具有粘性流体的搅拌槽中上浮与下沉颗粒分散的实验与数值模拟
发布时间：2021-08-22 05:39
粘性流体中颗粒的分散是一种典型的固-液多相体系操作,该操作通常要求颗粒均匀分散,并对达到均匀分散的速度有一定要求。在一些生产工艺中,上浮颗粒与下沉颗粒并存于粘性流体中,此时需要同时对上浮与下沉颗粒的状态加以考虑。本文首先对不同操作条件下上浮颗粒的下拉分散进行了实验研究,而后在实验的基础上,使用数值模拟分别对上浮颗粒在液体中的固-液搅拌和上浮与下沉颗粒并存的固-固-液三相搅拌体系进行了研究,并提出了优选的搅拌桨型式和预测临界下拉（悬浮）转速的关联式。实验在液体粘度为0.042 Pa·s的麦芽糖浆水溶液-SBS颗粒体系下进行,研究了 WH、CBY、PBT三种搅拌桨在不同深度的临界悬浮特性及转速-云高关系。结果表明,浸没深度较小时WHd桨的临界下拉功率最低,浸没深度较深时CBY桨的临界下拉功率最低。同功率下云高随浸没深度增加而减小,无因次云高越接近1,增加单位高度云高所需功率越大。采用数值模拟方法分析了搅拌槽内速度分布、湍动能分布、固相含率分布,以及达到稳定分散状态的混合时间、功率消耗与颗粒分散的均匀性。发现上浮颗粒下拉主要依靠液面环流作用,下压式搅拌桨通过主环流而上推式搅拌桨则通过在液面产...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１实验装置示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｐｐａｒａｔｕｓ??
?北京化工大学硕士学位论文???（ａ）?ＣＢＹ?（ｂ）?ＷＨ?（ｃ）?ＰＢＴ??图２－２搅拌桨实物图??Ｆｉｇ．?２－２?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ??实验中使用三种搅拌桨分别为标准三叶长薄叶式搅拌桨（ＣＢＹ）、标准四叶宽叶??翼形轴流式桨（ＷＨ）、４５。斜叶开启式涡轮搅拌桨（ＰＢＴ），三种搅拌桨直径Ｚ）均为??０．１９?ｍ。??２．１．２实验材料??实验中使用的黏性流体为麦芽糖浆水溶液，可通过改变麦芽糖浆浓度调节流体黏??度，且其为牛顿流体。固相为热塑性丁苯橡胶（ＳＢＳ）粉末。??液体采用粘度为０．０４２?Ｐａ＿ｓ的麦芽糖浆水溶液，其粘度使用流变仪（ＭＡＲＳ４０，??Ｈａａｋｅ，德国）测得，密度为１２６０?ｋｇ／ｍ３，?ＳＢＳ颗粒密度为９４０?ｋｇ／ｍ３，并使用３０目??标准筛获取粒径小于０．６?ｍｍ的颗粒。??２．１．３实验流程??实验系统搭建完毕后，依次向搅拌槽内加入配置好的麦芽糖浆水溶液和ＳＢＳ颗??粒。启动电机，将漂浮由于液面上的颗粒拉入液体中并搅拌均匀后停止搅拌，待颗粒??自行上浮于液面后正式开始实验并测量各数据。??调节变频器，逐渐增大搅拌桨转速，随着颗粒进入液体并分散，红激光通过液体??的距离逐渐缩短，待其长度达到指定值时停止增加搅拌桨转速，通过相机记录穿透搅??拌槽中流体的红光长度，并用转速计读取转速，采集此时搅拌桨的扭矩数据，同时通??过取样方式获得槽内轴向四个高度处的颗粒浓度。??２．１．４测量方法??（１）搅拌转速??１６??
?北京化工大学硕士学位论文???内部速度场与湍流强度等条件对上浮颗粒下拉过程的影响，二是对上浮与下沉颗粒同??时存在的固－固－液三相体系进行数值模拟，以研究对于不同密度的颗粒的分散过程。??２＿２＿１?ＣＦＤ模拟流程??使用ＣＦＤ对搅拌槽内固－液混合过程的模拟流程如图２－３所示。依照搅拌中的流??动区域确定计算域，并建立与之相符的几何模型。根据模型的几何结构进行网格划分，??将生成的网格文件导入到求解器中。在求解器中选择合适的计算模型并依据实际情况??设定边界条件、初始条件，根据流动情况选择适用的求解方法，并进行数值求解。计??算收敛后将结果输出，使用数据处理软件对计算结果进行分析和处理。??本文模拟的前处理中使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ进行建模，使用ＩＣＥＭＣＦＤ划分网格，求??解器为ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ，后处理使用ＣＦＤ－ＰＯＳＴ。由于具有上浮颗粒的固－液体系和同??时具有上浮和下沉颗粒的固－固－液体系具有不同网格划分方案，将分别在对应章节中??介绍。??确话｜觀丨?丨隨工解器卜??????????２???构，何模型卜￣￣?丨隨计算翻及计算参数??１???，ｒ?Ｎ〇??丨翻份网格１?［ｍｍｍ，］??导乂网格Ｉ?????丨输出结果并进行后髓??图２－３?ＣＦＤ模拟流程示意图??Ｆｉｇ．?２－３?Ｆｌｏｗ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＣＦＤ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ??２．２．２控制方程??２．２．１．１欧拉多相流模型??本模拟涉及到的体系包含固相与液相，采用欧拉多相流模型进行模拟，该模型在??欧拉坐标系中求解每一相的控制方程租。??质量守恒方程如下：??．?１８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性[J]. 付超,刘新卫,李庚鸿,李志鹏,高正明. 北京化工大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]过渡流搅拌槽内固-液悬浮的直接数值模拟[J]. 李庚鸿,李志鹏,高正明,Jos Derksen. 科学通报. 2018(34)
[3]搅拌固液悬浮研究进展[J]. 杨锋苓,周慎杰. 化工学报. 2017(06)
[4]高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性[J]. 赵洪亮,殷攀,张立峰. 工程科学学报. 2017(01)
[5]基于计算流体力学模拟的下沉与上浮颗粒在搅拌槽内的固液悬浮特性[J]. 李良超,徐斌,杨军. 机械工程学报. 2014(12)
[6]搅拌釜内固-液悬浮体系的CFD-DEM模拟（英文）[J]. 邵婷,胡银玉,王文坦,金涌,程易. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013(10)
[7]轻密度颗粒在搅拌槽内悬浮特性的数值模拟[J]. 李良超,杨军,徐斌. 农业工程学报. 2013(16)
[8]搅拌式反应器的模拟与优化设计[J]. 银建中,程绍杰,贾凌云,银建伟. 化工装备技术. 2009(04)
[9]固体颗粒对固液搅拌槽中局部液相速度的影响[J]. 朱峰,张凤涛,黄雄斌. 化学反应工程与工艺. 2008(02)
[10]固-液导流筒搅拌槽内流体流动和颗粒悬浮特性[J]. 陈文民,黄雄斌,高正明. 过程工程学报. 2007(01)
博士论文
[1]搅拌式厌氧发酵反应器的CFD模拟及应用研究[D]. 张媛.北京化工大学 2016
硕士论文
[1]非标挡板对固液悬浮及搅拌效果的影响与工业放大[D]. 常冬琦.北京化工大学 2016
[2]双层搅拌体系中固液两相流的数值模拟研究[D]. 丁杨.华东理工大学 2015
[3]高固含量轻浮颗粒在粘稠体系下的搅拌混合研究[D]. 陈明强.浙江大学 2015
本文编号：3357116
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１实验装置示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｐｐａｒａｔｕｓ??
?北京化工大学硕士学位论文???（ａ）?ＣＢＹ?（ｂ）?ＷＨ?（ｃ）?ＰＢＴ??图２－２搅拌桨实物图??Ｆｉｇ．?２－２?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ??实验中使用三种搅拌桨分别为标准三叶长薄叶式搅拌桨（ＣＢＹ）、标准四叶宽叶??翼形轴流式桨（ＷＨ）、４５。斜叶开启式涡轮搅拌桨（ＰＢＴ），三种搅拌桨直径Ｚ）均为??０．１９?ｍ。??２．１．２实验材料??实验中使用的黏性流体为麦芽糖浆水溶液，可通过改变麦芽糖浆浓度调节流体黏??度，且其为牛顿流体。固相为热塑性丁苯橡胶（ＳＢＳ）粉末。??液体采用粘度为０．０４２?Ｐａ＿ｓ的麦芽糖浆水溶液，其粘度使用流变仪（ＭＡＲＳ４０，??Ｈａａｋｅ，德国）测得，密度为１２６０?ｋｇ／ｍ３，?ＳＢＳ颗粒密度为９４０?ｋｇ／ｍ３，并使用３０目??标准筛获取粒径小于０．６?ｍｍ的颗粒。??２．１．３实验流程??实验系统搭建完毕后，依次向搅拌槽内加入配置好的麦芽糖浆水溶液和ＳＢＳ颗??粒。启动电机，将漂浮由于液面上的颗粒拉入液体中并搅拌均匀后停止搅拌，待颗粒??自行上浮于液面后正式开始实验并测量各数据。??调节变频器，逐渐增大搅拌桨转速，随着颗粒进入液体并分散，红激光通过液体??的距离逐渐缩短，待其长度达到指定值时停止增加搅拌桨转速，通过相机记录穿透搅??拌槽中流体的红光长度，并用转速计读取转速，采集此时搅拌桨的扭矩数据，同时通??过取样方式获得槽内轴向四个高度处的颗粒浓度。??２．１．４测量方法??（１）搅拌转速??１６??
?北京化工大学硕士学位论文???内部速度场与湍流强度等条件对上浮颗粒下拉过程的影响，二是对上浮与下沉颗粒同??时存在的固－固－液三相体系进行数值模拟，以研究对于不同密度的颗粒的分散过程。??２＿２＿１?ＣＦＤ模拟流程??使用ＣＦＤ对搅拌槽内固－液混合过程的模拟流程如图２－３所示。依照搅拌中的流??动区域确定计算域，并建立与之相符的几何模型。根据模型的几何结构进行网格划分，??将生成的网格文件导入到求解器中。在求解器中选择合适的计算模型并依据实际情况??设定边界条件、初始条件，根据流动情况选择适用的求解方法，并进行数值求解。计??算收敛后将结果输出，使用数据处理软件对计算结果进行分析和处理。??本文模拟的前处理中使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ进行建模，使用ＩＣＥＭＣＦＤ划分网格，求??解器为ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ，后处理使用ＣＦＤ－ＰＯＳＴ。由于具有上浮颗粒的固－液体系和同??时具有上浮和下沉颗粒的固－固－液体系具有不同网格划分方案，将分别在对应章节中??介绍。??确话｜觀丨?丨隨工解器卜??????????２???构，何模型卜￣￣?丨隨计算翻及计算参数??１???，ｒ?Ｎ〇??丨翻份网格１?［ｍｍｍ，］??导乂网格Ｉ?????丨输出结果并进行后髓??图２－３?ＣＦＤ模拟流程示意图??Ｆｉｇ．?２－３?Ｆｌｏｗ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＣＦＤ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ??２．２．２控制方程??２．２．１．１欧拉多相流模型??本模拟涉及到的体系包含固相与液相，采用欧拉多相流模型进行模拟，该模型在??欧拉坐标系中求解每一相的控制方程租。??质量守恒方程如下：??．?１８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性[J]. 付超,刘新卫,李庚鸿,李志鹏,高正明. 北京化工大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]过渡流搅拌槽内固-液悬浮的直接数值模拟[J]. 李庚鸿,李志鹏,高正明,Jos Derksen. 科学通报. 2018(34)
[3]搅拌固液悬浮研究进展[J]. 杨锋苓,周慎杰. 化工学报. 2017(06)
[4]高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性[J]. 赵洪亮,殷攀,张立峰. 工程科学学报. 2017(01)
[5]基于计算流体力学模拟的下沉与上浮颗粒在搅拌槽内的固液悬浮特性[J]. 李良超,徐斌,杨军. 机械工程学报. 2014(12)
[6]搅拌釜内固-液悬浮体系的CFD-DEM模拟（英文）[J]. 邵婷,胡银玉,王文坦,金涌,程易. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013(10)
[7]轻密度颗粒在搅拌槽内悬浮特性的数值模拟[J]. 李良超,杨军,徐斌. 农业工程学报. 2013(16)
[8]搅拌式反应器的模拟与优化设计[J]. 银建中,程绍杰,贾凌云,银建伟. 化工装备技术. 2009(04)
[9]固体颗粒对固液搅拌槽中局部液相速度的影响[J]. 朱峰,张凤涛,黄雄斌. 化学反应工程与工艺. 2008(02)
[10]固-液导流筒搅拌槽内流体流动和颗粒悬浮特性[J]. 陈文民,黄雄斌,高正明. 过程工程学报. 2007(01)
博士论文
[1]搅拌式厌氧发酵反应器的CFD模拟及应用研究[D]. 张媛.北京化工大学 2016
硕士论文
[1]非标挡板对固液悬浮及搅拌效果的影响与工业放大[D]. 常冬琦.北京化工大学 2016
[2]双层搅拌体系中固液两相流的数值模拟研究[D]. 丁杨.华东理工大学 2015
[3]高固含量轻浮颗粒在粘稠体系下的搅拌混合研究[D]. 陈明强.浙江大学 2015
本文编号：3357116
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