聚合反应制备聚偏氟乙烯过程中搅拌釜内多相流动的数值模拟研究
发布时间：2021-09-23 07:27
搅拌釜是工业生产中极其重要的设备,在石油化工、食品生物等领域有着广泛的应用,搅拌釜通过搅拌叶片的旋转作用对釜内流体进行搅拌,使釜内各相均匀混合。但釜内流场大多数情况为复杂的湍流,由于缺少对多相流和湍流的理论性研究成果,导致研究搅拌釜内的流动变得极为困难,从而使其设计和优化大都依靠经验,因此产生了很多关键性问题需要进一步研究。本文以聚合反应制备聚偏氟乙烯过程中的多相搅拌釜为研究对象,通过数值模拟和实验验证相结合的手段对搅拌釜内的多相流动进行系统深入的研究。为了描述搅拌釜内气相和VDF相的流动行为,对两者在搅拌釜内的扩散机理进行研究,利用数值模拟方法对无档板和有挡板搅拌釜内的多相流动进行测量,获得不同叶片倾角和不同叶片组合方式下,轴向速度分布、循环速度分布、气相体积分布及VDF相体积分布等流体力学参数。通过对比发现,（1）在能耗方面:搅拌釜功率随倾角的增大而减小;同一倾角下,斜叶开启涡轮叶片的能耗要比斜叶圆盘涡轮叶片的能耗低;相同条件下,无挡板搅拌釜能耗要比有挡板搅拌釜能耗低。（2）在速度分布方面:倾角θ=45°时,速度的轴向分量最大;相同条件下,斜叶开启涡轮叶片在监测区域的“有效轴向速度...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
搅拌HouariAmeur利用CFD的方法研究
很大影响，因此湍流的强度和湍流扩散就显得极为重要。涡旋通常伴随着湍流产生，其具有随机性和多尺度性，因此也就决定了湍流也具备这样的性质[24]。湍动能的级串概念中提到，湍流场能量传递是一个相当复杂的过程，能量从大到小的传递与涡旋的变形密切相关。但是并没有通过理论的方法去验证这一理论。后来Kolmogorov用数学的方法表述了湍动能的级串概念，并提出“柯尔莫戈洛夫湍流理论”。揭示了多尺度湍流涡旋的能量传输过程：大涡破裂成小涡，在这个过程中产生能量传递，小涡继续分裂成更小的涡旋，直到能量发生耗散，如图1.2所示：图1.2湍动能的级串示意图各级尺度的涡旋都具有能量，能量大小与其涡尺度大小成比例。大尺度涡的能量较高，小尺度涡的能量较校在任何时刻，不同尺度的涡旋都是同时存在的，因此能量的传递和转化也是一直存在的。孟庆国等人通过定量的分析边界层转捩中的动力学过程，对湍流级串与边界层转捩的动力学过程做了进一步的研究，给出了各级尺度涡旋的演化过程[25]。冉政分析了有关湍流能量级串的理论，指出当前的湍流研究方法是比较局限的，通过对Karman-Howarth方程的进一步研究，发现湍流能量级串的演化过程是一种非线性变化[26]。涡作为湍流的肌腱，在湍流的生成、演变过程中扮演着重要的角色。在湍流的研究中，涡的定义和识别一直以来都是一个难题，长期以来，研究人员提出Q[27]、λ2[28]、Δ[29]和λci[30]等涡识别方法用以研究湍流中的涡结构，这对描述流体运动起到关键的作用。在搅拌釜内，不同搅拌叶片在旋转时，产生的主要流动结构不同。相同的叶片在不同的搅拌釜结构下，产生的流动状态也有巨大的差异。因此，在这样复杂的背景下，釜内流体微团的主要运动方式也千差万别，这对于搅拌釜内不同物料的剪切、混合
硕士学位论文7第二章搅拌设备基本工作原理及推进叶片设计2.1搅拌设备简介搅拌或混合是指对不同介质均匀混合的操作。在石油化工领域中的搅拌多为气-液、液-液及固-液搅拌，搅拌操作需要搅拌设备完成，搅拌过程是搅拌叶片通过旋转将机械能转化为流体的能量，并在搅拌釜内形成适当的流场，加快不同相间的混合[35]。搅拌操作涉及混合、分散、溶解、结晶、传热和化学反应等，其目的可分为：(1)使互溶物料相互混合，使不互溶的物料均匀分散；(2)强化传质传热；(3)促进化学反应；图2.1搅拌设备示意图搅拌设备一般由旋转装置，搅拌釜及密封结构三个主要部分组成，如图2.1所示。旋转装置包括搅拌叶片和传动结构，其中搅拌叶片是搅拌设备中的核心部件，它将机械能传递给搅拌物料并在釜内产生流动，迫使物料不断运动以达到混合的目的。密封结构是搅拌设备中的重要组成部分，由于搅拌设备多用于化工、食品医药等领域，在生产过程中要极力避免发生泄漏，对其运行的安全性有着非常高的要求，因此密封结构多采用机械密封。搅拌釜是由釜体以及附带设备组成，工业上常用的搅拌釜多为圆筒状的压力容器，为避免釜内形成流动死区，减弱混合能力，通常把搅拌釜的上下封头设计为半球形或椭球形。釜体上常装有各种附带设备，常见的有挡板、温度计接管等。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A study on periodic boundary condition in direct numerical simulation for gas–solid flow[J]. Shiwen Liu,Xiaowen Liu,Feiguo Chen,Limin Wang,Wei Ge. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2020(01)
[2]带导流筒无挡板搅拌槽搅拌功率的实验研究[J]. 张丽强,郑云龙,张万东,禹耕之,罗明生. 北京石油化工学院学报. 2018(03)
[3]双层桨自吸式气液搅拌釜内的功率准数[J]. 高勇,严彪,胡军,范晓勇. 石油化工. 2018(03)
[4]搅拌槽内混合过程的模拟计算方法[J]. 李健达,张洪波,刘媛,程亮,白建红. 当代化工. 2016(08)
[5]双层桨搅拌槽内层流流场与混合时间的数值模拟[J]. 梁瑛娜,高殿荣,拜亮. 机械工程学报. 2015(16)
[6]各向同性湍流能量级串中的旋涡分岔机制[J]. 冉政. 北京航空航天大学学报. 2012(07)
[7]聚合条件对PVDF颗粒形态的影响[J]. 方敏,傅公维,王建军,关旸,李秀娟,周燕. 有机氟工业. 2011(04)
[8]多相搅拌槽内宏观混合研究进展[J]. 程荡,程景才,雍玉梅,杨超,毛在砂. 化学工程. 2011(06)
[9]多层桨搅拌槽内气-液两相局部气含率研究[J]. 高娜,包雨云,高正明. 高校化学工程学报. 2011(01)
[10]气液搅拌槽内气泡尺寸与局部气含率的CFD模拟[J]. 李良超,王嘉骏,顾雪萍,冯连芳,李伯耿. 浙江大学学报(工学版). 2010(12)
本文编号：3405295
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
搅拌HouariAmeur利用CFD的方法研究
很大影响，因此湍流的强度和湍流扩散就显得极为重要。涡旋通常伴随着湍流产生，其具有随机性和多尺度性，因此也就决定了湍流也具备这样的性质[24]。湍动能的级串概念中提到，湍流场能量传递是一个相当复杂的过程，能量从大到小的传递与涡旋的变形密切相关。但是并没有通过理论的方法去验证这一理论。后来Kolmogorov用数学的方法表述了湍动能的级串概念，并提出“柯尔莫戈洛夫湍流理论”。揭示了多尺度湍流涡旋的能量传输过程：大涡破裂成小涡，在这个过程中产生能量传递，小涡继续分裂成更小的涡旋，直到能量发生耗散，如图1.2所示：图1.2湍动能的级串示意图各级尺度的涡旋都具有能量，能量大小与其涡尺度大小成比例。大尺度涡的能量较高，小尺度涡的能量较校在任何时刻，不同尺度的涡旋都是同时存在的，因此能量的传递和转化也是一直存在的。孟庆国等人通过定量的分析边界层转捩中的动力学过程，对湍流级串与边界层转捩的动力学过程做了进一步的研究，给出了各级尺度涡旋的演化过程[25]。冉政分析了有关湍流能量级串的理论，指出当前的湍流研究方法是比较局限的，通过对Karman-Howarth方程的进一步研究，发现湍流能量级串的演化过程是一种非线性变化[26]。涡作为湍流的肌腱，在湍流的生成、演变过程中扮演着重要的角色。在湍流的研究中，涡的定义和识别一直以来都是一个难题，长期以来，研究人员提出Q[27]、λ2[28]、Δ[29]和λci[30]等涡识别方法用以研究湍流中的涡结构，这对描述流体运动起到关键的作用。在搅拌釜内，不同搅拌叶片在旋转时，产生的主要流动结构不同。相同的叶片在不同的搅拌釜结构下，产生的流动状态也有巨大的差异。因此，在这样复杂的背景下，釜内流体微团的主要运动方式也千差万别，这对于搅拌釜内不同物料的剪切、混合
硕士学位论文7第二章搅拌设备基本工作原理及推进叶片设计2.1搅拌设备简介搅拌或混合是指对不同介质均匀混合的操作。在石油化工领域中的搅拌多为气-液、液-液及固-液搅拌，搅拌操作需要搅拌设备完成，搅拌过程是搅拌叶片通过旋转将机械能转化为流体的能量，并在搅拌釜内形成适当的流场，加快不同相间的混合[35]。搅拌操作涉及混合、分散、溶解、结晶、传热和化学反应等，其目的可分为：(1)使互溶物料相互混合，使不互溶的物料均匀分散；(2)强化传质传热；(3)促进化学反应；图2.1搅拌设备示意图搅拌设备一般由旋转装置，搅拌釜及密封结构三个主要部分组成，如图2.1所示。旋转装置包括搅拌叶片和传动结构，其中搅拌叶片是搅拌设备中的核心部件，它将机械能传递给搅拌物料并在釜内产生流动，迫使物料不断运动以达到混合的目的。密封结构是搅拌设备中的重要组成部分，由于搅拌设备多用于化工、食品医药等领域，在生产过程中要极力避免发生泄漏，对其运行的安全性有着非常高的要求，因此密封结构多采用机械密封。搅拌釜是由釜体以及附带设备组成，工业上常用的搅拌釜多为圆筒状的压力容器，为避免釜内形成流动死区，减弱混合能力，通常把搅拌釜的上下封头设计为半球形或椭球形。釜体上常装有各种附带设备，常见的有挡板、温度计接管等。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A study on periodic boundary condition in direct numerical simulation for gas–solid flow[J]. Shiwen Liu,Xiaowen Liu,Feiguo Chen,Limin Wang,Wei Ge. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2020(01)
[2]带导流筒无挡板搅拌槽搅拌功率的实验研究[J]. 张丽强,郑云龙,张万东,禹耕之,罗明生. 北京石油化工学院学报. 2018(03)
[3]双层桨自吸式气液搅拌釜内的功率准数[J]. 高勇,严彪,胡军,范晓勇. 石油化工. 2018(03)
[4]搅拌槽内混合过程的模拟计算方法[J]. 李健达,张洪波,刘媛,程亮,白建红. 当代化工. 2016(08)
[5]双层桨搅拌槽内层流流场与混合时间的数值模拟[J]. 梁瑛娜,高殿荣,拜亮. 机械工程学报. 2015(16)
[6]各向同性湍流能量级串中的旋涡分岔机制[J]. 冉政. 北京航空航天大学学报. 2012(07)
[7]聚合条件对PVDF颗粒形态的影响[J]. 方敏,傅公维,王建军,关旸,李秀娟,周燕. 有机氟工业. 2011(04)
[8]多相搅拌槽内宏观混合研究进展[J]. 程荡,程景才,雍玉梅,杨超,毛在砂. 化学工程. 2011(06)
[9]多层桨搅拌槽内气-液两相局部气含率研究[J]. 高娜,包雨云,高正明. 高校化学工程学报. 2011(01)
[10]气液搅拌槽内气泡尺寸与局部气含率的CFD模拟[J]. 李良超,王嘉骏,顾雪萍,冯连芳,李伯耿. 浙江大学学报(工学版). 2010(12)
本文编号：3405295
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