静态混合器结构优化设计与流场特性分析

为油田高能效驱油以提高原油产量,针对SK型和SX型静态混合器混合单元结构,通过创新设计和三维建模开发多重螺旋混合单元静态混合器,基于静态混合原理,利用FLUENT数值模拟软件,采用有限体积法,对所开发混合器内流体的流场进行仿真分析,研究该结构静态混合器的流动特性,结果表明,该种静态混合器使流体产生剪切和正反向涡旋作用,流体被充分扰动,混合均匀,满足油田注聚驱油要求,可为油田开发新型高效静态混合器提供一定技术支持。

非牛顿流体在叶片式静态混合器中的传热强化特性

非牛顿流体在化学、食品和材料等领域具有关键作用,但高表观黏度使其通常具有低传热特性。叶片式静态混合器作为一种高效的传热强化设备,在化工过程强化中具有鲜明的技术特色。本文针对非牛顿流体在Kenics静态混合器(KSM)和Lightnin静态混合器(LSM)内的流动和传热特性进行了比较研究。重点分析了体积流量、元件长径比及流体浓度等参数对羧甲基纤维素(CMC)幂律流体的流动及传热影响。结果表明,在相同工况下,随着CMC溶液的体积流量增大,管道内的换热系数和压降均增大。静态混合元件的插入使得换热系数和压降显著提高且Lightnin元件产生的影响更明显。元件长径比和CMC溶液浓度影响流体在管道内的流动和换热。随着长径比的减小,传热性能得到提高,但其增大的阻力系数影响占据主导地位,综合换热性能系数(PEC)降低。溶液浓度的增大使得管道换热能力逐步削弱,并对管道内压降的提升有显著影响,综合换热性能降低。总结得出,在体积流量为4.5×10^(-4)m^(3)/s,质量分数为0.374%、长径比为3.0时,KSM的PEC最大为2.114。

微气泡发生器的研究与应用进展

微气泡具有体积小、稳定性高、停留时间长、比表面积大和具有较强自增压效应等优点,可以显著增加气液两相的接触面积和接触时间,强化气液两相的传质速率。目前,多种基于不同原理的微气泡发生器均可以有效产生微气泡,而不同领域利用微气泡的侧重点有所不同,因此其应用的微气泡发生技术也有所区别。本文综述了微气泡发生器在水处理过程、生物和医学领域、矿物浮选过程以及化工过程中的应用,重点阐述了各工业过程中常用的微气泡发生器类型和微气泡发生器的发泡原理,简述了各类微气泡发生器的气泡生成效果,指出了微气泡发生器的结构和操作条件对微气泡发生性能的影响,总结了各类微气泡发生器的使用条件。当下,依靠单一原理的微气泡发生技术仍具有一定的局限性,而耦合式微气泡发生器结合多种微气泡生成原理的优势,可以产生尺寸更小、分布更均匀的微气泡,因此耦合式微气泡发生器的研发对未来微气泡技术的应用具有重要意义。本文最后对微气泡发生器的应用前景、研发方向等进行了总结和展望。

基于SMX静态混合器的天然气掺氢流动影响研究

为了获取均匀的天然气掺氢混合气,确保掺氢燃气管道稳定、安全输送,采用数值模拟与试验相结合的方法研究了天然气与氢气在SMX静态混合器中的掺混特性及影响因素,详细分析了掺混单元数量、运行工况和掺氢体积比等因素对掺混性能的影响。研究结果表明,氢气与天然气的混合主要依赖于混合单元不断改变流动状态,实现左旋和右旋相互交替,达到均匀混合。流动损失主要取决于静态混合器内流动速度,综合考虑SMX静态混合器的压力损失和混合均匀度性能指标,采用4个掺混单元、进口气流速度10 m/s是一个优选方案。此外,增大掺氢体积比和加长流经混合器出口下游管道长度均有利于提升氢气和天然气掺混均匀度,要结合燃气管道的具体情况来确定掺氢体积比的合理范围。

声共振混合器高黏度流体混合的功耗特性研究

声共振混合利用机械共振产生高加速度振动,从而促进流体流动,其功耗特性对于其设计及应用具有重要作用。为研究声共振混合器的功耗特性,基于CFD建立了声共振混合过程仿真模型,分析了高黏度流体声共振混合过程壁面对物料的作用力和做功功率,探究了黏度和振动参数改变对混合器功耗特性的影响,并建立了声共振混合器混合功率的预测函数。研究结果表明,在混合过程中,壁面对液相做功的瞬时功率呈现先减少后稳定波动的趋势,而有效功率呈现先增加后稳定波动的趋势,这种不同的变化趋势是由于两者的相位差发生变化所导致的。增加振幅、频率或等加速度下低频大振幅都能够增加瞬时功率和有效功率,并减少液相进入稳定流动阶段所需吸收的外界能量。

穿孔对穿孔型Kenics静态混合器混合性能的影响

为了提升传统Kenics静态混合器的混合效果,在传统螺旋插入带结构中引入穿孔结构,设计出穿孔型Kenics静态混合器。采用浓度变异系数评估穿孔内径(d)、穿孔间距(S)、混合单元长径比(Ar)对穿孔型静态混合器混合性能的影响。模拟结果表明,设置的穿孔结构会显著改变流体的流动状态,在穿孔处区域产生加速流动,进而提升混合器的混合性能;随着d的增加,流体之间的对流和交换作用逐渐增强,混合效果逐渐增强,但随着d的持续增加,导致混合器内部螺旋通道被破坏,混合效果反而减弱;仅改变S对混合效果没有明显影响;对于相同的混合器长度,Ar的减小导致混合元件数量增加,液体之间的扭转、剪切效果增强,混合器混合效果更好。

多室连续混合设备桨叶设计参数优化

为优化多室连续混合设备的设计参数,开展多室连续混合设备桨叶多目标优化研究。以混合室单位体积功耗和混合室轴截面有效混合面积为目标函数,峰值剪切应力为约束变量,建立了基于径向基函数的多目标优化模型,采用正交试验设计和遗传算法对桨叶进行了参数优化,并对优化结果进行了CFD仿真和试验验证。结果表明,多室连续混合设备特性参量的显著影响因素为桨叶外径、桨叶-壁面间隙以及桨叶转速。相对于初始设计,优化后单位体积功耗降低了14.90%,混合室轴截面有效混合面积增加了4.10%,二者乘积降低了11.47%,峰值剪切应力降低了21.28%,在混合能力降低较少的情况下安全性获得了较大的提升,证明了基于径向基函数的多目标遗传算法在多室连续混合设备性能优化上的可行性。

改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性的粒子图像测速技术

通过粒子图像测速技术(PIV)对装配三斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内流场进行了实验研究,在甘油-水溶液中研究了该组合桨在不同转速N、离底距C_(1)以及桨叶间距C_(2)时的槽内流场变化情况。研究结果表明:当转速N=100 r·min^(-1)时,上桨叶区的混合效果有所改善,桨叶间速度分布相对均匀;当离底距C_(1)=0.3H时,上桨叶区低速区域最小,搅拌槽内的混合效果达到最佳;当桨间距C_(2)=0.25H时,上桨叶区的低速区得到改善,混合效果有所提升,两桨叶间速度分布趋于平稳有利于混合和传质。

双层三窄叶旋桨搅拌槽内流场特性研究

以甘油-水溶液为流动介质,采用计算流体动力学和粒子图像测速技术相结合的方法,针对双层三窄叶旋桨搅拌槽,研究了旋桨参数离底距C_(1)、桨间距C_(2)及转速N对槽内流场特性的影响。结果表明,随着C_(1)的增大,下层桨叶的推动作用先增强后减弱,在C_(1)=0.25h(h为槽内液位高度)时槽底流体混合状态最佳。在C_(2)=0.24h时,上层旋桨影响区域形成高速涡旋,槽内两层旋桨桨叶间的流体流动状态最佳。在N=120 r/min时,槽内流体的湍动能及流速分布均较均匀,能耗较低。

微气泡型管式气液接触器的气液两相流动特性研究

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)数值模拟和室内实验相结合的方法,对其所涉及的成泡机理、气泡粒径分布特性等进行了系统研究。结果表明,采用体积分数法(VOF)模型耦合RNG k-ε湍流模型可模拟分析微气泡型管式气液接触器内成泡机理和气泡形态;在文丘里射流气泡发生器的扩张段内可将大气泡剪切破碎成微气泡,且微气泡均匀稳定;气泡粒径随液体流量的增大而减小,在液体流量为14.0 L/min、气体流量为最大自然吸气量、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(76.5μm);气泡粒径随气体流量的增大而增大,在气体流量为1.5 L/min、液体流量为8.0 L/min、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(86.7μm);气泡粒径随柱体长度的增大呈现先降低后基本不变的趋势,当柱体长度大于800 mm时,其对气泡粒径的影响较小。

超临界CO_(2)射流混合器喷嘴的模拟优化设计

提出了一种超临界CO_(2)射流混合器并建立射流模型,通过CFD模拟优化喷嘴结构和射流工况,最终确定涂料和超临界CO_(2)的最优混合效果。曲面响应分析法结果表明,各因素对射流破碎段湍动能的影响程度由大到小依次为压力、温度、喷射锥角。湍动能随压力的升高先减小后增大,随温度的升高而增大,随喷射锥角的增大先增大后减小。结合实际喷涂条件,在10 MPa、60℃条件下,从18°喷嘴锥角射出的超临界CO_(2)可在射流破碎段产生大于3000 m^(2)/s^(2)的湍动能。该研究结论可为超临界CO_(2)射流混合器的优化设计提供理论指导。

剪切搅拌器关键结构参数的优化设计

为研究剪切搅拌器关键结构参数对搅拌效果的影响,对剪切搅拌器优化前后的内流场进行数值计算。以搅拌功率、流速为判定依据,分析了圆盘外圆直径D_(1)、半球形叶片直径R对搅拌效果的影响。研究结果表明:D_(1)在320~360 mm范围变化,R不变的情况下,增加D_(1)使搅拌器轴功率增加,当D_(1)=360 mm,R=85 mm时,搅拌器功率为26.5 k W;R在75~95 mm范围变化,D_(1)不变的情况下,增加R也可使搅拌器轴功率增加,当D_(1)=330 mm,R=95 mm时,搅拌器功率为28.3 k W;改变D_(1)轴功率变化率约为0.08,改变R轴功率变化率约为0.41,改变D_(1)速度平均改变量约为0.02 m/s,改变R速度平均改变量约为0.065 m/s,表明D_(1)和R在相同增比的情况下,改变R使搅拌器获得更大的轴功率和流体剪切速率。

射流器气泡破碎机理及其影响因素分析

以射流器作为研究对象,利用Fluent软件对射流器内的流动特性进行数值模拟,根据射流器内速度、压力和湍流动能等相关参数的变化分析了射流器内气泡破碎的机理,并研究了喉嘴距和液体入口速度对射流器内气泡直径的影响。模拟结果表明,进气管的气体在喷嘴高速液体的带动下进入吸气室,两者在吸气室和喉管内剧烈碰撞混合,将大气泡剪切破碎成小气泡;喉嘴距减小,射流器内最大液体速度逐渐向右移动,吸气室内的涡流现象被抑制,能量损耗降低,当喉嘴距从40 mm减小到10 mm时,出口处的气泡平均直径从0.67 mm减小到0.45 mm;液体与气体之间的相互作用是气泡破碎的主要因素,液体入口速度增大时,湍流动能增强,液体与气体的相互作用增强,当液体入口速度增大为3.9 m/s时,出口处的气泡平均直径减小到0.36 mm。

卧式双轴圆盘反应器的成膜特性及圆盘结构优化模拟

圆盘反应器具有优异的传质性能,常被用于聚合物脱挥过程。通过CFD(流体力学)数值模拟方法,研究不同操作条件下卧式双轴搅拌圆盘反应器的成膜特性与表面更新特性,利用流体体积函数法模拟,得到相比于背转,对转在膜面积、表面更新频率和功率方面更有优势。聚合物黏度越大,液膜越厚。转速是影响液膜平均更新频率的主要因素。对比分析3类新型圆盘结构在不同工况条件下的脱挥性能,得到圆齿型圆盘表面更新快、功率消耗少,但持液量最少。

机械搅拌驱动下固液混沌混合特性数值模拟

混沌搅拌对于理解复杂系统行为、改善混合过程的效率和质量以及推动科学和技术的发展具有重要意义。通过数值模拟计算,从搅拌迹线和流场揭示了混沌搅拌的搅拌效果优于普通匀速搅拌。通过流场迹线分析,得出混沌搅拌强化搅拌效果的根本原因是混沌搅拌打破了搅拌的隔离死区。同时混沌搅拌所产生的整个流场的紊乱程度要远远大于普通匀速搅拌。

静态混合器在MMA装置中的应用

静态混合器是一种应用于物料混合过程的重要工具,特别是化工行业,具有安全环保、经济实用、低能耗、占地面积小、适用范围广、混合效果好等优点。MMA生产流程中利用管道静态混合器最大程度地混合物料,以提高反应效率、优化反应进程、提高基础物料的利用率,同时减少设备和管道管件的检修频率。通过对MMA装置中硫酸管道静态混合器的选型进行计算分析,以及对管道静态混合器的应用、选材、安装等的探讨,从而提出管道静态混合器的优势。

小型搅拌设备及其控制系统的研究与设计

针对当前搅拌设备存在的问题,为了满足多元化要求并提升混合效率,对搅拌设备的机械结构开展了可靠性设计。本文主体选用“一机两”构造并对传动系统装置、搅拌和主支架进行了相应的设计、校核与型号,并用Solidworks绘制了搅拌设备的三维零件图及流体动力学模拟仿真,模拟仿真结果显示,大双叶子桨混和效果最佳。

铺料机拨料装置的受力分析与结构优化设计

拨料桨作为铺料机拨料装置的关键部件,其结构设计的合理性是影响拨料轴强度和拨料装置的总体性能的重要因素,文章以新研制的田间草腐食用菌培养料铺料机拨料装置的拨料桨为研究对象,对其进行受力分析,并运用Solid-Works simulation有限元静力分析展开验证,实现对拨料装置的设计优化。

基于CFD仿真的高黏发酵反应物降黏研究

为了实现农林剩余物玉米秸秆、玉米芯和小麦秸秆的一种或多种混合物的预处理浆料的快速降黏液化,笔者进行了降黏研究。笔者对混合物中物料搅拌降黏机理提出假设,并利用CFD仿真技术对搅拌器结构、物料预处理类型及液化工艺组合的搅拌降黏体系进行液固两相流非稳态数值仿真,探究了速度场、湍流场的分布情况,确定了生物反应釜结构、尺寸及降黏液化工艺,最后进行了试验验证。结果表明:当反应釜上搅拌器直径为70mm、下搅拌器直径为75 mm,物料为酸处理下平均粒径为830~1450μm的颗粒,搅拌转速为200~300r/min时,搅拌液化的效果最优;由此确定了搅拌降黏体系,试验验证效果较好。CFD仿真结果可为浓稠物料反应釜搅拌器的设计及液化糖化工艺优选提供参考。

搅拌传动系统故障率及可靠性试验研究

搅拌传动系统在稀土冶炼分离生产线中属于主体设备,决定着生产线能否实现连续性运行。该文通过采集搅拌传动系统的实际运行以及实验室模拟运行过程中随机发生的故障数据,并结合学术界认可的设备可靠性研究方法进行分析,得到并明确了搅拌传动系统发生故障时所遵循的规律,此规律可为搅拌传动系统在实际应用中的故障诊断提供重要的数据支持。