不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

针对高密度聚乙烯搅拌式聚合釜物料体系,利用三叶后掠式搅拌桨HQ、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD、三宽叶旋桨式搅拌桨KHX、桨叶安放角δ分别为45°和75°的斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY构成四种桨型组合,在直径T=480 mm的圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行了固液悬浮实验。基于计算流体力学软件Ansys Fluent 2020R2,采用多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型,研究了各桨型组合在30.71%固含率下的流场和固液悬浮状态。研究结果表明,转速小于250 r/min时,桨型组合2和3在搅拌槽内顶部会形成清液层;桨型组合1和4能在更低转速和更低功率的情况下达到物料的均匀混合状态,且桨型组合4比桨型组合1的功率消耗降低约30%,具有高效节能的效果。模拟获得的固含率分布趋势与实验所测数值吻合较好。模拟的流场表明桨型组合4和1的流型相似,可以有效避免桨型组合2和3在低转速下出现的清液层。     

圆盘涡轮式桨叶对搅拌槽混合特性影响的CFD研究

利用CFD 技术对圆盘涡轮式搅拌槽内的浓度场进行数值模拟研究,主要考察了常见的平直桨叶（90°）、斜桨叶（60°和45°）的安装位置对混合时间θm、单位体积混合能Wr和浓度标准差σ的影响。在标准安装高度的平直桨叶下,对槽内速度进行分析,得到的数据与实验值非常吻合。研究表明：圆盘涡轮式桨叶由标准安装高度降低时,搅拌槽内的流型由径向流转变为轴向流,并且90°、60°和45°的转变为轴向流的相对安装高度（C/H）分别为0.20、0.233和0.267;混合时间是由槽内顶部和底部检测位置决定的;桨叶的标准相对安装高度（C/H=1/3）并不是混合性能最优的位置,针对90°、60°和 45°三种倾角的桨叶,在相对安装高度分别为0.213、0.267和0.320时的搅拌混合性能最佳;综合考虑省时、节能和混合均匀性的因素,倾角为45°的桨叶最佳,60°的桨叶次之。     

几种框式桨搅拌槽内流动特性的比较研究

用粒子成像测速（PIV）技术对传统框式桨、传统框式组合桨和新型框式组合桨的流动特性进行研究,对比了三种框式桨在相同工况下搅拌槽内的速度、流型和湍动能。结果表明：传统框式桨搅拌槽内流体流动以水平环流为主,在框式桨上方和框式桨中间区域流体流动不充分;传统框式组合桨搅拌槽内框式桨上方由于二折叶桨的作用使得框式桨上部流体流速变大,槽内流体上下部的流动得到加强,但在框式桨中心区域依旧存在流动死区;新型框式组合桨搅拌槽内两层桨叶间的连接流得到了加强,框式桨底部和中间区域物质和能量的交换更加充分。在考察的三种框式桨中,新型框式组合桨的混合效果更好。研究结果可为新型框式组合桨应用于化工合成工业中提供参考。     

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。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。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。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。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

双层桨搅拌槽内部流场的实验研究

运用计算流体动力学（CFD）方法对双层桨搅拌槽内部流场进行数值模拟。考察了流体在不同桨叶类型、不同桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场的影响。研究发现：流体在桨叶间距为150 mm的双层桨内部流场流动效果好。在此间距的基础上得出流体在六圆盘上斜叶桨的搅拌槽内比六圆盘直叶桨搅拌槽内混合效果好。     

改进型框式组合桨搅拌釜内流场特性

对5m³树脂反应釜及釜内改进型框式-二斜叶双层组合桨等比例缩小建立模型,基于计算流体力学（CFD）中的多重参考系法对该双层组合桨搅拌釜流场进行了模拟研究,并利用粒子图像测速（PIV）实验对模拟结果进行了验证。分析了桨叶离底间距、桨间距及组合桨安装角度的变化对流场产生的影响。随着离底间距的增大,搅拌釜下层框式桨横梁处产生往槽底的轴向流强度会逐渐减弱,不利于底部物料的混合;桨间距的增加导致两桨间对流减弱,不利于两桨间流体的混合,当桨间距与釜内径的比值为0.77时,搅拌釜内的整体流动情况较好。对上下层桨叶安装角度分别为0°、45°和90°这3种工况下的釜内流场特性研究表明,安装角度为90°时,斜叶桨产生的轴向流强度最大,此时搅拌釜内流体的混合效果最好。研究结果为改进型框式桨与二斜叶桨双层组合桨应用于树脂聚合反应实际工程提供参考。     

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。     

搅拌槽内粘稠物系的混合过程

以发酵罐中通气搅拌下的混合为背景，考察了搅拌形式，物系流变性质及通气速率等因素，对搅拌槽内粘稠物质系中混合过程的影响，轴向流翼型混合效率高于涡轮桨，通气有助于改善粘稠物系中的混合粘度变化主要改变槽内流动状态和桨叶泵送能力，从而改变混合效率，当物系为中等粘度假塑性流体时，混合速率由桨叶泵送流动的流量和形态所决定，多层搅拌下分区现象限制了混合速率。     

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。     

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LabVIEW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。     

不同类型搅拌器的气—液分散和混合特性

在通气式搅拌槽内研制了直叶圆盘涡轮、直叶桨式涡轮、４５度折叶圆盘涡轮、４５度折叶桨工涡轮、凹弧叶圆盘涡轮、锥形涡轮和布鲁马金式搅拌器的临界分散转速、分散状态、搅拌功率、气含率、气泡停留时间、排量准数和输出效率，并获得了适用上述种类搅拌器的临界分散转速、搅拌功率、气含率和气泡停留时间关联式。     

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。     

Fluent在PC合成过程模拟研究中的应用

采用Fluent 6.3.26软件对光气法聚碳酸酯合成搅拌反应釜内的搅拌过程进行模拟研究。考察了挡板的设置、搅拌桨形式、桨叶倾斜角度对釜内流体流动的影响,并建立了聚碳酸酯合成计算机数学模型。模拟结果表明,采用45°圆盘涡轮搅拌桨有利于光气法聚碳酸酯合成的传质与传热。     

多层桨搅拌槽内的液-液分散特性

在直径为0．476m的椭圆底圆柱形搅拌槽内,以水／航空煤油及水／环己烷为实验体系,研究了Rushton涡轮式搅拌桨(RT-6)、六半椭圆管涡轮式搅拌桨(HEDT)、折叶轴流式搅拌桨及翼形轴流式搅拌桨(CBY)的6种不同组合桨的液-液分散特性,用取样法测定了分散相体积分数的轴向分布及体系澄清时间。结果表明,组合桨中的底桨在液-液分散中发挥了主要作用。单位体积输入功率相同时,底桨为CBY的组合桨进行液-液分散后,液滴的平均滴径最小,体系澄清时间较长;底桨为HEDT的组合桨的分散效果次之;底桨为RT-6的组合桨因滴径分布较宽,虽然平均滴径最大,但澄清时间也较长。     

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。     

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C_1、桨间距C_2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。     

小型生物反应器中桨型的数值分析及比较

小型生物反应器是实验室常用的反应设备,不同倾斜角度的涡轮直叶搅拌桨对反应器的性能有重要影响。采用CFD数值分析方法中k-ε湍流模型,对不同倾斜角度条件下涡轮直叶搅拌桨的小型生物反应器的流场流型进行模拟分析,对比结果表明：在速度云图的分析上搅拌桨倾斜夹角小于70°的桨叶对液体的带动效果较好,在剪切速率分析结果中,搅拌桨倾斜夹角(α)绝对值在50°～70°时,剪切速率偏高。并通过物质传递和湍流动能分析比较出下吸式安装比上排式安装的桨叶搅拌效果好,倾斜夹角为-45°时搅拌效果最佳。     

适用于动物细胞培养的搅拌桨及其数值模拟

提出了一种方法考察桨叶在动物细胞培养上的适用性,应用计算流体力学软件CFX综合比较在30 L搅拌槽中4种不同桨叶的流场、剪切率、Kolmogorov尺度和混合时间,并进行PIV实验验证。结果表明,在单层搅拌体系80 r/min转速下,象耳桨和螺旋桨性能能满足细胞培养要求,Rushton桨在细胞培养罐放大时可以考虑,45°四折叶桨能够适用于细胞培养,但效果不如象耳桨与螺旋桨,PIV实验验证了模拟结果可行性。