基于固体碱催化酯交换的搅拌器内固液混合和流动特性数值模拟
发布时间：2021-08-27 10:00
作为一种低污染的可再生能源,生物柴油是由可再生的动植物油及废弃食用油脂与甲醇或乙醇通过酯交换反应制得的,是传统化石燃料的优质替代品。在目前较常见的固体碱催化酯交换生产生物柴油的过程中,固相催化剂和液相反应物主要是在固-液搅拌反应器中进行反应,两者的混合接触情况直接影响到反应速率和传质效果。因此,了解和掌握搅拌器内的流场及浓度场分布规律及影响因素,进而指导设计和优化放大反应器就有重要的研究价值和意义。本文在国家自然科学基金（51876106）、山东省重点研发计划（2018GGX104027）以及山东大学青年学者未来计划项目（2015WLJH33）资助下。以固-液搅拌器为研究对象,采用计算流体力学（CFD）技术对搅拌器进行了模拟研究,探究其内的固液混合情况和复杂的流动特性变化。在此基础上,基于相似准则对搅拌反应器进行了放大与结构优化设计,并通过模拟分析了放大及变结构优化后搅拌器内流场、浓度场及功率消耗的变化规律和影响因素,为固体碱催化酯交换生产生物柴油的工业化提供理论依据。具体工作内容如下:（1）选取常见的20L级六叶Rushton桨搅拌器为研究对象,使用CFD软件在欧拉-欧拉流体模型的基...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２搅拌器内旋转坐标系和静止坐标系间耦合示意图??１．２．３．６搅拌反应器放大方法??
山东大学硕士学位论文??表２－２搅拌桨结构参数表??搅拌桨直径Ｄ?圆盘直径?桨叶厚度?桨叶宽度Ｆ??７０ｍｍ?５２．５ｍｍ?２ｍｍ?１４ｍｍ??￣￣Ｉ?ｎ?ｖ，?＾?ｊ??ｖ?Ｉ?＾??ｒｌ?．??图２．１搅拌器结构图?图２．２?Ｒｕｓｈｔｏｎ搅拌桨结构图??２．２．２网格划分及无关性验证??在ＣＦＤ建模及划分网格的基础上，采用多重参考系法（ＭＲＦ）进行模拟，??并将模拟区域分为包含搅拌桨的叶轮区域（动子区域）和包含外侧静止的搅拌器??区域（静子区域），同时，两个区域交界面定义为ｉｎｔｅｒｆａｃｅ面进行数据的传递，??以此来保证计算时内外两部分的数据传递和耦合。??为了减少网格数量，降低对计算量和计算时间的需求，对搅拌器内采取混合??式网格划分的方法［１Ｑ２］。对叶轮附近湍流强烈的区域，进行非结构化四面体网格??划分，对其他流动较缓的区域进行结构化六面体网格划分，同时为了更好地模拟??流场状态，得到更准确的预测结果，对叶轮及搅拌轴处进行局部网格加密处理。??己有的研究表明，网格数目对模拟的结果有一定的影响，因此在模拟计算前，??进行了网格的无关性验证。对９．０Ｍ０４，?１．２ｘｌ〇５和１．５ｘｌ〇５网格数目进行网格无??关性验证的结果如图２．３所示，图中；－为距离轴中心线的距离，为搅拌反应器??底部半径，６Ｃ和《ａｖ分别为固相颗粒浓度和平均固相颗粒浓度，Ｚ为距离底部的??高度。综合考虑需要的计算量和计算的准确性，选用网格总数为１２０５４７８数目的??网格，相应的模型网格划分如图２．４所示。??２２??
２基于颗粒动力学理论２０Ｌ固－液搅拌体系的模拟研究??２．５?ｒ－ｒ???Ｚ／／／＝０．２??２．０?－?Ｇｒｉｄ?ｎｕｍｂｅｒ??＾??９．０ｘ１?〇４??１．５?－?——１．２ｘｌ０５??Ｉ??１．０?－?ＴＴＴＴＴ＾＾—??０．５?－??Ｑ?Ｑ??｜?ｊ?；?１?！?ｊ?ｌ?｜?｜???＇０．０?０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??ｒ／Ｒ??图２．３固相浓度径向分布的网格无关性验证??＿??图２．４搅拌器网格划分??２．２．３横拟设置??在进行数值模拟时，选取的液相是密度Ｐ＝ｌ〇〇〇ｋｇ／ｍ３、黏度／尸Ｏ．ＯＯｌＰａ＇ｓ的??水。固相选用的是平均直径ｉ／＝２６４｜ｉｍ、密度／；＝２４７１ｋｇ／ｍ３的玻璃球颗粒。同时，??颗粒在水中的浓度为ａ＝ｌ０ｖｏｌ．％。??求解速度、浓度等流场特性的具体设置为：采用双欧拉模型进行模拟，并通??过多重参考系法（ＭＲＦ）赋予叶轮区域初始转速。为了避免顶部通气，把顶部液??面设置为对称边界条件（Ｓｙｍｍｅｔｒｙ）?［９５］。静子区域内的搅拌轴也要旋转带动周??围流体转动，设置为动壁面（Ｍｏｖｉｎｇ?ｗａｌｌ），其余壁面均设置为无滑移壁面条??件。相间阻力模型采用适用于从低固含量向高固含量过渡的Ｈｕｉｌｉｎ－Ｇｉｄａｓｐｏｗ阻??力模型。为了保证模拟的准确且收敛，设置时间步长为０．００１ｓ。??２３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]十六烷值改进剂对甲醇/生物柴油柴油机排放的影响[J]. 李瑞娜,王忠,刘帅. 农业工程学报. 2018(20)
[2]生物柴油发动机燃烧特性与超细颗粒物排放特性[J]. 方文,苏欣,马文晓,徐孟龙,李海鸽,滑海宁. 长安大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]动态光散射法生物柴油黏度实验研究[J]. 毕胜山,崔军卫,申韶磊,王三发,吴江涛. 工程热物理学报. 2017(02)
[4]“波纹”内壁搅拌槽内的湍流流动特性[J]. 张翠勋,杨锋苓,连继咏. 化工进展. 2015(04)
[5]改进型INTER-MIG搅拌槽内固液悬浮特性的数值模拟[J]. 周勇军,卢源,陈明濠,梁家勇. 过程工程学报. 2014(05)
[6]基于计算流体力学模拟的下沉与上浮颗粒在搅拌槽内的固液悬浮特性[J]. 李良超,徐斌,杨军. 机械工程学报. 2014(12)
[7]CFD simulation of particle suspension in a stirred tank[J]. Nana Qi,Hu Zhang,Kai Zhang,Gang Xu,Yongping Yang. Particuology. 2013(03)
[8]酯交换法制备生物柴油反应机理的研究进展[J]. 张萍波,韩秋菊,范明明,杨静,李斯斯,蒋平平. 石油化工. 2012(09)
[9]不同挡板絮凝反应器流场的实验研究[J]. 孙姣,崔绍华,孙泽沾,康勇. 化工进展. 2012(08)
[10]基于LED光源反射的液固搅拌槽中颗粒悬浮特性测定的光纤法[J]. 周宏宝,李向阳,杨超,毛在砂,张广积. 过程工程学报. 2011(06)
博士论文
[1]搅拌槽内流体流动及上浮颗粒悬浮混合的CFD数值模拟[D]. 乔胜超.天津大学 2014
本文编号：3366139
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２搅拌器内旋转坐标系和静止坐标系间耦合示意图??１．２．３．６搅拌反应器放大方法??
山东大学硕士学位论文??表２－２搅拌桨结构参数表??搅拌桨直径Ｄ?圆盘直径?桨叶厚度?桨叶宽度Ｆ??７０ｍｍ?５２．５ｍｍ?２ｍｍ?１４ｍｍ??￣￣Ｉ?ｎ?ｖ，?＾?ｊ??ｖ?Ｉ?＾??ｒｌ?．??图２．１搅拌器结构图?图２．２?Ｒｕｓｈｔｏｎ搅拌桨结构图??２．２．２网格划分及无关性验证??在ＣＦＤ建模及划分网格的基础上，采用多重参考系法（ＭＲＦ）进行模拟，??并将模拟区域分为包含搅拌桨的叶轮区域（动子区域）和包含外侧静止的搅拌器??区域（静子区域），同时，两个区域交界面定义为ｉｎｔｅｒｆａｃｅ面进行数据的传递，??以此来保证计算时内外两部分的数据传递和耦合。??为了减少网格数量，降低对计算量和计算时间的需求，对搅拌器内采取混合??式网格划分的方法［１Ｑ２］。对叶轮附近湍流强烈的区域，进行非结构化四面体网格??划分，对其他流动较缓的区域进行结构化六面体网格划分，同时为了更好地模拟??流场状态，得到更准确的预测结果，对叶轮及搅拌轴处进行局部网格加密处理。??己有的研究表明，网格数目对模拟的结果有一定的影响，因此在模拟计算前，??进行了网格的无关性验证。对９．０Ｍ０４，?１．２ｘｌ〇５和１．５ｘｌ〇５网格数目进行网格无??关性验证的结果如图２．３所示，图中；－为距离轴中心线的距离，为搅拌反应器??底部半径，６Ｃ和《ａｖ分别为固相颗粒浓度和平均固相颗粒浓度，Ｚ为距离底部的??高度。综合考虑需要的计算量和计算的准确性，选用网格总数为１２０５４７８数目的??网格，相应的模型网格划分如图２．４所示。??２２??
２基于颗粒动力学理论２０Ｌ固－液搅拌体系的模拟研究??２．５?ｒ－ｒ???Ｚ／／／＝０．２??２．０?－?Ｇｒｉｄ?ｎｕｍｂｅｒ??＾??９．０ｘ１?〇４??１．５?－?——１．２ｘｌ０５??Ｉ??１．０?－?ＴＴＴＴＴ＾＾—??０．５?－??Ｑ?Ｑ??｜?ｊ?；?１?！?ｊ?ｌ?｜?｜???＇０．０?０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７?０．８?０．９?１．０??ｒ／Ｒ??图２．３固相浓度径向分布的网格无关性验证??＿??图２．４搅拌器网格划分??２．２．３横拟设置??在进行数值模拟时，选取的液相是密度Ｐ＝ｌ〇〇〇ｋｇ／ｍ３、黏度／尸Ｏ．ＯＯｌＰａ＇ｓ的??水。固相选用的是平均直径ｉ／＝２６４｜ｉｍ、密度／；＝２４７１ｋｇ／ｍ３的玻璃球颗粒。同时，??颗粒在水中的浓度为ａ＝ｌ０ｖｏｌ．％。??求解速度、浓度等流场特性的具体设置为：采用双欧拉模型进行模拟，并通??过多重参考系法（ＭＲＦ）赋予叶轮区域初始转速。为了避免顶部通气，把顶部液??面设置为对称边界条件（Ｓｙｍｍｅｔｒｙ）?［９５］。静子区域内的搅拌轴也要旋转带动周??围流体转动，设置为动壁面（Ｍｏｖｉｎｇ?ｗａｌｌ），其余壁面均设置为无滑移壁面条??件。相间阻力模型采用适用于从低固含量向高固含量过渡的Ｈｕｉｌｉｎ－Ｇｉｄａｓｐｏｗ阻??力模型。为了保证模拟的准确且收敛，设置时间步长为０．００１ｓ。??２３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]十六烷值改进剂对甲醇/生物柴油柴油机排放的影响[J]. 李瑞娜,王忠,刘帅. 农业工程学报. 2018(20)
[2]生物柴油发动机燃烧特性与超细颗粒物排放特性[J]. 方文,苏欣,马文晓,徐孟龙,李海鸽,滑海宁. 长安大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]动态光散射法生物柴油黏度实验研究[J]. 毕胜山,崔军卫,申韶磊,王三发,吴江涛. 工程热物理学报. 2017(02)
[4]“波纹”内壁搅拌槽内的湍流流动特性[J]. 张翠勋,杨锋苓,连继咏. 化工进展. 2015(04)
[5]改进型INTER-MIG搅拌槽内固液悬浮特性的数值模拟[J]. 周勇军,卢源,陈明濠,梁家勇. 过程工程学报. 2014(05)
[6]基于计算流体力学模拟的下沉与上浮颗粒在搅拌槽内的固液悬浮特性[J]. 李良超,徐斌,杨军. 机械工程学报. 2014(12)
[7]CFD simulation of particle suspension in a stirred tank[J]. Nana Qi,Hu Zhang,Kai Zhang,Gang Xu,Yongping Yang. Particuology. 2013(03)
[8]酯交换法制备生物柴油反应机理的研究进展[J]. 张萍波,韩秋菊,范明明,杨静,李斯斯,蒋平平. 石油化工. 2012(09)
[9]不同挡板絮凝反应器流场的实验研究[J]. 孙姣,崔绍华,孙泽沾,康勇. 化工进展. 2012(08)
[10]基于LED光源反射的液固搅拌槽中颗粒悬浮特性测定的光纤法[J]. 周宏宝,李向阳,杨超,毛在砂,张广积. 过程工程学报. 2011(06)
博士论文
[1]搅拌槽内流体流动及上浮颗粒悬浮混合的CFD数值模拟[D]. 乔胜超.天津大学 2014
本文编号：3366139
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