作用，并对通入破碎作用，使气泡小而均匀，从而提高混合效率及相间传质搅拌釜内气液体系的研究现状进行分析介绍。内气液分散状态中的气体分散状态随着通气量和转速的改变会发生变化，分：气泛状态（Flooding）、载气状态（Loading）、完全分散状态（。图 1-1 显示了通气量恒定的情况下，气体的分散状态随转

釜内气液两相流场特征及气泡分散特性研究泡被简化为直径恒定的球体[45-47]，并假该假设，气含率的模拟值比实验值低约破裂与聚并现象，如图 1-2 所示，搅拌型，大小不一，因而上述假设与实际不定的差距。随着计算机软件和硬件的发模拟得以实现，PBM 已经可以与 CFD 破碎现象对气泡尺寸大小分布的影响，模拟[49-50]。

搅拌釜内气液两相流场特征及气泡分散特性研究2 通气搅拌实验及图像处理方法章主要介绍气液搅拌釜通气搅拌实验以及对所拍摄的搅拌釜运用形态学图像处理技术进行图像处理，其中包括实验装置和步骤的介绍，并对实验结果进行了分析，为后续数值模拟提供实验对照。气搅拌实验验装置

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本文编号：2780345