黏性体系中齿合型高剪切混合器解聚分散二氧化硅纳米颗粒性能研究

为探究复杂体系中纳米颗粒解聚分散过程强化的新途径,在黏性体系中,研究了纳米颗粒解聚分散的机制以及可达到的最小尺寸,同时考察了转子转速、定转子结构与体系黏度等对齿合型高剪切混合器解聚分散性能的影响。结果表明,当能量输入由低到高时,解聚机制由断裂主导转变为由侵蚀主导,可达到的最小尺寸约为117nm,且不受转速等影响;提高转速可有效强化纳米颗粒解聚分散过程,显著提高细颗粒(dp<1μm)的生成体积和生成速率;在定子齿数为8~16、转子齿数为4~12、定转子齿角为0°~30°时,增大定子齿数或定子齿角对纳米颗粒解聚分散起强化作用,而增大转子齿数则表现为有限的强化作用,过大的转子齿角则不利于纳米颗粒的解聚分散;与清水体系相比,黏性体系能显著强化纳米颗粒的解聚分散,其强化作用随黏度的增大而增大。

高剪切混合器研究与应用进展

高剪切混合器作为一种能量密集型的过程强化手段,具有剪切速率高、局部能量耗散率高的特点,可以实现均质、乳化、溶解、分散、悬浮、结晶、破碎、反应等过程的强化,但尚缺少理性设计方法的系统研究。本文简述了高剪切混合器分类、工作模式,总结了操作参数、结构参数、物性参数等对高剪切混合器的流动与返混特性、微观混合特性、乳化和液液传质特性、气泡分散与气液传质特性、固体破碎与分散特性等的影响规律,简介了高剪切混合设备的工业实用案例;进而提出了该领域有待深入拓展的研究方向,包括高剪切混合器能量效率的提升途径、多相体系下高剪切混合器模型的建立方法、高剪切混合器与其他单元操作耦合规律、高剪切作用与外场协同强化机理、基于高剪切混合器的过程强化工艺优化等。

CFD优化管线式高剪切混合器停留时间分布

基于计算流体力学(CFD)的方法,采用Fluent软件,结合大涡模拟(LES)湍动模型和组分物料运输模型(SPE)对中试规格的管线式叶片-网孔型高剪切混合器的停留时间分布(RTD)进行预测,与实验结果相比,其误差在14%以内,说明此方法具有较高的可靠度。基于此方法,研究了定子开孔形式、腔室结构及定转子安装方式对停留时间分布的影响,使其适用于快速反应过程。结果表明:圆形、菱形、"S"形以及齿形4种不同开孔形式的定子,圆孔开孔定子效果最优;轴向长度缩短至与出口管径相同,蜗壳形状的腔室外壳,出口管与腔室相切时效果最优;定转子偏心安装能够改善其效果,但功耗增加。经过优化后的反应器具有广泛的应用,特别的是将其用于许多快速化学反应过程时,由于停留时间短、混合效果好,其混合性能明显优于许多传统的反应器。

机器学习预测叶片-网孔管线式高剪切混合器性能

高剪切混合器作为一种新型的过程强化设备,工业应用日益广泛,但其工程设计依然依靠经验放大。利用不同定转子构型的叶片-网孔管线式高剪切混合器的功耗、液-液传质系数和乳化性能等数据,采用反向传播神经网络算法、循环神经网络算法和决策树算法等机器学习算法对数据进行分析建模,为高剪切混合器的设计与优化提供工具。结果表明:反向传播神经网络算法和循环神经网络算法都可以准确预测高剪切混合器性能,但是单个神经网络算法存在过拟合和泛化能力差的问题,通过将不同机器学习模型融合进一步提高了模型精度和稳定性。基于自动机器学习的PyCaret程序能够准确拟合数据,但在数据量较小的情况下,其优化能力较差。

捷流式高剪切混合器的数值模拟

借助计算流体力学(CFD)模拟的方法对中试规模的捷流式高剪切混合器的水力学特性进行了研究。首先,通过对比捷流式高剪切混合器的功耗对CFD模拟方法进行了验证,功耗的计算结果与实验结果吻合良好,误差小于20%。其次,考察了转子桨叶倾角、定转子剪切间隙宽度和定子底面开孔直径等混合器结构参数的变化对高剪切混合器混合头附近的流场、剪切速率分布和湍动能耗散率分布的影响。由结果可知:定子侧面射流区的平均速度分布、平均剪切速率分布、平均湍动能耗散率分布与径向外排流体流量的变化趋势相同,均随定子底面开孔直径减小或转子桨叶倾角增加而逐渐增大。此外,随着转子桨叶倾角的增加定子下方区域流体的流型逐渐由下排变为上吸,这预示着相应区域内流体产生的卷吸效果可能会发生改变。

剪切力对浓缩乳体系稳定性的影响

采用高剪切混合器工艺,探讨了转速、持续时间、温度等条件对解冻后的冷冻浓缩乳的体系影响,并探索、建立了粒径分析法判断其体系稳定性的模型参数。

图像分析法在增稠剂团聚现象中的应用

在牙膏生产工艺中,羧甲基纤维素、卡波姆等增稠剂在高剪切混合器中往往会发生结块而形成团聚体,严重影响产品质量和正常生产。为了研究不同操作条件对高剪切混合器中团聚体的影响,本文采用了Photoshop与ImageJ联用的图像分析方法,对1700~2600r/min转速范围内高剪切混合器中增稠剂团聚体的面积和数量行了测量,分析了转速、循环次数和总能量输入对团聚体数量和面积的影响。研究结果表明:在1700~2600r/min转速范围内,经高剪切混合器作用后排出的团聚体颗粒的测量面积集中分布在0.5~1.5mm^(2)范围内,约占团聚体颗粒总数的50%;在1700~2000r/min范围内,随着循环次数的增加,归一化颗粒数会出现较大幅度的波动;在2150~2600r/min范围内,随着循环次数的增加,归一化颗粒数平缓下降没有出现波动。总能量输入是影响增稠剂团聚体数量的关键因素,并且当总能量输入达到1000kJ时,团聚体数量降至最低值。

高黏度生物原油的乳化及燃烧性能研究

利用畜禽废弃物水热液化制备的生物原油的残余物,因黏度大、流动性差、易聚合等特点,难以再利用。针对这一问题,设计研制了不同定-转子结构参数的齿合型高剪切混合器,研究了不同转子直径、剪切间隙、齿数和齿长等结构参数对所制备的乳化样品中液滴大小的影响;进而,采用优选的高剪切混合器,考察了乳化操作时间、转子转速、生物原油含量等因素对乳化效果的影响,并测定了乳化样品的燃烧性能。结果表明,随着转子转速的增加或操作时间的延长,生物原油乳化样品中液滴尺寸显著降低;在转子转速为7700 r·min^(-1),高剪切混合乳化操作时间30 min时,生物原油质量分数10%的乳化样品中液滴直径低于10μm;乳化样品的燃烧性能显著提升,生物原油质量分数15%的高剪切混合乳化样品的燃烧效率达到95.3%,但是生物原油含量继续增大会使燃烧效率下降。