工业规模搅拌釜高粘假塑性流体气液混合过程的数值模拟

发布时间：2017-07-26 09:21

  本文关键词：工业规模搅拌釜高粘假塑性流体气液混合过程的数值模拟

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【摘要】：黄原胶是一种广泛应用的天然生物高分子,其水溶液属于典型的高粘假塑性流体,在其发酵生产过程中,高粘假塑性流体性质阻碍了其发酵后期的传质过程,影响了它的工业化过程。这一问题实质上是高粘假塑性流体的搅拌混合问题。本文以1.0wt%黄原胶溶液为研究介质,在高径比为3的10m3工业规模搅拌釜内,采用最大叶片式桨(MB)、泛能式搅拌桨(FZ)和一种工业上常见的三层六直叶圆盘涡轮桨(TT)三种搅拌桨,分别对单相和气液两相体系的混合过程进行了数值模拟。结果表明:(1)单相体系的模拟。MB桨呈现典型的“双循环”流型结构;FZ桨在较低转速呈现上、下两个大循环,随着转速的增加,叶片交界处出现一个明显的小循环;TT桨呈现各自独立的循环流型。在较高转速下,FZ桨的单位体积功耗明显高于MB桨和TT桨。在相同的单位体积功耗下,FZ桨达到混合要求所用混合时间最短,其次是MB桨,TT桨耗时最长。三种搅拌桨的高剪切和高排液区域都集中在桨叶附近。(2)气液两相体系的模拟。通入气体后,液相流场和气相流场呈现相同的流型结构。当通气量相同时,随着搅拌转速的增加,气含率增加,平均气泡直径变小但气泡尺寸分布范围变宽,MB桨的气液传质系数高于FZ桨,FZ桨高于TT桨。当搅拌转速相同时,随着通气量的增加,气含率增加,釜内出现大气泡的几率增加;在最低通气量下,FZ桨的气液传质系数最高,随着通气量的增加,MB桨的气液传质系数最高。本文利用计算流体力学(CFD)技术,比较直观的呈现了工业规模搅拌釜内高粘假塑性流体气液混合过程的局部特性参数,为工业规模搅拌混合过程优化提供基础数据。
【关键词】：工业规模搅拌釜 大高径比 假塑性流体 气液传质混合 CFD
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ027.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 文献综述9-31
• 1.1 研究意义9-10
• 1.2 搅拌设备简介10-12
• 1.2.1 搅拌设备结构10-11
• 1.2.2 传统搅拌器型式11-12
• 1.2.3 新型搅拌器12
• 1.3 计算流体力学12-21
• 1.3.1 CFD的基本方法13-14
• 1.3.2 湍流计算方法14-19
• 1.3.3 桨叶旋转区域处理方法19-21
• 1.4 气液两相搅拌釜CFD模拟方法21-31
• 1.4.1 气液两相CFD模拟基本方法21-22
• 1.4.2 欧拉-欧拉模型22
• 1.4.3 气泡曳力模型22-23
• 1.4.4 气泡群平衡模型23-31
• 2 数值模拟内容与方法31-37
• 2.1 模拟介质性质31-32
• 2.1.1 流变学性质31-32
• 2.1.2 表面张力系数32
• 2.2 主要研究内容32
• 2.3 搅拌釜及搅拌器尺寸32-33
• 2.4 数值模拟条件及方法33-37
• 2.4.1 数值模拟条件33-34
• 2.4.2 数值计算方法34-35
• 2.4.3 计算模型的实验验证35-37
• 3 单相体系混合过程的模拟37-55
• 3.1 宏观流动场37-39
• 3.2 功耗特性39-41
• 3.2.1 单位体积功耗40
• 3.2.2 功率准数40-41
• 3.3 死区体积分率41-42
• 3.4 剪切性能及表观粘度42-47
• 3.5 排液性能47-49
• 3.6 混合时间49-53
• 3.6.1 计算条件50
• 3.6.2 计算结果及分析方法50-53
• 3.7 小结53-55
• 4 气液两相混合过程的模拟55-85
• 4.1 转速的影响55-71
• 4.1.1 气液流场特性55-57
• 4.1.2 通气前后单位体积功耗57-59
• 4.1.3 气含率59-63
• 4.1.4 气泡尺寸分布63-70
• 4.1.5 气液传质系数70-71
• 4.2 通气量的影响71-82
• 4.2.1 通气后单位体积功耗71-73
• 4.2.2 气含率73-77
• 4.2.3 气泡尺寸分布77-81
• 4.2.4 气液传质系数81-82
• 4.3 小结82-85
• 5 结论与展望85-89
• 5.1 结论85-86
• 5.2 展望86-89
• 参考文献89-97
• 致谢97-99
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文99-101
• 附录2 1.0 wt%浓度黄原胶水溶液流变学数据101-103

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本文编号：575689