A Study on a Gas Agitated Extractor with Static Mixer

1 INTRODUCTIONMany chemical engineering operations involve the mass and heat transfer between two liquidphases in reactions.Mechanically agitated liquid-liquid extractor can be one of the examples forsuch operations.It has been well developed and used in the nuclear energy,petrochemical andother chemical industries.However,not much attention has been paid to the gas agitated liquid-

基于CFD-DEM算法的气力输送气固两相流特性分析

超轻粉体颗粒由于质量较小,在运输过程中易受气流扰动而飘散,物料的管道气力输送过程不稳定,易发生堵塞。为了研究超轻粉体颗粒在旋流气力输送中气固两相流流动特性,采用计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM),对Komax型静态混合器内气固两相流动特性进行数值模拟研究。研究发现,带有Komax型元件的水平管道可以改变颗粒的流动情况,改善了水平管道内颗粒堆积和分布不均匀的现象;分别从颗粒相和流体相的流动状态分析得到元件长径比Ar=3时为最优几何结构;通过正交实验极差分析得到影响气固两相流动特性的因素顺序:输送气速>颗粒质量流量>颗粒粒径。当元件Ar=3时,颗粒-颗粒和颗粒-管壁的碰撞次数与碰撞强度呈现负相关,结合出口颗粒流分散状态,优选输送气速为3~4m/s;主要考虑输送气速对管内压降的影响,提出了带有Komax型元件的水平管道气力运输过程中压降与输送气速和轴向位置的经验拟合式。

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。

天然气管道随动流量掺氢实验及新认识

如何获得高掺混均匀度和精度的掺氢天然气是天然气管道掺氢输送的核心问题之一。虽然目前常采用随动流量掺氢工艺,但国内外尚未见公开报道的实验数据,氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度得不到实验验证,在一定程度上制约了掺氢天然气管道输送技术的进一步发展。为此,研究了天然气管道随动流量掺氢工艺,并基于高效静态混合器、氢组分浓度三维在线检测和双反馈随动流量定比掺氢,搭建了天然气管道随动流量掺氢实验系统,最后开展了掺氢流量100 Nm3/h以内、掺氢比5.0%~20.0%的实验研究。研究结果表明:①设计搭建的随动流量掺氢实验系统的掺混均匀度大于95%,不考虑测量误差影响时掺氢精度绝对值小于等于1.67%,考虑测量误差影响时,当掺氢比大于等于10.0%时掺氢精度绝对值小于等于3.30%,而掺氢比为20.0%时掺氢精度绝对值小于等于1.70%,随动流量掺氢性能优于标准规范技术指标;②相同实验条件下,受氢气分析仪精度等级和量程的影响,掺氢比越小,掺氢精度越低;③为合理表征掺氢精度,在制定相关标准规范时建议根据掺氢比范围分级定义随动流量掺氢精度。结论认为,该成果认识可为掺氢天然气管道输送技术的发展和相关标准规范的制定提供重要理论和技术参考。

大口径长输天然气管道掺氢混气特性研究

长输天然气管道具有管径大、流速快的特点,掺氢混气的不均匀度会增加管道输送系统金属氢脆、密封渗漏、设备运行不稳定等风险。针对我国某长输天然气管道的运行工况,采用数值模拟的方法研究了4种静态混合器(SK型、SX型、SL型、HEV型)进行掺氢输送(掺氢比为3%)时的流场特性以及混合效果。结果表明,4种静态混合器对天然气掺氢混气均具有扰动混合作用,混合不均匀度随输量的增大而减小,压力损失随输量的增大而增大;在掺氢比为3%、掺氢压力为4.22 MPa、输量为13×10^(8)~36×10^(8)Nm^(3)/a的工况下,SK型、SX型、SL型和HEV型静态混合器的混合特性和效果差异较大,应在不同的混合距离处,将混合不均匀度下降至5%以下。综合考虑,可优选或创新设计结构相对简单、混合距离短、混合不均匀度较低、湍流特性优异、剪切特性良好并且压降适中的静态混合器,作为大口径长输天然气主管路掺氢混合器。

用于泡沫混凝土制备的静态混合器模拟研究

泡沫混凝土作为新兴的轻质绿色建材近10年来发展迅速,具有广阔的应用前景。在泡沫混凝土的制备工艺中,浆体搅拌与泡沫混合环节是决定泡沫混凝土性能的关键因素。但“重发泡,轻混泡”的问题长久存在,混泡工艺的理论研究和设备发展都有所欠缺。因此,设计一种符合泡沫混凝土物料性能,能够实现连续化高效生产的专用混合器非常必要。本工作综合考虑混合器的特性,选用静态混合器作为泡沫混凝土的混合装置,采用数值模拟的方法对泡沫浆体混合过程进行仿真计算,建立不同结构参数下的静态混合器三维实体模型,分别通过仿真模拟研究元件个数、管道内径、元件夹角和加料口位置等不同参数对水泥浆体和泡沫混合情况的影响。结果表明,当元件的切割作用与流体分布垂直时,更有利于混合;混合器的管内径越小,混合速度越快,密度分布越均匀,但同时设备耗能更高;元件数量与最终产品的混合效果呈正相关;加料管口与混合元件的距离越小,越有利于均匀混合。综上所述,在θ=90°、D=60 mm、n=10、L=20 mm的条件下,最终可以制备出混合均匀、密度为1400 kg/m^(3)的泡沫混凝土。本研究可为新型泡沫混凝土混合装置的研发提供参考和支持。

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。

Lightnin静态混合器内气液两相混合与传质强化特性

采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡模型(PBM)研究Lightnin静态混合器(LSM)内气泡分散特性,使用不同的破碎核和聚并核函数系统研究雷诺数(Re)、气相体积分数(α_(d))和元件数量对气泡分散行为以及混合效率的影响,采用气液界面积和体积传质系数(k_(L)a)量化LSM和Kenics静态混合器(KSM)内气泡破碎性能以及传质速率,基于变异系数(CoV)和流体微元拉伸率分析LSM和KSM的分布混合性能和分散混合性能。结果表明:Luo聚并模型和Prince模型高估了LSM内气泡的聚并效率,通过Luo-Turbulent模型计算的气泡尺寸与实验数值具有很好的一致性;随着Re和α_(d)的增大,LSM内气泡的分散行为被进一步强化,在高Re的条件下增大元件数量可以显著提高气液传质效率;CoV曲线表明,LSM具有比KSM更好的分布混合性能,3个LSM元件可以保证混合程度大于95%。LSM的分散混合效率是KSM的1.06~1.16倍;基于压力波动信号时间序列,确定了LSM中流型从过渡区向非均匀区转变的临界表观速度。

丙烯腈聚合釜进料管SK型静态混合器结构优化

聚丙烯腈合成过程的单体输送环节中,存在聚合釜内进料管底部结疤现象。结疤聚合物分子量没有达到预期要求且分子量波动较大。从提高混合均匀度出发,利用计算流体力学技术的多相流流场数值计算方法,针对丙烯腈聚合釜进料管SK型静态混合器,探讨其单元扭转角度及混合单元数量对进料管内3种单体原料预混均匀度的影响,分析相应压降变化。结果显示,当SK型混合器单元元件的扭转角为180°、混合单元个数为7时静态混合器的混合均匀度达到最优而压降也达到最大。

传统SK型与新型静态混合器的结构优化

为了提高聚丙烯腈纤维的合成质量,从提高合成聚丙烯腈的三股物料混合均匀度出发,利用CFD技术进行多相流流场的数值计算方法,探讨SK型静态混合器的元件结构参数及元件数量对混合器管内三股物料预混均匀度的影响,并分析相应的压力降变化等。结果表明:当混合元件的宽度D=110 mm、长宽比L D=1、元件扭转角α=270°时混合效率最高。为达到理想混合均匀度的目的,以优化后的混合元件参数为基础设计一种新型静态混合器并对其进行数值模拟,满足要求时的新型混合器的总长度约为传统SK型静态混合器长度的12。新型静态混合器的混合效率比传统SK型静态混合器约提高了50%,但压力降损失也较大。

CO_(2)+O_(2)浸出工艺氧气加入及计量技术的研究与应用

CO_(2)+O_(2)地浸采铀方法是我国北方砂岩型铀矿床的重要开采方法,其中氧气的加入方式和计量方法一直以来都是技术人员的研究对象。本文在分析CO_(2)+O_(2)地浸采铀领域中氧气混合和计量的技术现状及存在问题的基础上,对比了国内各铀矿山氧气加入和计量方式的优势和缺点,基于氧气在溶液中的溶解机理,通过静态混合器溶氧,实现了在气、液压力连续变化的复杂条件下提高氧气转移速率和气液混合效率;采用气体质量流量控制器计量达到了氧气加入量实时调节和显示的目的,氧气计量误差控制在2%以内,降低了员工作业强度;同时气体质量流量控制器未来可通过自动化程序控制,实现远程控制氧气的加入浓度和计量,为砂岩型铀矿床开采的地浸生产企业提供精益化控制方式。

高黏度流体在SK型静态混合器内的流动特性

根据流体动力学、非线性动力学及Ottino理论,建立了高黏度流体在SK型静态混合器内的流体流动改进模型,分析二维Navier-Stokes方程基于双极坐标系下流函数形式的边值问题并建立了相应的流体微分运动方程。用Poincare映射方法对静态混合器内的蠕动流的动力学行为进行了数值仿真研究。给出了系统响应随管壁转动角频率变化的分岔图、最大Lyapunov指数曲线图、典型的Poincare截面图和相图。结论表明:高黏度流体在SK型静态混合器内轴截面的径向流动存在混沌特性。

新型静态混合器流动阻力特性数值研究

基于微尺度流动特征利用 CFD 软件,研究新型静态混合器内部流动阻力特性。从轴截面速度矢量图中可以看到,新型静态混合器内部存在同混合元件组的旋向相反的自旋流动;利用量纲分析和π定理简化了新型静态混合器流动阻力的影响因素之间的关系式,通过数据整理和回归得到了普遍适用的流动阻力摩擦系数关联式,为其工业化应用提供了理论依据。

SK静态混合器内各截面停留时间分布实验研究

采用脉冲示踪法对SK静态混合器内各截面的停留时间进行了实验测试,比较了流量对各截面停留时间分布的影响。结果表明:在同一截面上,随着流量增加,平均停留时间减小,停留时间分布密度曲线变得高而窄;在相同流量下,沿着轴线方向,平均停留时间增大,量纲一方差减小,流体流动趋向于活塞流。同一截面上,随着流量增加应答峰初期的斜率较陡,停留时间分布曲线的拖尾现象不明显。根据实验结果,采用轴向扩散模型、双参数模型和移位对数正态分布函数模型对曲线进行描述。模拟结果表明,移位对数正态分布模型的预测结果与实验值的吻合程度优于其他2个模型。

静态混合器流体力学性能的CFD模拟

针对立交盘静态混合器的流体力学性能,采用计算流体力学方法对混合器内牛顿流体的流动状况进行了研究,得到了流体流经2个混合元件的流场变化和压降情况.所选的6个截面的速度分布复杂多变,显示出与混合器结构相对应的周期性.采用激光多普勒测速仪测定了轴向速度的实验数据与模拟结果吻合较好.对于压降的模拟在装有10个立交盘静态混合器的管路中进行,研究发现50<Re<500为所研究系统的流动状态从层流向湍流转变的临界区间.

SK型静态混合器流体湍流阻力的研究

为了获得流体在SK型静态混合器中湍流流动时的流动阻力规律,提出一种新的流体阻力的计算模型。在流体不可压缩的假设前提下,将流体在SK型静态混合器中的螺旋形运动分解成轴向直线运动和环向旋转运动。在流体作湍流流动时,运用流体力学理论,分别求解出流体作2种运动时所产生的流体阻力的计算式,然后进行叠加得到SK型静态混合器湍流时流体阻力理论计算式。以水为实验介质,对SK型静态混合器流体湍流阻力进行了实验测量,回归出实验公式。与理论结论进行比较分析,得出流动摩擦系数与雷诺数的负0.25次幂呈线性关系的结论。

叶片式静态混合器多相流动特性的数值分析

基于加氢反应流出物空冷器(REAC)系统的油、气、水三相物性参数,建立了叶片式静态混合器物理模型,并采用Mixture多相流模型和Realizable k-?湍流模型进行CFD数值计算,分析叶片式混合器内多相流动特性。模拟所得到的混合器进出口压降与实验值吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究结果表明:在混合区域内,多相流流速提高,湍流强度明显增强,并且在最下方叶片的底部会形成较大尺度的漩涡。通过分析管道各截面的水相分率和不均匀系数φ可知,水相分率的不均匀性在混合后得到了明显改善。在2~6 m×s^(-1)的流速范围内,流速的改变不会对混合效果造成影响。采用无量纲参数λ定义混合器出口距离L与混合器长度l的比值,计算发现,当λ≥3时,流体水相分率的不均匀系数不再发生明显改变。混合器出口管道壁面会形成剪切应力较大的区域,接近碳钢材料冲蚀破坏的临界值,需考虑在混合器出口增加不锈钢衬套,防止壁面冲刷减薄。

SV型静态混合器湍流阻力的初步研究

为了获得流体在SV型静态混合器中湍流流动时的流动阻力规律,提出一种新的含有SV型静态混合器重要几何结构参数的流体阻力计算模型。对于不可压缩流体,将其在SV型静态混合器中的运动分解成沿管壁与轴线方向平行和沿混合元件凹槽方向的直线运动。运用流体力学理论,分别求解出流体作2种运动时所产生的湍流流体阻力的计算式,并计入相邻混合元件交接部分的局部阻力,然后进行叠加得到流体阻力理论计算式。以水为实验介质,对SV型静态混合器流体湍流阻力进行了实验测量,与理论结论进行比较分析,得出摩擦因子λ与Re-0.2呈线性关系的结论。

SK型静态混合器内的流动特性数值研究

基于微尺度流动特征的角度,研究SK型静态混合器内部湍流时的流动规律。利用计算流体力学专业软件并采用雷诺时均方程和标准的k-!湍流模型对SK静态混合器内的湍流状态下的三维不可压缩流场进行数值模拟。数值计算和研究表明在含有多个SK型螺旋元件的静态混合器内,受元件衔接处的切割作用的流体将在其后的混合元件的3L/8处完成重新汇合;研究了SK型静态混合器的主要参数对流动阻力的影响,从而为静态混合器的优化设计提供了依据。

基于文丘里管和涡轮流量计的液液两相流测量

本文研究了运用单相流量计组合进行液液两相流参数测量的方法。该方法首先通过静态混合器将液液两相流混合成为均相流,然后利用文丘里管获得两相流差压,利用涡轮流量计获得两相流总体积流量,最后通过液液两相流测量模型获得液液两相流总体积流量、总质量流量、混合密度以及分相流量。初步实验结果表明该方法是可行的,在总体积流量1～6 m^3/h,油含率15%～85%的范围内,可有效地测量液液两相流的总体积流量、总质量流量和两相流混合密度,测量相对误差在5%以内,但液液两相流分相流量测量相对误差较大,仍需进一步研究。