“牛角管”式组合桨釜内中药膏剂的流动传热特性

为解决高黏度中药膏剂在搅拌釜内受热不均、混合效率低下等问题,设计了新型“牛角管”式组合桨。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)中的瞬态滑移网格法,对内盘管加热下搅拌釜流场进行数值模拟研究,并对其中一种工况进行了普适性的实验验证,探究搅拌釜内中药膏剂的流场情况及温度分布规律,分析了同一组合桨不同转速下以及同一转速下不同组合桨对流场情况的影响。结果表明:新型组合桨在转速300 r/min时釜内温度以及流场混合效率最高,在该转速下,将新型组合桨与传统组合桨进行对比,“涡轮叶片”式组合桨对釜内温度分布影响能力弱,不适用于工业生产,“大叶片”式组合桨机械搅拌功耗和釜内温差均大于新型组合桨,使得新型组合桨在多方面优于传统组合桨。研究结果为工业生产提供参考。

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。

穿流-四斜叶组合桨桨间距对搅拌槽内流场特性的影响

基于计算流体力学中的大涡模拟方法,对不同桨间距C_(2)下的穿流-四斜叶组合桨搅拌槽内的流动特性进行了模拟分析,并采用粒子成像测速技术进行了实验对比研究。研究结果表明,桨间距对两桨叶之间的连接流作用及整体混合效果的影响较大。C_(2)=0.24H(H为搅拌槽高度)时两桨叶之间的连接流较为稳定,但搅拌槽上层区域流动较差;当C_(2)增大到0.29H时,搅拌槽内两搅拌桨间的连接流呈现S型,整体的混合能力更强;当C_(2)增大到0.34H时,两桨叶间的连接流能力减弱,且搅拌槽内的流型依据搅拌桨位置分化为上下2个较大的局部混合区域。

新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响

基于计算流体动力学(CFD)中的标准k-ε模型,对新型框式组合桨在釜内的不同层间距下的流动特性进行了模拟分析,并采用粒子成像测速(PIV)技术进行了实验对比研究。研究结果表明:釜内流场以框式桨内小二折叶桨为分界形成向上向下2个循环流;层间距对釜内流动特性影响较大,当层间距从C_(2)=0.47H增长为C_(2)=0.49H时,框式桨和近轴附近区域低速区大量消失;当层间距继续增加到C_(2)=0.53H时,两桨之间的连接流微弱,流体流型开始变得紊乱,低速区面积急剧增大。在4种工况中,层间距C_(2)=0.49H时整个搅拌釜内流场特性最有利于釜内物料的混合。研究结果可为新型框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨搅拌釜内传热性能

基于计算流体力学(CFD)模拟与传热实验相结合的方法,对带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨在内加热盘管搅拌釜的传热性能进行研究,获得搅拌釜内的流场分布、温度分布、温度边界层和盘管外侧的努塞尔数。研究表明,实验与数值模拟的温度误差在4K以内。搅拌釜内高温区位于盘管处循环大涡流区,釜内最大温差保持在3K以内。稳定翼可提高流体轴向循环性能,能够使搅拌釜内温度分布更加均匀。内盘管外侧XZ平面和YZ平面的平均温度边界层厚度分别为3.01mm和2.70mm。通过实验与数值模拟方法得到不同因素对内盘管外侧努塞尔数的影响,其顺序为:搅拌介质黏度>搅拌转速>桨叶间距>离底距离,实验与模拟的努塞尔数最大误差为14.56%,最小误差为4.23%,实验结果很好地验证了数值模拟的可行性。研究结果可为带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨应用于实际工业中提供参考。

刚柔组合桨搅拌强化锰矿浸出数值模拟

通过CFD软件对以SO_(2)气体为还原剂的锰矿浸出过程进行数值模拟,对比刚性单桨、刚性双桨及刚柔组合桨对于气-固-液三相混合强化作用。通过对固相及气相浓度云图分析,比较三种不同结构配置的搅拌反应器对固体颗粒悬浮和气体分散的作用大小,并对搅拌反应器内宏观、介观及其微观混合性能通过轴向和纵向的速度、湍动能及湍动能耗散率进行对比分析。结果表明:刚柔组合桨流场内并未出现颗粒团聚、气体分散不均等现象,并在流场上部对于颗粒悬浮及气体分散作用明显要强于单轴单桨及单轴双桨;刚柔组合桨的宏观、介观及其微观混合性能的表现均优于单轴单桨及单轴双桨。

改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟

通过计算流体动力学软件对改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜内的流场进行了数值模拟,研究了在不同转速N、离底距C1下釜内的流场。研究结果表明,随着转速的增加,桨叶对内盘管的冲刷作用增强,内盘管附近的低速区会逐渐减小,促进了内盘管附近流体的混合;在C1=125 mm时,内盘管向下的导流作用明显,增加了搅拌釜底部壁面速度,有利于搅拌釜底部壁面附近流体的混合。将模拟得出的搅拌桨功率准数Np与实验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性。研究结果可为类似改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜的结构优化提供参考。

2斜叶-框式组合桨釜内流场实验研究

为将2斜叶-框式组合桨高效应用于实际工程,课题组以不同质量分数的甘油-水溶液为搅拌介质,通过粒子图像测速技术(PIV)对该改进型框式组合桨搅拌釜内的流动特性进行实验研究,分析了桨间距、顶桨直径和搅拌介质黏度变化对釜内流场产生的影响。研究结果表明:随着桨间距的增加,2桨叶间流体的循环效果先增强后减弱,桨间距C_(2)=0.52H时2桨叶配合最佳;顶桨直径D_(1)=250 mm时形成2个涡合能力较好的涡流,此时釜内流体的整体混合情况较好;随着黏度的增大,2桨叶间扰动增强,整个搅拌釜内速度分布变得更加均匀,表明改进型框式组合桨更适用于黏度较高的溶液中。研究结果可为2斜叶-框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内转速对流场的影响

利用计算流体力学(CFD)对带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内流场进行数值模拟,分析了不同转速下釜内流型、速度场、湍动能的变化规律。研究结果表明:搅拌器转速显著影响釜内流场和湍动能的分布,转速N=110 r/min时,釜内流型为径向流,稳定翼的切割推流作用表现明显,在釜内组合桨中间区域形成了一个高速涡旋,釜内流型为最佳流型;在该转速条件下釜内低速区趋近消失,速度分布合理;此时釜内上部和釜底的湍动能分层消失,釜内流体整体湍动程度较高,混合效果明显增强。

微波-刚柔组合桨强化软锰矿浸出实验研究

用黄铁矿-硫酸还原浸出软锰矿过程中存在锰浸出率低、硫转化不完全等问题,本研究将微波-刚柔组合桨作为强化手段应用于软锰矿的还原浸出过程,结果表明:在反应温度90℃,硫酸浓度1.5mol/L、黄铁矿与软锰矿质量比0.2、液固比10、微波功率550W、搅拌速率250r/min条件下反应180min,浸出率可达到91.64%。该工艺可以有效减少反应中硫单质的生成,提高浸出效率。

两相流搅拌槽内多层涡轮组合桨的模拟研究

文章在不相溶液液两相流搅拌槽内,就三种常用的圆盘涡轮搅拌器,对多层组合桨的搅拌特性进行了数值模拟,分别研究了流场特性、搅拌功率和混合时间。研究表明,多层桨中三种桨型的不同组合,会改变流体最大速度和流场死区的出现位置及影响范围,在不同位置出现封闭的局部小循环,破坏釜内流体的整体循环,并对宏观的混合时间产生较大影响。折叶桨有轴向流,可优先设置在最底层,以消除釜底死区。弯叶桨可产生高速径向流,可优先设置在中间层,利于釜内大循环的形成。多层桨不同桨层间的相互影响,使不同位置的桨叶的功率消耗不一致,现有传统的经验算法不适用于多层组合桨的功率计算,有必要进一步探讨。

组合桨聚合釜内非牛顿流体的混合特性

在476mm的椭圆底有机玻璃聚合釜中,以羧甲基纤维素-甘油水溶液(前者质量分数为1.3%)为实验物系,利用酸碱中和法测定了9种不同的搅拌桨直径与聚合釜直径比接近于1的组合搅拌桨沿聚合釜轴向及径向的混合特性。结果表明:内外螺带-锚式组合桨的轴向混合最强,但径向混合较差。框板式搅拌桨的轴向混合较内外螺带-锚式组合桨弱,但比改进偏框式桨强,其径向混合较后者弱。改进偏框桨的7种不同组合方式沿径向的混合良好,多数组合桨沿轴向的混合较前2种组合桨弱,更接近于平推流。

多层组合桨搅拌槽内气-液分散特性的研究

在直径为0.476m的椭圆底搅拌槽中,采用由六叶半椭圆管叶盘式涡轮桨(HEDT)及四叶宽叶翼型桨的上提(WHU)及下压(WHD)操作组合的六种不同的三层桨,研究了气-液两相体系中的通气功率变化及气含率特性,获得不同桨型的通气搅拌功率及气含率的关联式;结果表明,底桨为HEDT的组合桨通气功率下降幅度最小,相同输入功率时气含率最高,其次为WHD,WHU为底桨时气液分散性能最差。因此,适用于气液两相操作的优化组合桨应以HEDT为底桨。此研究结果可为工业用多层组合桨气液搅拌反应器的设计提供参考。

刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合

传统粉煤灰提铝工艺中酸浸搅拌槽均采用刚性搅拌桨。因刚性桨卷吸能力有限,导致固体颗粒易沉槽、流体混沌混合效率低。提出刚柔组合桨强化酸浸搅拌槽中固液混沌混合行为。实验基于固含率为30%的粉煤灰-自来水体系,研究了刚柔组合酸浸搅拌槽内混沌混合特性及能量耗散规律。采用扭矩传感器采集扭矩时间序列信号,借助Matlab软件编译计算混合过程中最大Lyapunov指数和多尺度熵等混沌特性参数,以单位体积功耗表征搅拌反应器的功率特性。实验考察了搅拌桨安装离底高度、柔性片长度、柔性片宽度等因素对酸浸槽内粉煤灰混沌混合的影响,对比了刚性桨与刚柔组合桨体系的能耗差异。研究结果表明:刚柔组合桨通过柔性片的作用,能增大搅拌桨的卷吸力,进而减少固体颗粒沉槽现象,促进全槽混沌混合;在最优化条件(120 r/min,搅拌桨安装离底高度为T/4,柔性片长度为1.2H1、柔性片宽度为D/8)下,体系最大Lyapunov指数达到最大值0.0645,各尺度下的MSE均比其他条件更大,表明刚柔组合桨能够通过柔性片的多体运动,强化体系混沌混合,均化体系能量分布;刚性桨与刚柔组合桨的单位体积功耗随着转速的增加呈现指数规律增长。

穿流-柔性组合桨强化搅拌槽中流体混沌混合特性

刚性搅拌桨在搅拌混合过程中得到广泛的应用,在搅拌容器内容易形成两种不同的混合区域:混沌混合区和混合隔离区。强化流体混合的有效途径是合理设计搅拌桨,从而调控流体混沌混合行为。实验运用Labview和Matlab软件采集和处理流体内部压力脉动信号,并获取流体混沌特性参数Kolmogorov熵,对穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵随转速的变化规律进行了研究。结果表明,相比传统刚性桨,穿流桨对Kolmogorov熵影响不大。穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用调控流场结构,使流体混沌混合的效果最好,在转速为180 r·min-1时流体的混沌混合达到最佳状态,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵为0.285,而传统刚性桨体系的Kolmogorov熵只为0.125;穿流-柔性组合桨体系的混合时间明显低于传统刚性桨体系,当转速为120 r·min-1时穿流-柔性组合桨体系的混合时间比传统刚性桨体系缩短了17%。

带有内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究

利用滑移网格法计算了以一定转速比反向旋转的内外组合桨搅拌的搅拌设备内的流场,工作介质分别选取98%甘油和1.5%(wt)CMC水溶液。通过对单桨与内外组合桨产生的流场进行对比,研究了搅拌设备内不同高度处速度、速度变化率、表观粘度及剪切速率的分布特点。结果表明:采用内外组合桨,介质为中粘牛顿流体时,在罐内主体区远离罐壁区域径向速度受到一定削弱,但在某些局部区域被增强,而对于假塑性流体径向速度总体上得到增强。采用内外组合桨可以加强轴向循环,改善搅拌设备近壁区的流动状况,且对假塑性流体流动状况的改善要优于中粘牛顿流体,另外还可以显著地提高搅拌设备内的剪切速率,同时使剪切速率的分布比较均匀。

组合桨液相搅拌槽内流动特性的实验研究及数值模拟

采用粒子图像测速技术(PIV),对直径为0.19 m的三层组合桨(HEDT+2WH)搅拌槽(直径为0.48 m)内的流场进行了实验研究,并利用标准k-ε模型对相应的流动特性进行了数值模拟。实验结果表明:通过改变层间距、顶层桨的浸没深度及上两层桨的操作方式可以得到4种不同流型,每种流型内循环结构的数目各不相同;上两层桨下压式操作时,流场的循环结构最少,只有两个;高速区和高能量区的分布相同,都位于各个桨叶的射流区内,且底桨射流区内的速度值和湍流动能值都大于上两层桨。模拟结果表明:标准k-ε模型对流场的预测较为准确,但对于有5个循环结构的流型模拟误差较大;湍流动能分布型式的模拟值与PIV实验结果吻合较好,但数值偏低,表明标准k-ε模型在预测复杂流型时需要改进;功率准数的模拟值与实验值基本一致。

轴流式翼型-透平组合桨在搅拌釜内的流动

搅拌反应器是化工、医药、食品工业中广泛应用的基础设备之一,当搅拌釜内液深与搅拌釜直径相比较大时(通常比值大于1),往往采用双层或多层桨,以保证顶部到底部的循环流动。 透平桨产生的是径向流,形成以桨叶为中心线的上、下2个循环区,桨叶附近剪切速率高,气体分散能力强。翼型桨产生的流型是轴向流,形成全釜循环,混合均匀,剪切温和。为充分利用两者优势,加强全釜混合,剪切适度,特别是在粘稠物系中,可采用组合桨。目前尚未看到对翼型-透平组合桨流动状况的研究。

脉冲射流-刚柔组合桨强化流体混沌混合及传质性能研究

传统搅拌反应器普遍使用刚性桨进行机械搅拌,导致反应器内容易产生混合隔离区而降低流体混合效率。采用多流场耦合诱发混沌现象,促使更多流体进入混沌状态,是提高流体混合效率的有效途径之一。结合Matlab软件编译PJ-RF-RT体系中的压力脉动信号得到最大Lyapunov指数(LLE)与多尺度熵(MSE),探究不同脉冲周期下占空比、桨型、柔性桨叶厚度、桨离底高度及脉冲空气射流量对搅拌反应器内流体混沌混合的影响,同时,对比分析了桨型、射流类型、气流量对体积氧传质系数KLa的影响。研究结果表明,在脉冲周期T=0.4 s,占空比D=80%时,RF-RT桨体系较R-RT桨体系的LLE增大了11.58%,且RF-RT体系的MSE显著高于R-RT桨体系,表明脉冲射流刚柔组合桨体系能更好地诱发流体混沌,增大流体混合效率,均化体系能量分布。此外,脉冲射流耦合RF-RT桨体系增强了流体的湍流特性,促使液膜厚度减小,强化了传质,在单位体积功耗Pv=360 W/m3时,PJ-RF-RT体系的KLa较PJ-R-RT提高了13.46%,PJ-R-RT体系的KLa较SJ-R-RT提高了11.86%。

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C1、桨间距C2以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明:当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明:二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。