单层钢丝柔性桨强化流体混合行为研究

发布时间：2020-06-14 23:59

【摘要】：搅拌反应器广泛应用于化学工业、有色冶金、食品加工和污水处理等领域。搅拌桨作为搅拌反应器的关键部件,直接影响着流场的演化行为,关系着工业生产的经济性和安全性。从搅拌桨结构改进出发,强化流体混合行为,已成为开发高效节能搅拌反应器的重点研究方向之一。本论文以强化流体混沌混合为目标,对搅拌桨结构进行优化,提出一种单层钢丝柔性桨。以流体混合性能和混沌特性为评价指标,考察了桨叶类型、离底高度、柔性钢丝长度、柔性钢丝直径对流体混合行为的影响。结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),探究流场结构演化规律,并与实验部分的结果相对比,进行验证分析。采用单层钢丝柔性桨与固体颗粒协同作用的方法强化流体混合行为,考察了桨叶类型、固含率、固体颗粒直径及柔性材质对流体混合时间及混沌特性的影响。得到如下结论:(1)单层钢丝柔性桨体系和传统刚性桨体系中的流场结构均呈现出对称特性。单层钢丝柔性桨体系中,混合区增大,隔离区减小,流体的运动方向更为混乱且流速相应增加,强化了流体混合行为。(2)单层钢丝柔性桨通过刚-柔-流耦合作用,能够有效破坏隔离区,减少能量损失,缩短流体混合时间,提高流体混合效率,增强流体混沌特性。转速(N)为120 r·min~(-1)时,与传统刚性桨体系相比,单层钢丝柔性桨体系中混合效率数(C_e)减小87.4%,最大Lyapunov指数(LE_(max))增大53.2%;与单层钢丝刚性桨体系相比,单层钢丝柔性桨体系中C_e减小43.8%,LE_(max)增大10.8%。(3)单层钢丝柔性桨体系中,柔性钢丝直径为0.8 mm,桨叶离底高度为0.25 T时,流体混合效率较高,混沌特性较强。且柔性钢丝长度对流体混合行为影响最大,柔性钢丝直径次之,桨叶离底高度的影响最小。(4)传统刚性桨体系中,桨叶与固体颗粒间的协同强化作用并不明显;单层钢丝柔性桨体系中,桨叶与固体颗粒协同作用,有效破坏了隔离区,提高了流体混合性能,增强了流体混沌特性。单位体积功耗(P_v)为4500 W·m~(-3),固含率(C_v)为0、1%、2%、3%、4%时,与传统刚性桨体系相比,单层钢丝柔性桨体系中混合时间分别缩短60.2%、65.4%、67.0%、68.9%、71.1%,LE_(max)分别增加25.3%、31.6%、32.3%、34.2%、35.4%。(5)单层钢丝柔性桨体系中,随着固含率增加,进入到主体流体中的颗粒越多,隔离区的稳定性越容易被破坏,致使流体混合时间缩短,混沌特性增强。固体颗粒直径增大,阻力增加,能量损失相应增加,液相速度相应减小,致使流体混合时间增加、混沌特性减弱。与201和304柔性材质相比,镍钛合金材质的柔性抖动作用更强,更有利于充分发挥刚-柔-流耦合作用、柔性桨与固体颗粒的协同强化作用,从而缩短流体混合时间、增强流体混沌特性。综上所述,单层钢丝柔性桨可有效强化流体混合行为,提高流体混合效率,增强流体混沌特性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH69
【图文】：

搅拌反应器,部件

为高效节能搅拌反应器的开发提供理论依研究现状应器的发展器有着广泛的应用，且取得了飞速的发展。搅拌反，又能够应用在多相反应中，既满足间歇操作要求具有成本较低、可操控范围较宽、结构较为简单等的发展过程中，仍然面临着节能降耗的严峻挑战[28-前提下，高效、节能混合成为当前主要的且必须的研拌方式主要分为两种，即机械搅拌、气流搅拌。与用更为广泛。这主要是因为，气流搅拌过程中，没搅拌作用主要是依靠气泡运动，混合效果较差，尤反应器由搅拌槽、搅拌装置等主要部件组成（如图 1 1.2 所示。

搅拌桨,搅拌反应器

图 1.2 常用搅拌桨Fig.1.2 Commonly used impeller搅拌反应器正朝着大型化发展。在放大过程中，搅拌反应器必须保持雷的圆周速度、单位体积功耗及传热膜系数不变，以确保系统放大的一致保证在技术上先进可行、在经济上合理可靠[35]。目前，国内生产氯乙烯搅拌反应器体积大于 70 m3，发酵过程中的搅拌反应器体积达 350 m3[36]。日立制作所的聚氯乙烯搅拌反应器体积达 576 m3[37]。搅拌反应器正朝着节能化发展。朱培模等[38]研发的立式搅拌器应用在污程中，流体达到了良好的混合效果，且达到了高效率、低能耗及低成本何海先等[39]研究了刚柔组合桨的混合性能和声学性能，发现刚柔组合桨强化流体混合，并达到节能降噪的目的；王泰等[40]设计出新式的水翼型有效降低了噪声、减小了振动，并使得功率消耗变为原来的 60%；Mas究发现，在相同条件下往复运动能够明显降低功率消耗，达到节能的目搅拌反应器正朝着智能化发展。计算流体动力学(Computational

【参考文献】