精金矿生物氧化反应器固体悬浮及能耗研究

为了解决生物氧化反应器存在的高剪切及高能耗等问题,分别以石英砂和含砷难处理精金矿固体颗粒为研究对象,对临界离底悬浮转速Njs和功率进行研究。结果表明,Njs随着固含率的增大而增大,轴向桨Njs随通气量的增大而减小,而径向桨Njs随通气量的增大变化不大;功率随着搅拌转速的增大而增大,从釜底引气时功率会随着通气速率的增大而增大,从侧壁引气时功率则受通气速率的影响不大。     

新型自吸式多相搅拌槽临界悬浮特性的实验研究

在不通气的情况下,对新型多相搅拌槽进行实验,得出了其固相含量w、颗粒密度r、搅拌槽内径D与临界悬浮转速Nc的关系,在相同条件下,与给定结构尺寸的标准搅拌槽对比了临界悬浮转速. 结果表明,Nc随固相分率j增加和粒径dp增大而增大,不利于达到良好的悬浮效果;固相颗粒密度越大,临界悬浮转速随之增大;槽径增大使达到悬浮状态的临界转速降低. 该新型搅拌槽临界悬浮转速的关联式是Nc=6.3dp0.21(gDr/rL)0.45w0.19/D0.55;同一固相分率下,新型多相搅拌槽的临界悬浮转速比标准搅拌槽降低了30%,在较低转速下就能使颗粒悬浮.     

改进型INTER-MIG搅拌槽内固液悬浮特性的数值模拟

应用CFD软件Fluent 12.0和并行计算机工作站对双层改进型INTER-MIG桨式搅拌槽内的固液悬浮特性、临界离底悬浮转速及功率消耗进行数值模拟,分析了在固体体积分数as=30%下,转速n、桨叶离底距离C1和桨间距C2等因素对搅拌槽内颗粒悬浮特性的影响. 结果表明,在一定的转速和桨径下,改变C1和C2会改变流场的局部结构,选取适合的C1和C2可使固液混合更均匀,有利于颗粒悬浮和整个搅拌槽传质传热的进行. 最佳桨叶离底高度与槽径比为0.36,最佳桨叶间距与槽径比为0.44;在该最佳工况下临界离底悬浮转速Njs=118.3 r/min;得到既能达到完全离底悬浮、又能使搅拌功耗最小的最佳转速为n=124 r/min.     

高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟

使用计算流体软件CFX5.5.1对固液搅拌槽内颗粒的临界离底悬浮转速进行了数值模拟. 搅拌槽直径D=0.476 m,搅拌桨为三叶CBY螺旋桨. 桨叶安装高度h=D/3. 固液两相为玻璃珠-水,固体体积浓度为15%~50%. 对临界离底悬浮的速度判据进行了修正,并利用浓度判据与修正的速度判据得到颗粒临界离底悬浮转速Njs,模拟计算结果与实验数据的误差在工业允许的范围内. 同时,对临界离底悬浮状态槽底部不同浓度下的流体湍流动能的分布情况以及大小进行了预测,并对2种固体临界离底悬浮机理进行了验证.     

上浮颗粒特性对三相搅拌槽内固-液悬浮及气-液分散的影响

在直径为0.476m(T)的椭圆底有机玻璃搅拌槽中,采用作者此前研究优选的多层组合桨(HEDT WHD WHU),分别选用粒径在0.5至4mm、密度范围在900至955kg(m(3的聚丙烯(PP)颗粒及粉料、低密度聚乙烯(LDPE)颗粒、高密度聚乙烯(HDPE)颗粒作为上浮固体,操作液位为1.5～1.8T,研究了颗粒特性及操作液位对空气-水-上浮固体三相体系的固-液悬浮及气-液分散性能的影响.结果表明:对于同种颗粒,其表面状态对悬浮特性有较大的影响,颗粒表面因含有少量残余溶剂而呈现部分憎水特性时,达到液面处颗粒停留时间不大于1～2秒的临界悬浮状态所需搅拌转速及输入功率显著增加;此时减少上层桨与液面的距离对降低临界悬浮转速及功率有较大贡献.当颗粒种类不同,表面状态及粒径相近时,液固密度差越大,所需悬浮转速越高;但相同输入功率及表观气速时的气含率相差不大.液固密度差相近时,颗粒越小越易被悬浮,但颗粒越小浓度增加使三相体系的气含率降低的幅度越大.对于不同颗粒所得气含率关联式及悬浮特性研究结果可为工业气液固搅拌槽/反应器的优化设计提供参考.     

高固含率搅拌槽内临界转速的CFD模拟

现有的针对液-固两相搅拌体系临界转速的研究多集中于低固含率体系，但工业中的高固含率体系十分常见。采用计算流体力学(CFD)方法对高固含率搅拌罐内的液-固两相流体流动进行了数值模拟，实现了对高固含率固-液搅拌罐内液固流动行为的直观预测，研究了颗粒物性(颗粒尺寸、颗粒密度)对颗粒悬浮特性的影响，结果表明，随着颗粒尺寸或颗粒密度的增加，颗粒的悬浮高度逐渐降低，最大固相体积分率增大。基于CFD方法的完全离底悬浮临界搅拌转速的预测方法，得到了高固含率搅拌罐内不同颗粒物性下关键参数离底悬浮临界转速Nc的变化规律：N_c随着固液密度差的增加而增加，随着颗粒直径的增加而增加；变化规律可用公式表示为：N_c∝(ρ_s-ρ_l) ^{0.751 7},N_c∝(d_s) ^{0.934 3}。     

搅拌槽内固体颗粒对液相速度影响的研究

采用自行研制的双电极电导探针 ,在 0 .75m× 0 .75m× 1m方形搅拌槽中 ,测定了玻璃珠 水体系中固体颗粒对液相速度的影响。实验结果表明 :加入密度大于水的固体颗粒后 ,轴流式向下泵送液体搅拌桨的表观排出流量准数增大 ,但实际排液能力并不增加 ;近壁上流区液相速度衰减 ,衰减幅度随固相浓度不同而不同 ;由于固体颗粒的加入 ,搅拌槽底部液相速度衰减 ,与近壁上流区相比衰减幅度较小。近壁上流区液相速度与搅拌转速成正比 ;不同直径的搅拌桨 ,输送功率相同时 ,近壁上流区液相速度相等。近壁上流区液相速度可作为固液悬浮搅拌槽设计的重要参数     

不通气的沸腾汽-液-固三相搅拌槽中的汽液分散和固体悬浮

在直径为0.476 m的椭圆底搅拌槽中,采用直径为0.238 m的单层六叶深凹叶盘式涡轮桨(HEDT),在液位为0.5 m的全挡板条件下研究了沸腾状态下,蒸汽、去离子水和玻璃珠组成的汽-液-固体系中搅拌功率、气含率及固体颗粒完全离底悬浮特性,并与常温通空气三相体系进行对比.研究结果表明,沸腾条件下的流体动力学性能与常温通气体系相比存在较大差异.在沸腾条件下,搅拌功率消耗随着搅拌转速的增加有所下降,但HEDT桨具有较高的载气能力,即使在高叶端线速度下,相对功率消耗(RPD)仍能保持在较高的水平;沸腾体系的气含率随单位质量流体输入功率的增加表现出先增后减的规律,即存在气含率的极大值,蒸汽成核位置和固体颗粒悬浮特性随搅拌功率增加而改变是造成上述行为的主要原因;沸腾体系中的气含率远远低于常温通空气体系.临界悬浮搅拌转速(NJSG)随固相体积分率的增加略有增加;沸腾体系中蒸汽量的变化对NJSG影响远小于常温通气体系.研究结果对于工业沸腾态三相搅拌反应器的设计和操作具有一定的参考价值.     

固-液导流筒搅拌槽内流体流动和颗粒悬浮特性

在直径0.8 m的导流筒搅拌槽内,对单相液体的三维速度分布、固-液两相的固体颗粒浓度分布和离底悬浮特性进行了系统的实验研究. 结果表明,导流筒内外的轴向液相速度远大于径向和切向速度,导流筒外壁附近存在一个与主体轴向流动方向相反的二次流区域;搅拌槽底部结构对固体颗粒的临界离底悬浮转速(NJS)有显著的影响,浅锥底的NJS比平底的低14%以上;NJS随固相浓度的增加而增加,但当浓度超过50%时,NJS略有降低;槽内固相浓度分布的均匀性随固相浓度的增加而得到改善. 本研究结果对导流筒搅拌槽的优化设计具有一定的指导意义.     

侧伸式搅拌槽固液悬浮性能

采用f2 m′4.2 m侧伸式搅拌槽,研究了搅拌桨安装位置、通气速率、固体颗粒浓度和液位高度对侧伸式搅拌槽颗粒悬浮性能的影响. 结果表明,搅拌轴水平偏转角对功率准数的影响很小,均布式为侧伸式搅拌槽搅拌桨的最佳排布方式,最佳偏转角bopt=10o;临界转速NJS最小值出现在搅拌桨伸入长度/搅拌桨直径比L/d=1.44处;降低搅拌桨安装高度h为0.75d左右,相比于传统的h=1.5d可减少约30%能耗;液位高度/搅拌槽直径比H/T<0.5时,NJS随H的升高而迅速增大. 得到了通气量QV与NJS的关系式NJSG-NJS=1.46QV1.15和固相浓度w对NJS影响的关系式NJSμw0.27.     

搅拌釜内固-液悬浮体系的CFD-DEM模拟(英文)

Computational fluid dynamics-discrete element method （CFD-DEM） coupled approach was employed to simulate the solid suspension behavior in a Rushton stirred tank with consideration of transitional and rotational motions of millions of particles with complex interactions with liquid and the rotating impeller. The simulations were satisfactorily validated with experimental data in literature in terms of measured particle velocities in the tank. Influences of operating conditions and physical properties of particles （i.e., particle diameter and density） on the two-phase flow field in the stirred tank involving particle distribution, particle velocity and vortex were studied. The wide distribution of particle angular velocity ranging from 0 to 105 r·min-1 is revealed. The Magnus force is comparable to the drag force during the particle movement in the tank. The strong particle rotation will generate extra shear force on the particles so that the particle morphology may be affected, especially in the bio-/polymer-product related processes. It can be concluded that the CFD-DEM coupled approach provides a theoretical way to under-stand the physics of particle movement in micro-to macro-scales in the solid suspension of a stirred tank.     

无挡板搅拌槽中液－固体系的分散特性

在内径0.3 m、高0.45 m的无挡板搅拌槽内,采用直径0.15 m的三叶70o下推斜叶透平桨(PBTD, Pitched Blade Turbine Downflow)进行水-二氧化硅两相体系液固分散特性的研究. 应用PC-6A粉体浓度测量仪对体系中颗粒局部浓度进行测定. 考察了颗粒平均相含率为0.005的条件下,不同搅拌转速、搅拌桨离底高度对颗粒局部浓度分布的影响. 结果表明,采用较高搅拌转速、较低的搅拌桨离底高度有利于固体颗粒的悬浮. 本实验中,在搅拌转速为173 r/min、搅拌桨离底高度为0.08 m的操作条件下,颗粒悬浮效果最好.     

Suspension of solid particles in multi‐impeller three‐phase stirred tank reactors

Solids suspension characteristics in gas—liquid–solid three‐phase stirred tanks with multi‐impellers were experimentally examined. Minimum impeller speeds for ultimately homogeneous solid suspension have been measured stirred tank reactors. Three impellers were installed: two four‐pitched blade downflow disk turbines and one Pfaudler type impeller chosen to provide good gas dispersion and to accomplish off‐bottom suspension of solid particles, respectively. Gas dispersion causes an increase in particle sedimentation associated with a decrease in power consumption and as a result, minimum impeller speeds for ultimately homogeneous solid suspension increase with increasing gas flow rates. A correlation was developed to predict minimum impeller speeds for ultimately homogeneous solid suspension. The proposed correlation, which agrees satisfactorily with the experimental results, is expected to be useful in design and scale‐up.     

利用声发射技术测量搅拌釜的淤浆悬浮高度

根据颗粒运动碰撞搅拌釜壁面产生声波的机理,结合声信号的频谱分析、小波分解和R/S分析,获得了代表颗粒运动的特征信号频段（d1、d2频段）。同时,基于声波特征信号频段能量沿搅拌釜轴向的规律性变化,提出了声波法测量搅拌釜淤浆悬浮高度的判据,即当声波特征信号频段能量或声波特征信号频段能量比出现阶跃性变化时的高度为淤浆悬浮高度。以水-玻璃珠体系为例,研究发现,无论是盘式涡轮还是桨式叶轮的搅拌桨,基于声信号测定淤浆悬浮高度的判据都能较好地得到验证,与目测法相比,其平均相对误差小于10 %,具有较高的精度。由此,获得了一种简单快捷、灵敏准确、非侵入式的搅拌釜淤浆悬浮高度测量技术,能够实现淤浆悬浮高度的实时监控。     

基于Hilbert-Huang变换的搅拌釜临界悬浮转速的声发射测量

基于声发射测量技术,结合Hilbert-Huang变换（HHT）,分析搅拌釜壁声发射信号,获得了代表浆液运动的特征频段(20～230 kHz),以特征频段对声信号进行重构。同时,以重构信号能量为特征参数,根据其随搅拌转速的规律性变化,提出了搅拌釜临界悬浮转速的测量判据,即重构信号能量由上升转向平稳时所对应的搅拌转速为临界悬浮转速。与目测法相比,该方法平均相对误差为3.83%,具有较高的精度。进一步,发现外循环加强了搅拌釜内轴向流动,有利于固体悬浮,从而使临界分散转速变小,并建立了外循环搅拌釜临界悬浮转速的预测关联式,平均相对误差为5.78%。由此获得了一种快速、准确、安全的临界悬浮转速的测量技术,有利于工业生产流程的优化和控制。     

声波测量在搅拌釜中固体颗粒临界悬浮转速测定的应用

基于声发射测量技术,结合声信号的频谱分析、小波分解和R/S分析,获得了代表颗粒运动的特征信号频段（d₁、d₂频段）。同时,根据声波特征信号频段能量随搅拌转速的规律性变化,以固体颗粒碰撞壁面产生信号高频区域的声能量分率值为特征参数,提出了搅拌釜临界悬浮转速的测量判据,即声能量分率快速减少并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速为临界悬浮转速。以水-玻璃珠体系为例,与目测法相比,声波法测量值的平均相对误差为3.51%,具有较高的精度。利用经典的Zweitering临界悬浮转速计算公式对声波法测得的实验数据进行拟合,计算值与测量值之间的平均相对误差为3.17%,表明公式对于临界悬浮转速的计算具有较高的准确性。由此获得了一种快速、准确、安全的搅拌釜反应器临界悬浮转速测量技术,有利于工业生产流程的优化和控制。