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。     

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C₂=0.47H增长为C₂=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C₂=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C₂=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。     

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。     

内加热搅拌釜中改进型INTER-MIG桨的传热性能

通过实验与数值模拟,以水为工作介质,在直径D=0.5 m的内盘管加热搅拌釜中对双层正交排列的改进型INTER-MIG浆搅拌器不同转速下的温度场、盘管外侧的温度边界层及传热系数进行研究. 结果表明,实验与数值模拟的温度误差在2 K以内;搅拌釜内温度从上到下、从内到外呈升高趋势,最大温差基本保持在1 K之内;根据实验数据拟合得盘管外侧传热系数的关联式为Nu=0.0337Re0.925Pr1/3(d/D)0.1(dco/D)0.5,计算与实测值的平均偏差为7.64%;盘管外侧温度边界层平均厚度为3.66 mm,在合理范围内.     

组合桨聚合釜内非牛顿流体的混合特性

在φ476mm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。     

新型组合桨混合特性研究

根据聚合反应的特定工艺过程要求,提出了一种新型搅拌桨,对其混合性能进行了研究并与常规桨型进行对比。结果表明,该桨在高粘度流体内混合时间、排液量、混合效率等方面较常规桨型好,能在较短的时间内实现全罐的均匀混合。     

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。     

不同位置转子组对组合转子强化传热性能影响

以质量分数60%甘油水溶液为管程介质,每组转子对组合转子传热和阻力特性的影响进行了实验研究。对光管性能进行了实验验证,以保证实验结果的可靠性。研究结果表明:加装L1,L3,L5型组合转子换热管的努塞尔数分别为加装L0型组合转子换热管努塞尔数的0.82倍、0.87倍以及0.73倍左右,阻力系数为0.88倍、0.9倍以及0.9倍左右。而对于综合评价因子PEC而言,加装L3型组合转子换热管的PEC大于加装L1型组合转子换热管的PEC,加装L5型组合转子换热管PEC最小。由此可得,相较于第1组转子,第5组转子对组合转子传热性能的影响最大,第3组转子的影响最小。     

新型双轴组合桨搅拌性能研究

根据聚合反应的特定工艺过程要求,提出了一种新型组合桨,并设计实验对其混合性能进行研究,与常规桨型进行对比。结果表明,该桨在高黏度流体内,混合时间、排液量、混合效率等方面较常规桨型好,不但能在较短的时间内实现全罐的均匀混合,而且还具有节能降耗的优点。此外,还采用PIV系统对其流场的速度分布进行测试,总结得出其在不同转速比下的流场分布规律,从而为今后该新型组合桨的应用和放大奠定了坚实的实验基础。     

内置组合转子换热管的综合传热性能

  对螺旋叶片和开槽螺旋叶片两种结构组合转子的综合传热性能进行了实验研究。与光管相比,两种转子都显著提高了换热管内的传热性能,装有螺旋叶片转子和开槽螺旋叶片转子换热管的努塞尔数分别比光管提高了1.06～1.26倍和1.03～1.15倍,引起的阻力系数分别比光管增加了60%～68%和36%～51%。螺旋叶片转子对管内传热性能的提升更为显著,但其引起的管内阻力系数也较大。综合考虑传热和阻力两方面因素,对两种转子结构的综合评价指标值进行比较,开槽螺旋叶片转子具有更好的综合传热性能。     

组合桨搅拌槽内高黏流体混合特性的数值模拟

利用计算流体力学数值模拟方法,对直段桨为双螺带式和Paravisc式以及底桨为锚式和变径双螺带式的组合桨功率和混合时间进行了研究,并对其中最优桨型进行了放大规律的探索。通过数值模拟得到了4种组合桨中各单桨及组合桨的功率准数关联式,提出组合桨中各桨之间功率上的反作用关系。在10种组合桨中,Paravisc-锚式组合桨达到完全混合时所转圈数最少,且在相同转速下量纲一剪切量较大,混合特性最优,将其从体积为100 L的搅拌槽内放大至200 L和500 L搅拌槽中,发现其符合桨端线速度的放大准则。文中对各桨型的功率特性、混合特性和放大规律的分析,可为工业设计和优化高黏度流体组合桨参数提供重要参考。     

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。     

长短叶片复合型刚柔桨强化搅拌槽内流体混沌混合行为

搅拌反应器中混合隔离区的存在是强化流体混合的主要障碍。打破搅拌槽中的对称性流场结构,破坏混合隔离区,可以提高流体混合效率。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),比较了不同桨叶类型、柔性片长度、柔性片数量和桨叶离底高度以及转速对流体混合的影响。结果表明,长短叶片复合型刚柔桨(RF-LSB)桨叶通过刚柔耦合错位连接,柔性片的形变与随机振动对流体的非稳态扰动,使流场结构不稳定性和不对称性增强,强化了流体混合效果。当柔性片数量为3,搅拌转速为90 r/min时,RF-LSB体系比刚性桨和刚柔桨体系的LLE值分别提高了20.22%和7.98%;三种体系[RF-LSB(柔性片数量为3)、刚性桨和刚柔桨体系]的混合时间(θm)与单位体积功耗(Pv)呈指数型关系,当Pv相同时,RF-LSB(柔性片数量为3)的θm最小,表明RF-LSB(柔性片数量为3)更有利于流体混沌混合。     

Chaotic mixing performance enhanced by rigid-flexible impeller with long-short blades in stirred tank

The presence of a mixing isolation regions in a stirred reactor is a major obstacle to enhancing fluid mixing. Breaking the symmetrical flow field structure in the stirred tank and destroying the mixing isolation area can improve the fluid mixing efficiency. The Matlab software was used to calculate the maximum Lyapunov exponent (LLE) and multi-scale entropy (MSE). The effects of different blade types, flexible blade length, flexible blade number, blade height from bottom and rotation speed on fluid mixing were compared. The results show that the rigid-flexible impeller with long-short blades (RF-LSB) can enhance the flow field structure more unstable and asymmetric with deformation and random vibration of flexible pieces, destroy the symmetry flow in the process of fluid mixing, induce the asymmetric flow field, and make more fluid into the chaotic state. When at 90 r/min and three pieces of flexible, the LLE of the RF-LSB is larger than that of rigid impeller and rigid-flexible impeller RF-LSB with increase of 20.22% and 7.98% respectively. The mixing time (θ_m) of the three systems [RF-LSB (three pieces), rigid impeller, rigid-flexible impeller] has an exponential relationship with the power consumption per unit volume (P_v). When P_v is constant, θ_m of the RF-LSB system is the smallest. Results showed that the RF-LSB (three pieces) is superior to rigid impeller and rigid-flexible impeller, which is more conducive to fluid chaotic mixing.     

偏心组合桨搅拌槽内层流混合过程的数值模拟

目前,处理高黏流体和对剪切敏感介质的层流搅拌槽的报道并不多见。本文建立了描述双层组合桨搅拌槽内高黏非牛顿流体层流流动、混合过程的数学模型,利用Laminar模型、多重参考系法（MRF）和示踪剂浓度法对其流场特性、示踪剂扩散过程进行数值模拟,分析搅拌槽内轴向速度曲线、示踪剂浓度响应曲线和混合时间。结果表明：中心搅拌中间面将介质阻隔在各自的半层内运动,偏心搅拌介质作全局运动,轴向混合能力突出;转轴中心搅拌依靠上下半层浓度差的增大向下扩散,转轴偏心搅拌通过不对称结构扩散示踪剂,叶轮相对转轴偏心搅拌则利用叶片的不对称分布;距离加料点较近和较远的监测点浓度响应曲线因振荡和调整,混合时间较长,处于中间面的监测点拥有最短的混合时间。     

Gas-liauid mass transfer in non-newtonian fluids in a tank stirred with a helical ribbon screw impeller

Oxygen transfer in aqueous solutions of CMC, xanthan gum, and polyacrylamide in a vessel equipped with a helical ribbon screw impeller and a multi-orifice ring sparger was studied. The K_La values obtained were comparable to those reported for radial flow impellers, but they are more representative of the oxygen transfer in the bulk of the liquid because of a more homogeneous mixing and absence of dead zones. Dimensionless correlations including the effect of the physical properties of the fluids, and those of operating conditions were developed. A dimensionless correlation for each fluid is proposed.     

Mixing of medium viscosity liquids in a stirred tank with fractal impeller

Mixing of viscous liquids in a stirred tank is a daunting task. The present paper explores the possibility of using a fractal impeller for mixing of viscous liquids in a stirred tank. The analysis includes power consumptions characteristics, mixing characteristics and the flow patterns in the stirred tank. Ultrasonic velocity profiler (UVP) was used to measure the local velocities in the stirred tank. Fractal impeller found to exhibit different power consumption characteristics than known for conventional impellers. For the range of viscosities 0.58–0.192 Pa s, mixing time found to be directly proportional to the power consumption per unit mass. The normalised mean radial velocity profiles were found to be independent of fluid viscosities studied in the present work.     

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。     

二甲醚羰基化丝光沸石成型催化剂黏结剂的研究

二甲醚（DME）羰基化制乙酸甲酯（MA）,MA加氢合成乙醇工艺是一种新颖、绿色且经济的乙醇合成路线,催化剂成型对实现该工艺工业化具有重要意义。本论文选用拟薄水铝石及硅溶胶为黏结剂,对丝光沸石分子筛（MOR）进行挤条成型,制备了一系列不同黏结剂种类与含量的成型MOR催化剂。通过强度测试以及Weibull函数统计分析,探究了黏结剂对成型MOR的强度以及强度可靠性的影响;X射线衍射、N₂物理吸附、NH₃程序升温脱附、吡啶吸附原位红外等表征结合活性评价,探究了黏结剂对MOR的物理结构、酸性以及催化性能的作用。结果表明：黏结剂的引入不会影响MOR的晶体结构,且以拟薄水铝石为黏结剂时,催化剂力学性能及DME羰基化催化性能最佳。通过建立MA时空收率、TOF与微孔比表面积之间的定量关系,确定黏结剂不影响MOR内单位活性位点催化能力,产物时空收率与催化剂微孔比表面积呈线性正相关。