剪切变稀体系下双轴组合搅拌桨的气液分散、传质和混合特性研究

发布时间：2017-11-02 10:01

  本文关键词：剪切变稀体系下双轴组合搅拌桨的气液分散、传质和混合特性研究

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【摘要】：气液搅拌设备具有较强的适用性和简易的操作要求等特点,被广泛应用于生物化工、石油化工等过程工业中,目的是通过良好有效的气液两相接触,扩大气液相界比表面积,达到所需要的气液分散、传质效果。然而当前关于气液搅拌的研究仍存在不足：首先,研究的对象多为牛顿体系,而实际的搅拌生产中,考虑到研究物系的复杂性,多以具有剪切变稀特性的非牛顿体系为主。其次,在气液搅拌体系中所采用的搅拌桨型多为单轴的单层或多层组合搅拌桨,而对在较高粘度体系或近壁区搅拌中存在明显优势的双轴组合搅拌桨的应用几乎空白,亟待补充。因此,本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对双轴搅拌桨在剪切变稀体系下的气液分散、传质和混合特性进行深入探究。首先,对单轴和双轴搅拌桨不同转动模式的气液分散效果进行了探究,在此基础上,系统地探讨了桨型组合(RT+GT.6PBDT+GT、6BDT+GT 及 RT+DHR)、操作条件(转速和表观气速)、粘度(0.1%XG、0.15%XG、0.2%XG、0.3%XG)对气液分散、传质和混合特性的影响。此外,为了对实验结果进一步的放大和补充说明,本文还借助计算流体力学方法(CFD)对搅拌体系进行数值模拟,进一步加深对气液分散和传质的理解。实验研究表明：a)与单轴气液搅拌相比,反转模式下的双轴搅拌桨在泵送能力方面和整体气含率方面具有优越性,因此本实验以反转模式下的双轴搅拌桨作为后期实验的研究对象；b)在桨型组合方面,如果考虑泵送能力和整体气含率,6BDT+GT表现最优；在溶氧能力方面,相同功率消耗下,6PBDT+GT和RT+DHR溶氧能力更强；c)在操作条件方面,粘度的增加,导致泵送能力和传质系数下降,整体气含率和混合时间增加；转速的增加,使泵送能力先下降后上升,整体气含率和传质系数上升,混合时间缩短；表观气速的增加,泵送能力先减小后趋于稳定,整体气含率和传质系数上升,而对气液混合的影响依赖于临界转速,临界转速之下,表观气速对气液混合效果起抑制作用,临界转速之上,表观气速则起促进作用,可有效改善混合效果；d)基于已有的实验研究成果,对各研究参数进行了相关公式拟合,并根据相关系数探讨了整体气含率、氧体积传质系数受表观气速和转速的影响程度的大小,为实际生产中改善桨型组合气液分散和传质特性提供有效的参考依据。在模拟方面,基于现有的国内外研究,对剪切变稀体系中的曳力模型、气泡聚并模型进行了修正与自定义,获得了更高转速、更高粘度工况的气液两相流特性,并补充探究了实验无法获取的流场及其他局部参数。
【关键词】：双轴组合搅拌桨 剪切变稀体系 气液分散与传质 气液混合 计算流体力学(CFD)
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.7
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符号说明12-15
• 1 绪论15-29
• 1.1 课题的背景与意义15-16
• 1.2 气液分散机理与状态16-18
• 1.2.1 气液分散状态16-17
• 1.2.2 气液分散机理17-18
• 1.3 气液两相流的研究进展18-21
• 1.3.1 搅拌桨型的研究进展18-19
• 1.3.2 操作条件的研究进展19-20
• 1.3.3 物性参数的研究进展20-21
• 1.4 各参数实验测量方法21-25
• 1.4.1 宏观流场21-22
• 1.4.2 气含率22-23
• 1.4.3 混合时间23-24
• 1.4.4 氧体积传质系数24-25
• 1.5 模拟的研究进展25-27
• 1.5.1 气液两相流模型25-26
• 1.5.2 气泡处理方法26-27
• 1.6 本论文研究内容27-29
• 1.6.1 实验研究27-28
• 1.6.2 数值模拟研究28-29
• 2 气液两相流的实验装置和测量方法29-39
• 2.1 实验设备和材料29-33
• 2.1.1 实验装置29-31
• 2.1.2 实验物料31-33
• 2.2 实验测量方法33-39
• 2.2.1 功率的测量33-34
• 2.2.2 整体气含率的测量34-35
• 2.2.3 混合时间的测量35-36
• 2.2.4 氧体积传质系数的测量36-39
• 3 气液两相流的实验结果与讨论39-57
• 3.1 引言39
• 3.2 单轴与双轴搅拌器的比较39-43
• 3.2.1 功率的比较39-41
• 3.2.2 整体气含率的比较41-43
• 3.3 功率特性的探究43-46
• 3.3.1 表观气速对功率的影响43-44
• 3.3.2 转速对功率的影响44
• 3.3.3 粘度对功率的影响44-46
• 3.4 整体气含率的探究46-49
• 3.4.1 表观气速对整体气含率的影响46-47
• 3.4.2 转速对整体气含率的影响47-48
• 3.4.3 整体气含率的关联式拟合48-49
• 3.5 氧体积传质系数的探究49-53
• 3.5.1 表观气速对氧体积传质系数的影响49-50
• 3.5.2 转速对氧体积传质系数的影响50-51
• 3.5.3 粘度对氧体积传质系数的影响51-52
• 3.5.4 氧体积传质系数的关联式拟合52-53
• 3.6 混合时间的探究53-55
• 3.6.1 转速对混合时间的影响53-54
• 3.6.2 表观气速对混合时间的影响54-55
• 3.7本章小结55-57
• 4 气液两相流的数值模拟57-87
• 4.1 引言57
• 4.2 数学模型57-61
• 4.2.1 欧拉-欧拉两相流模型57
• 4.2.2 湍流模型57-58
• 4.2.3 气泡曳力模型58-60
• 4.2.4 群体平衡模型(PPBM)60-61
• 4.2.5 氧传质模型61
• 4.3 数值模拟策略61-68
• 4.3.1 搅拌釜几何模型与网格划分61-63
• 4.3.2 研究流体的物性参数63
• 4.3.3 求解设置与边界条件63-64
• 4.3.4 周期性简化64-65
• 4.3.5 网格无关性检查65-68
• 4.4 数值模拟结果68-85
• 4.4.1 单轴与双轴的比较68-69
• 4.4.2 速度流场69-71
• 4.4.3 气含率71-77
• 4.4.4 气泡尺寸分布77-81
• 4.4.5 氧体积传质系数81-82
• 4.4.6 氧体积传质系数的微观分析82-84
• 4.4.7 模拟值与相关值的比较84-85
• 4.5 本章小结85-87
• 5 结论与展望87-91
• 5.1 结论87-88
• 5.2 展望88-91
• 参考文献91-99
• 作者简历99

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