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。

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。

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。

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%。

刚柔组合桨强化软锰矿浸出过程的反应动力学特性

在软锰矿湿法浸出过程中,采用传统搅拌桨反应器,容易出现流体“打旋”现象,导致传质效果差,进而降低反应效率。因而,本研究将刚柔组合桨应用于软锰矿的还原浸出过程,强化浸出过程的传质行为,提高锰矿浸出率。结果表明,在黄铁矿与软锰矿质量比为0.20,硫酸浓度为1.5 mol/L,液固比为10,温度为363 K下,软锰矿中锰的浸出率达到90.12%,与传统桨叶相比,锰浸出率提高5.5%。同时,研究发现浸出过程遵循核收缩模型且受表面化学反应控制,黄铁矿与软锰矿质量比、初始硫酸浓度、液固比的反应级数分别为1.2679、0.4182、1.1959,反应动力学方程为1-(1-X)^(1/3)=0.96×10^(3)(m_(FeS_(2))/m_(MnO_(2)))^(1.2679)[H_(2)SO_(4)]^(0.4182)(L/S)1.1959exp(-41.75×103/RT)t,浸出反应的表观活化能为41.75 kJ/mol。刚柔组合桨体系下的软锰矿浸出反应表观活化能相比传统搅拌体系下的软锰矿浸出反应表观活化能的文献报道值降低4.515~20.54 kJ/mol。

偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究

搅拌反应器内普遍存在混合隔离区,是实现高效混合的一大障碍。流场耦合诱发流体的混沌现象,可减少混合隔离区,提高流体混合效率。结合Matlab软件,探究偏心空气射流-单层刚柔组合桨体系的混合行为演变规律,对比分析了不同偏心率下桨叶类型、桨叶离底高度、空气射流量以及转速对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨通过其自身刚-柔-流的多体运动与偏心空气射流的流场耦合,破坏了流体混合过程中出现的对称性流场,使更多的流体进入混沌状态。刚-柔组合桨(RF-RDT、RF-IRDT)比刚性桨(RDT、IRDT)的LLE值大,其中RF-RDT相比于其他3种类型的搅拌桨(IRDT、RDT、RF-IRDT),其LLE值分别提高了约42.8%,27.0%、6.9%;空气射流的偏心率等于0.6时,其最大LLE值相比于其他偏心率(0.8、0.4、0.2、0),依次提高了6.5%、2.4%、17.6%、25.1%。该研究结果可为刚柔组合桨的优化设计提供理论依据。

刚柔组合桨搅拌反应器强化锰矿浸出的中试试验研究

锰矿浸出搅拌反应器大多为刚性搅拌桨,其卷吸力较小,轴向输送能力较弱,容易形成对称性流场,固液两相悬浮程度较低,浸出时间较长、效率较低。提出了一种刚柔组合强化锰矿浸出的新方法,对比研究了刚性桨和刚柔组合对浸出时间及搅拌电耗的影响。结果表明:与刚性桨相比,刚柔组合桨能够缩短浸出时间近1h,增强了设备的生产能力。

刚柔组合搅拌桨强化搅拌槽中流体混沌混合

搅拌槽内普遍存在着两种不同类型的混合区域:混沌混合区和规则区。增大混沌混合区,是提高流体混合效率、降低搅拌过程能耗的重要途径。而合理设计搅拌桨有助于流体形成适宜的流动状态,实现混沌混合。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚柔组合搅拌桨,可强化流体混沌混合行为。结合Matlab软件,实验研究了双层桨搅拌槽内自来水体系的最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE)的变化规律,对比分析了刚性桨和刚柔组合桨两种桨叶对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨强化流体的运动特性,使更多流体进入混沌混合状态。在转速为210 r·min-1时,流体的混沌混合达到最佳状态,刚性桨体系的LLE为0.041,而刚柔组合桨体系的LLE为0.048;刚柔组合桨可有效耗散能量,使整个槽体的能量分布均匀,刚柔组合桨在150 r·min-1时的多尺度熵率与刚性桨在210 r·min-1时基本相近;刚柔组合桨体系的混合时间均低于刚性桨体系,在转速为120 r·min-1时,刚柔组合桨使流体的混合时间缩短了26%左右。刚柔组合桨可改变流场结构和能量耗散方式,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨(刚性桨)和刚柔组合六直叶涡轮桨(组合桨)的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗(3 kW·m-3)时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。

刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为

传统刚性搅拌桨通过对流体的剪切作用实现能量的传递,而刚柔组合搅拌桨可通过其多体运动行为强化能量传递。基于搅拌桨桨叶与流体之间的耦合运动作用,结合ANSYS Workbench仿真平台,采用双向流固耦合方法,模拟计算了刚性搅拌桨与刚柔组合搅拌桨桨叶的等效应力和总变形量,研究了流场的宏观结构;并通过测定混合时间和计算搅拌桨功耗对比分析了两种不同搅拌体系的混合行为。结果表明:刚柔组合搅拌桨使体系的混合时间缩短了近32%,搅拌桨功耗下降了7%,其桨叶尖端的变形量是刚性搅拌桨的105倍,其应力比刚性搅拌桨增加了83%;与刚性搅拌桨相比,刚柔组合搅拌桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大,能够更好地传递能量,增强流体运动,强化流体混合。

刚柔组合搅拌桨增强混合澄清槽内流体宏观不稳定性

流体宏观不稳定性可以反映流体轴向能量和质量的传递行为。为揭示刚柔组合搅拌桨(简称柔性桨)作用下混合澄清槽中油水液-液两相非稳态流动规律,采用频谱分析和小波分析组合法研究混合澄清槽内宏观不稳定性,并进行模拟验证。研究表明,柔性桨在转速低于250 r·min-1时,流体宏观不稳定频率与转速呈线性关系,而转速超过250 r·min-1,流体因界面卷吸行为吸入空气,宏观不稳定频率谱图呈现功率谱带,流场结构呈多尺度结构特征,流体宏观不稳定频率消失,液-液混合体系出现明显的乳化现象。与刚性桨相比柔性桨能增强宏观不稳定性,提高流体混合效率,强化能量传递行为。计算模拟发现,柔性桨能明显提高桨叶的抽吸能力,增强流体轴向运动的行为,避免流体过度搅拌,有利于流体澄清。

刚柔组合搅拌反应器强化流体混合数值模拟

为了确定搅拌反应器内的流场结构特征以助于混合过程的定向调控,采用数值模拟的方法对比研究了刚性搅拌桨反应器和刚柔组合搅拌桨反应器内的流场结构。分别从搅拌槽内轴向速度分布、速度场、尾涡结构和湍动能分布等方面阐述刚柔组合搅拌桨对流体混合的强化作用,同时考察了桨型、转速、桨叶直径及搅拌桨安装离底高度对流场的影响。结果表明:与刚性搅拌桨体系相比,刚柔组合搅拌桨体系中流体轴向速度、高速流动区域体积、湍动能和尾涡结构都更大。更高的转速及更大的搅拌桨直径均有利于流体混合,过高或过低的安装离底高度均不利于搅拌槽内流体混合。总体而言,与刚性桨相比,刚柔组合桨对流体混合有明显的强化作用。

变频刚柔搅拌反应器强化锰矿浸出及除铁过程

传统锰矿浸出过程采用刚性搅拌反应器,存在矿粉悬浮效果差、锰矿利用率低、浸出液中铁含量较高的问题。本文采用变频刚柔搅拌反应器强化锰矿的浸出过程,实验对比分析了不同桨叶类型、搅拌桨操作方式和变频间隔时间对锰矿浸出效果、搅拌功耗的影响,同时分析了变频刚柔桨耦合空气射流在除铁过程的效果。结果表明,变频刚柔桨通过柔性钢丝绳对流体的扰动作用以及变频操作对稳定流场的更新作用,提高浸出液中Mn^(2+)含量;同时,由于体系变频操作的频率变化,降低了搅拌功耗。相同功耗下,刚柔组合桨体系浸出液中Mn^(2+)含量相对于刚性桨体系提高了10.8%;相同转速下,刚柔组合桨体系在浸出过程的功率消耗相对于刚性桨体系提升了25.4%。变频间隔时间为30min时,变频刚柔桨体系浸出液中Mn^(2+)含量相对于刚柔组合桨体系降低了2.17%,但相应搅拌功耗降低了28%。调节体系pH后,采用变频刚柔桨耦合偏心空气射流操作,可有效降低浸出液中Fe^(2+)含量。在通气60min后,浸出液中Fe^(2+)浓度已至较低水平,低于0.15mg/L。

湿法磷酸固-液体系混沌混合与浸出强化行为

湿法磷酸浸出过程中,传统刚性搅拌桨的作用方式主要是剪切作用,容易形成对称性流场结构,降低搅拌效率。实验考察了桨叶类型、离底高度、搅拌速度、柔性钢丝绳长度、柔性钢丝直径对磷矿浸出率及最大Lyapunov指数(LLE)的影响。实验结果表明:刚柔组合桨通过刚-柔-流的耦合作用,改善流场的结构,提高了流体混沌混合效果。当搅拌转速225 r/min,浸出时间120 min,离底高度h=T/4,柔性钢丝绳直径d=0.42r,柔性钢丝绳长度L=1.3T时,刚柔组合桨的最大Lyapunov指数达到0.09071,磷矿浸出率提高了10.8%。另外,在相同的功耗(Pv=9890 W/m3)条件下,刚柔组合桨使反应器内的悬浮均匀度和渣中磷含量分别降低了40.8%和17.67%,有效地改善了晶体的形貌,提高了磷石膏的过滤性能,强化了颗粒的混合与浸出。

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用Lab VIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE),分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m3?h-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。