混合澄清槽中混合性能的计算流体力学研究

发布时间：2017-05-20 18:13

  本文关键词：混合澄清槽中混合性能的计算流体力学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为一种分离单元操作,液液萃取适于处理精馏等方法不能适用的分离场合。混合澄清槽在如溶剂萃取法分离稀土元素的多级萃取过程中有广泛应用。计算流体力学的快速发展,使其越来越多地用于化工过程和设备的研究与开发。大三角型搅拌桨是适于多级混合澄清槽特点而研发的一种搅拌桨型式,以其优异的性能在稀土分离等过程中得到工业应用；但随设备规模的放大,也发现可能存在级间液相输送能力较弱的缺点。本文运用计算流体力学的方法,选择标准的k-ε模型作为湍流模型,以滑移网格法处理搅拌桨和静止槽体间相对运动,对配有大三角型搅拌桨混合澄清槽内流体力学行为进行了研究；重点考察了各几何结构和操作参数对搅拌桨性能的影响,并在此基础上提出结构改进方案,以提高抽吸性能。主要研究内容及相应的结果如下：首先,应用流体力学计算,对多级混合澄清槽已有工业应用的大三角型桨叶进行了结构优化以改善抽吸能力,并结合实验数据对模拟计算结果进行验证。结果表明,在保证混合的基础上,低安装高度有利于抽吸,且不会带来功率消耗的增加；潜室出口孔直径D0/T=5/24时最有利于抽吸；增加叶轮直径和叶片数量,均可提高抽吸压头,但同时会带来功率消耗的明显增加；增加混合槽吸入孔高度,可在不提高功率消耗的情况下,强化抽吸能力,为桨叶的改进设计提供了方向。其次,在前期研究形成认识的基础上,提出了改进混合槽中搅拌桨性能的几种结构设计方案,即以大三角型桨叶原有结构为基础,在大三角型桨叶底部分别叠加圆柱形导流筒,倒锥形导流筒和闭式涡轮结构以期进一步提高搅拌桨的抽吸能力,并进行了计算模拟。结果表明,在相同的搅拌转速下,三种结构改进后的桨叶与原桨叶在功率消耗上并无明显差别,而大三角底部叠加闭式涡轮结构的新型桨叶可以提供最高的抽吸压头。最后,为了确保新设计桨叶能够满足更大规模工业级混合澄清槽的正常运行,选择抽吸能力最好的大三角和闭式涡轮组合的改进桨叶进行放大设计,并在扩试规模设备中进行了实验验证。结果表明,在保证单位液体体积内消耗的搅拌功率水平相等的原则下,放大前后功率准数无明显差别,而压头准数略有上升。在功率消耗同为P/V=0.5 kW/m3时,新设计桨叶Ⅲ与原桨叶相比,抽吸压头可提高13.5%,混合性能也得到一定提升。扩试规模的实验结果与计算模拟值相吻合,验证了计算结果的可靠性。本文的研究工作结果,可以为混合槽搅拌桨结构优化,提高多级混合澄清槽操作中级间液相的输送能力,强化设备处理通量提供理论指导。
【关键词】：混合澄清槽 计算流体力学 大三角型桨叶 抽吸压头 搅拌功率
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ027.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 前言12-13
• 第2章 萃取设备研发和混合澄清槽计算流体力学研究综述13-26
• 2.1 溶剂萃取设备概述13-21
• 2.1.1 混合澄清槽13-17
• 2.1.2 塔式萃取设备17-20
• 2.1.3 离心萃取设备20-21
• 2.2 CFD在搅拌装置研究上的应用21-24
• 2.2.1 抽吸能力22-23
• 2.2.2 混合特性23-24
• 2.2.3 澄清特性24
• 2.3 本文研究内容及创新点24-26
• 2.3.1 研究内容25
• 2.3.2 主要创新点25-26
• 第3章 计算流体力学模型26-36
• 3.1 流体动力学控制方程26-29
• 3.1.1 质量守恒方程26-27
• 3.1.2 动量守恒方程27-28
• 3.1.3 能量守恒方程28
• 3.1.4 组分质量守恒方程28-29
• 3.2 湍流模型29-32
• 3.2.1 标准κ-ε模型30-31
• 3.2.2 RNG κ-ε模型31
• 3.2.3 Realizable κ-ε模型31-32
• 3.3 搅拌桨建模方法32-33
• 3.3.1 搅拌桨边界条件法32
• 3.3.2 内外迭代法32
• 3.3.3 多重参考系法32
• 3.3.4 滑移网格法32-33
• 3.4 控制方程的离散方法33-35
• 3.4.1 有限差分法33
• 3.4.2 有限元法33-34
• 3.4.3 有限体积法34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 混合澄清槽流场计算分析与结构优化36-52
• 4.1 模型建立与网格划分36-39
• 4.1.1 模型建立36-37
• 4.1.2 网格划分37-39
• 4.2 计算条件39-40
• 4.2.1 参数设置39
• 4.2.2 边界条件39-40
• 4.3 特性参数与模型验证40-42
• 4.3.1 特性参数40
• 4.3.2 模型验证40-42
• 4.4 结构优化42-51
• 4.4.1 搅拌桨安装高度的影响43-45
• 4.4.2 潜室出口孔直径的影响45-46
• 4.4.3 搅拌桨叶轮直径的影响46-48
• 4.4.4 搅拌桨叶片数量的影响48-49
• 4.4.5 混合槽吸入孔高度的影响49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 混合澄清槽中搅拌桨的新型结构设计及放大研究52-64
• 5.1 新型桨叶结构设计52-53
• 5.2 模型建立与计算条件53
• 5.2.1 模型建立53
• 5.2.2 计算条件53
• 5.3 CFD模拟结果53-56
• 5.3.1 特性参数比较53-54
• 5.3.2 流场特点比较54-56
• 5.4 混合澄清槽的放大研究56-62
• 5.4.1 模型建立及计算方法56
• 5.4.2 放大效果比较56-59
• 5.4.3 新设计桨叶速度场分析59-60
• 5.4.4 新设计桨与闭式Rushton涡轮桨性能比较60-61
• 5.4.5 CFD模型验证61-62
• 5.5 本章小结62-64
• 第6章 结论与展望64-66
• 6.1 结论64-65
• 6.2 展望65-66
• 参考文献66-73
• 硕士期间发表论文情况73-74
• 致谢74

【参考文献】

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