粉体搅拌槽内功率特性研究

发布时间：2020-09-09 11:45

　　在医药化工生产等领域中粉体颗粒搅拌是重要的单元操作。在粉体颗粒搅拌中功率消耗是关注的重点。建立扭矩模型是研究混合过程中功率消耗的一个重要方法。该方法不仅可以帮助工业放大,也是研究工程机械与介质相互作用动力学问题的理论基础。离散元法(Discrete Element Method,DEM)是一种通过受力模型模拟颗粒间的碰撞过程,分析单个颗粒和颗粒群运动、受力的数值方法。该方法已经在颗粒搅拌过程工业中得到广泛应用。本研究在直径为210 mm的平底不锈钢搅拌槽内,对平均直径为114μm的玻璃珠粉体和平均直径为5 mm的球形玻璃颗粒的搅拌功率进行研究。通过扭矩传感器进行不同桨叶形状搅拌两种不同物料功率的测量。对搅拌平均直径为114 μm的粉体物料的搅拌扭矩结果和桨型参数进行分析,建立无因次模型和半理论半经验模型;通过DEM数值模拟方法对平均直径为5 mm的球形颗粒在不同搅拌桨、不同转速、不同填料量的情况下进行数值模拟,研究颗粒搅拌内部的颗粒运动形态分布。实验结果表明,随着叶片长度的加长、叶片宽度的变大、搅拌物料料位相对高度的增加以及叶片数量增加,扭矩值也随之增大。在相同搅拌桨叶片数下,不同搅拌桨的扭矩值由小到大排列为:上提桨后掠桨直叶桨下压桨。根据定量分析知,对于平均粒径114μm 的玻璃微珠,搅拌桨扭矩值与料位相对高度的关系式为:MT=k2(H/T)1.5,不同桨型k2值不同。对于平均粒径5 mm的玻璃珠,搅拌桨扭矩值、料位相对高度和转速的关系式为:MT=k3(H/T)1.3(N)0.1,不同桨型k3值不同。通过因次分析建立了功率准数Np与搅拌桨直径与料位高度之比(D/H)、搅拌桨宽度与料位高度之比(w/H)、桨叶转速无因次化表达式g/(HN2)、叶片数(n)这四项之间的关系公式为:Np=4.206(D/H)-3.131(w/H)0.550(g/(HN2)1.034n0.2,拟合结果R2=0.990,且通过无因次公式计算的值与实验值的偏差在±15%以内。半经验半理论模型建立了扭矩(MT)与搅拌桨直径D、搅拌桨宽度w、料位高度H、转速N、粉体间摩擦系数μ等变量之间的关系为:MT=0.504D2ρg[(H-C)2-(H-w-C)2]+0.168D3ρg(2H-w-2C)-0.488N2D4ρw,通过该公式计算值与实验值的偏差在±20%以内。DEM模拟结果显示各桨型在混合过程中的搅拌扭矩值与实验所测扭矩值基本吻合。同时,通过数值模拟发现颗粒的运动形态和循环范围受桨叶宽度、桨叶斜度的影响;相同桨型下,循环流的强弱和分布面积主要受桨叶叶片数的影响。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.72
【部分图文】：

混合原理,粉体

北京化工大学硕士学位论文逡逑该过程无法像流体中的分子扩散那样给出控制方程。当搅拌桨搅拌过后颗粒与颗逡逑粒之间形成了新的接触点。逡逑剪切混合是指在粉体进行对流混合时，在狭小区域内由于速度梯度较大所发逡逑生的颗粒之间滑移。在这狭小的区域外颗粒整体还是以团状的形式混合。因此剪逡逑切混合机理与对流混合相关，尤其是与高剪切力下的粉体混合相关。因为在高剪逡逑切力下两个颗粒群的接触面积变大，可以更好的破坏团聚结构。逡逑

搅拌桨,结构示意图,搅拌轴

北京化工大学硕士学位论文逡逑图２－１为实验装置，电机与搅拌轴中间连接一个扭矩传感器，搅拌轴伸入一逡逑个内径为２１０邋ｍｍ，槽体高度为３１０邋ｍｍ的圆柱形不锈钢平底搅拌槽内。激光转逡逑速仪正对搅拌轴，启动时一束激光照射轴后，其反射光线进入转速仪引起内部电逡逑路变化，测得旋转物体的转速。搅拌桨距离槽底２１邋ｍｍ，是搅拌槽直径的０．１倍。逡逑电机工作T带动搅拌轴，再带动安装在轴上的搅拌桨叶旋转，通过搅拌桨对物料逡逑的机械作用力，使物料运动、碰撞，从而达到搅拌、混合。逡逑［：：广逦娍逡逑ＭＨＨ逦ＷＭ逦．逡逑（ａ）邋１６０Ｚ）４０ｗ邋二直叶桨逦（ｂ）邋１６０Ｄ６０ｗ邋二直叶桨逡逑（ａ）邋１６０Ｚ）４０ｗ邋ｔｗｏ邋９０°邋ｂｌａｄｅ逦（ｂ）邋１６０Ｄ６０＼ｖ邋ｔｗｏ邋９０°邋ｂｌａｄｅ逡逑ｋ邋ｉ逡逑（ｃ）邋１８０Ｄ４０Ｗ二直叶桨逦（ｄ）邋１８０Ｄ４０Ｗ三直叶桨逡逑（ｃ）邋１８０Ｄ６０Ｗ邋ｔｗｏ邋９０°邋ｂｌａｄｅ逦（ｄ）邋１８０￡）４０ｗ邋ｔｈｒｅｅ邋９０。ｂｌａｄｅ逡逑（ｅ）邋ｌ８0Ｄ４０ｗ三叶上提１８０Ｄ４0ｗ三叶下压桨逦（ｆ）邋１８０ＺＭ０ｗ四直

曲线图,粉体,曲线图,桨叶

图３－２／／／７Ｍ）．５粉体不同桨型的Ｍｒ－Ｎ曲线图逡逑Ｆｉｇ．邋３－２邋Ｍｊ－Ｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ邋ｉｎ邋Ｈ／Ｔ＝０．５逡逑图３－２为固定／／／ｒ下各个桨型下的ＭＴ－ｉＶ图。从图３－２中可知各个转速下当逡逑叶片数量与桨叶长宽固定不变时，改变桨叶的倾斜度，１８０／ＭＯｗ三叶上提桨扭逡逑矩值＜１８０Ｄ４０ｗ三直叶桨扭矩值＜１８０Ｚ）４０ｗ三下压桨扭矩值；当搅拌桨叶片数逡逑量不变、叶片与旋转平面的夹角均为９０°时，扭矩值随着叶片数目的增多而增逡逑大。当叶片的数目固定，叶片与旋转平面的夹角均为９０°时，扭矩值随着叶片逡逑长度、宽度的增加而增大。下面从受力原理方面依次进行分析。逡逑对于１６０Ｚ）６０ｗ二直叶桨、１６０Ｄ４０Ｗ二直叶桨，两个桨叶已经被粉体完全没逡逑过，宽桨叶下由于叶片旋转所接触到的颗粒数目较窄叶片更多，从而相同力矩下逡逑的受力更多，所以宽桨叶的扭矩值更大。逡逑对于１８０Ｄ４（ｈｖ二直叶桨、１６０Ｄ４０ｖｖ二直叶桨，在相同的搅拌速率下，长直逡逑叶桨能够使得更靠近搅拌槽壁面附近的颗粒受迫运动

【参考文献】