不同挡板絮凝反应器流场的实验研究

采用激光多普勒测速（LDV）技术,对带有4种类型挡板的絮凝反应器内的流场情况进行了实验测量,对比了安装有直挡板、带孔直挡板、弧形挡板及正弦挡板的絮凝反应器流场中的速度分布、湍动能及功率准数。结果表明：在搅拌桨相同的情况下,扰流挡板对反应器流场的整体影响较小,而对挡板附近的流场具有不同程度的影响。不同挡板反应器中,平均轴向速度相差较小,而平均径向、切向速度、湍动能及功率准数相差较大。与直挡板相比,带孔直挡板、弧形挡板和正弦挡板的设置分别使挡板附近流场的最大平均径向速度提高了0.043Utip、0.025Utip和0.058Utip,最大平均切向速度提高了0.023Utip、0.019Utip和0.038Utip,最大湍动能提高了0.016Utip2、0.015Utip2和0.021Utip2,功率数降低了0.98%、1.33%和5.78%。得出结论：合理的挡板形式可以有效地解决絮凝流场混合不均的问题,强化絮凝反应流场,改善絮凝效果,降低能耗,提高絮凝的经济效益。     

搅拌槽中酯化反应热失控的CFD模拟

热失控是化工过程中常见的安全风险之一。在间歇釜式反应器中,桨叶的机械转动可以增强流体的循环流动、湍流强度、混合程度以及传热,进而有效防范热失控。防控效果与反应器结构和搅拌桨型密切相关。针对丙酸异丙酯酯化反应,采用计算流体力学模拟研究了桨型(Rushton桨、30o PBT桨及60o PBT桨)、转动方向和挡板对釜式反应器内温度演化的影响,从流动结构方面分析了原因。基于散度的失控判据比较了三种搅拌桨抑制热失控的能力,抑制能力为Rushton桨＞30° PBTD桨＞60° PBTD桨。本研究可为搅拌反应器热失控的优化设计提供一定的理论依据。     

基于CFD的羰基合成反应器放大及桨型优化

对带三层组合搅拌桨的羰基合成反应器进行计算流体力学(CFD)模拟,对比分析了反应器放大前后及底层桨优化前后反应器内流场、气含率分布和搅拌功率等参数的变化规律,研究反应器的放大及桨型优化效果。模拟结果表明,当釜径从4 600mm放大到5 200mm时,反应器内流场分布和气含率分布与放大前相似,具有相近的混合效果,说明放大后的搅拌桨能达到预定的效果,所选用的放大准则是合理的。采用新弯叶径向流搅拌桨替换底层直叶径向流桨后,发现该搅拌桨不仅具有更好的搅拌混合效果,而且搅拌功率较直叶桨搅拌功率降低了约51%。     

气固搅拌流化床内压力脉动特性的数值模拟

在传统气固流化床中引入搅拌桨,可减轻聚合物颗粒的黏附并强化流态化过程。采用计算流体力学(CFD)方法对搅拌流化床内的压力脉动特性进行数值模拟,考察流态化过程中的气泡行为。模拟过程采用多重参考坐标系方法解决搅拌桨区域的运动问题,由欧拉双流体模型和颗粒动力学方法模拟气固两相流。床层压力脉动的统计分析和功率谱分析表明,随着搅拌桨转速的增加,流化床内的压力脉动标准偏差和功率谱幅值变小,床层内的平均气泡尺寸减小,床层可由鼓泡流态化向散式流态化转变。     

桨型和挡板对自浮颗粒三相体系混合的影响

在直径３８６ｍｍ的搅拌釜内,考察了多种搅拌桨和挡板组合对自浮三相体系的搅拌功耗,气含率和釜底部颗粒含量的影响。实验表明,自浮三相体系的搅拌混合上层桨宜采用上推式桨;当液高与釜径比为１．６时,三层桨的混合参数优于两层桨;简易型轴流桨的混合效果好于涡轮桨。此外还对优异的搅拌桨和挡板组合进行了桨间距的优化,并回归了关联式,可供过程放大时参考。     

基于介尺度PBM模型的生物反应器放大模拟及实验研究

对于通气搅拌式工业生物反应器的放大设计而言,精确预测气泡尺寸和体积传质系数非常重要,因此需要建立合适的气泡聚并和破碎模型,以保证反应器的高效操作。以5 L通气搅拌式生物反应器为对象,以气泡尺寸和体积传质系数的实验数据为基准,模拟并考察了两种聚并模型和四种破碎模型对生物反应器内流体流动行为以及传质能力的影响。结果表明,基于介尺度理论的修正聚并模型与考虑黏流剪切的破碎模型组合,所得模拟结果与实验数据吻合最好,这为大型生物反应器的桨型优化提供了模型基础。因为工业化生物发酵通常是在大型生物反应器中进行,搅拌桨型对生物反应器效能至关重要,故本研究在选定最优气泡聚并破碎模型的基础上,通过叶轮末端剪切力相等的放大原则将5 L通气搅拌式工业生物反应器放大到400 m³,同时考察了六斜叶圆盘搅拌桨、非对称式抛物线搅拌桨、布鲁马金式搅拌桨以及六直叶圆盘搅拌桨等桨型组合对气泡破碎能力和气体分散效果的影响,并通过综合对比气含率、体积传质系数等参数,得到400 m³通气搅拌式生物反应器的最优桨型组合。     

多喷嘴对置式撞击流反应器流场的数值模拟

为探讨多股撞击流反应器内流场的特点,利用Fluent软件对两喷嘴对置式和四喷嘴对置式撞击流反应器内流场进行模拟,研究了在不同工况下这两种撞击流反应器内的流场结构,设定进口流速分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s。模拟结果表明,进口流速由5 m/s增加到25 m/s时,反应器内流体流动的平均速度及压力波动增大为原来的4.1倍和16.2倍,其速度梯度和压力平均波幅也增大为原来的5.0倍和25.4倍。通过对两种不同结构的撞击流反应器的比较可以得到四喷嘴对置式撞击流反应器内流体流动产生的速度梯度和压力平均波幅更大,其值都约为二喷嘴对置式撞击流反应器的1.2倍,因而四喷嘴对置式撞击流反应器内剪切力场更强,脉动更强烈,更有利于反应器内的湍动混合。     

撞击流反应器内流场特性研究进展

综述了国内外撞击流反应器内流场速度和脉动振荡特性的研究进展。目前,对非限制撞击流反应器内撞击流体的径向速度发展及轴向速度与撞击驻点的脉动特性都有了系统研究,对撞击驻点的振荡模式进行了划分,并得出大量适用于不同喷嘴间距的速度关联式,但对驻点振荡模式的产生机理还没有明确解释。层流状态下随着雷诺数增大,众多学者对受限撞击流反应器内流型的流动模式进行了划分,提出了出现吞噬流模式的临界参数关联式,由于结构等参数的变化当前还没有普遍适用控制流型模式变化的关联式。在浸没撞击流反应器内用非线性分析法确定撞击区并划分了流场区域,但目前尚不能揭示湍流状态下流场能量分布与速度信号等的变化规律。最后作者对撞击流反应器内部流场结构的研究前景进行了展望。     

新型搪玻璃搅拌桨搅拌特性数值模拟及实验研究

采用CFD方法模拟了具有相同桨径、不同桨叶折角和叶宽结构的6种新型搪玻璃搅拌桨的搅拌特性。考察了挡板、桨叶离底高度对釜内流场的影响,基于此分析了桨叶折角、叶宽对速度分布的影响。对模拟得到的搅拌功率和混合时间进行了实验验证,并与传统搪玻璃桨式搅拌器进行比较。结果表明：①新型桨叶在加挡板且桨叶离底高度为450 mm时,搅拌效果最佳;②随桨叶折角、叶宽的增大,桨叶区轴向、径向和切向速度均呈增大趋势,当桨叶折角为45°、叶宽为95 mm时,釜内混合效果最好;③随转速增大,搅拌功率呈增大趋势,混合时间呈减小趋势,新型桨明显比传统桨混合性能好,桨叶折角为30°、叶宽95 mm时功率消耗最低,桨叶折角为35°、叶宽95 mm时混合时间最短。     

气固搅拌流化床中压力脉动特性

气固搅拌流化床反应器可用于黏结性聚合物颗粒的流态化过程,流化床中通气湍动与搅拌的相互作用关系仍不明确。通过压力脉动的统计分析、功率谱分析和小波分析,考察了搅拌桨型式和搅拌转速对流态化特性的影响规律。实验发现,搅拌转速和搅拌桨型式对床层压力影响较小,但对压力脉动影响显著。搅拌流化床中搅拌与通气湍动对流态化共同作用,双层锚式桨、框式桨等小桨叶面积的搅拌桨在较高转速条件下能强化流态化过程,与普通流化床相比具有更小的气泡尺寸和压力脉动,搅拌可抑制气泡聚并、破碎气泡,维持床层均匀流态化;而新型具有大桨叶面积的自清洁桨的搅拌作用强烈,在较高的转速下易形成桨叶前方的颗粒堆积和桨叶后方的气体短路等非正常流化现象,适宜于中等转速的操作条件。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性

可视化实验研究了透明螺旋折流板换热器的壳程速度分布特征,重点研究了轴向速度的分布规律及对应的机理。结果表明,轴向速度按照折流板的螺旋周期呈周期性变化,不同流量下同一测点的轴向速度分布规律相似。轴向速度在换热器壳程周边区域分布比较均匀,沿轴向变化幅度较小,流动相对稳定,湍流度较低。由于受三角区漏流的影响,管束中心区域轴向流速急剧增大,沿轴向变化幅度较大,稳定性差,湍流强度较高。中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域,离换热器中心越近,轴向速度越大。随着壳程流量的增大,中心区域轴向速度的增幅高于外围区域。管束中心处轴向速度波动剧烈,壳程流量较小时,中心处轴向流速平均值最大,随着流量的增加,湍流度增大,流体返混现象明显,中心处轴向流速平均值逐渐减小。     

新型六分扇形螺旋折流板换热器壳程传热及流动特性

针对现有四分螺旋折流板换热器中心区域漏流明显的特征,提出了一种新型的六分扇形螺旋折流板换热器。建立了六分扇形螺旋折流板换热器的三维物理模型,应用Ansys CFX软件对其壳程流动与传热特性进行数值模拟,分析了不同螺旋角(10°、20°、30°、40°)和不同工况下六分扇形螺旋折流板换热器的壳侧性能,并与传统的弓形折流板换热器作对比。结果表明,六分扇形螺旋折流板可以显著减少三角区漏流现象的发生,壳程流体旋流特性较好。随着螺旋角的增大,壳侧速度场与温度场分布更加均匀,综合换热性能逐步提高。     

Power consumption,pumping capacity and turbulence intensity in baffled stirred tanks: Comparison between several turbines

Power consumption, pumping capacity, mean velocities and velocity fluctuations in the discharge flow of five open or closed turbines in a baffled vessel have been measured. For a given power consumption, the open turbines develop a higher pumping capacity and a higher turbulence intensity.     

Structure des écoulements dans une cuve à fond bombé agitée par une turbine de rushton

The flow pattern induced by a Rushton turbine was studied in a 50 1. baffled, dome-shaped tank using Laser Doppler velocimetry. The radial, tangential and axial components of the mean velocity and the quadratic mean of the velocity fluctuations were determined at several locations in the cross-section between two baffles and in two vertical planes close to the baffles. Radial, axial and tangential circulation rates were computed. These sets of results were used to determine precisely the mean and fluctuating flow features in the tank and to explain the respective effects of the baffles and the dome-shape.     

搅拌槽内液-固两相体系的数值研究(Ⅰ)流场的数值模拟

Three-dimensional solid-liquid flow is mathematically formulated by means of the “two-fluid” approach and the two-phase k-ε-Ap turbulence model. The turbulent fluctuation correlations appearing in the Reynolds time averaged governing equations are fully incorporated. The solid-liquid flow field and solid concentration distribution in baffled stirred tanks with a standard Rushton impeller are numerically simulated using an improved “inner-outer” iterative procedure. The flow pattern is identified via the velocity vector plots and a recirculation loop with higher solid concentration is observed in the central vicinity beneath the impeller. Comparison of the simulation with experimental data on the mean velocities and the turbulence quantities of the solid phase is made and quite reasonable agreement is obtained except for the impeller swept volume. The counterpart of liquid phase is presented as well. The predicted solid concentration distribution for three experimental cases with the average solid concentration up to 20% is also found to agree reasonably with the experimental results published in the literature.     

Using positron emission particle tracking (PEPT) to study the turbulent flow in a baffled vessel agitated by a Rushton turbine: Improving data treatment and validation

Positron emission particle tracking (PEPT) is a relatively new technique allowing the quantitative study of flow phenomena in three dimensions in opaque systems that cannot be studied by optical methods such as particle image velocimetry (PIV) or laser Doppler anemometry (LDA). Here, velocity measurements made using PEPT in two sizes of baffled vessel (∼0.20 m and ∼0.29 m diameter) and two different viscosity fluids agitated by a Rushton turbine are compared for the first time directly in depth with some studies reported in the literature made by LDA for the turbulent regime in the equivalent geometry. Initially, the paper considers how the Lagrangian data obtained by PEPT can be converted into Eulerian in order to make the comparison most effective. It also considers ways of data treatment that improve the accuracy of both the raw PEPT data and the velocities determined from it. It is shown that excellent agreement is found between the PEPT and literature results, especially for the smaller vessel, except for the radial velocity just off the tip of the blade in the plane of the disc of the Rushton turbine. This difference is attributed to the very rapid changes in both magnitude and direction that occurs in that region and also to the different way of ensemble averaging in the two techniques. In addition, the results for the absolute velocities normalised by the impeller tip velocity for all the rectangular cross-section toroidal cells in each size of vessel and each fluid and a range of agitator speeds are compared in the form of frequency histograms. In this analysis, the velocities for each run are obtained from PEPT based on tracking a particle for 30 min and the mean and mode of the velocities each decrease slightly with decreasing scale and Reynolds number. The possible reasons for this variation in the mode and the mean are discussed. Overall, it is concluded that for the radial flow Rushton turbine the PEPT technique can be used to obtain accurate velocity data throughout the entire complex three-dimensional turbulent flow field in an agitated, baffled vessel except very close to the impeller in the radial discharge stream.     

螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟

文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比。在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2.2—2.9倍,而压降是光滑管的2.3倍左右。采用计算流体力学软件F luent 6.0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟。结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热。对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6.3%和9.8%。     

稀疏固液搅拌体系流动特性

引　言在固液两相搅拌反应器中 ,固体颗粒的运动行为直接影响到固液两相流的流体力学及传质特性 ,因此 ,近年来对固液两相体系中颗粒的运动行为研究愈来愈受到重视 .对于流体机械混合操作 ,许多情况下流动均处于湍流区域 ,涉及到多相态时 ,问题变得更为复杂 .颗粒和湍流的相互作用 ,很久以来一直是人们研究的基本问题之一[1～ 3] ,对有固体颗粒存在下液相流体速度及湍流脉动变化规律 ,也是研究人员和工程技术人员关注的重点 .现有文献中用激光测量搅拌槽内固液两相流动的数据很少 ,仅Ｎｏｕｒｉ[3] 测量了六直叶涡轮搅拌槽内固液两相速度分…     

板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性

以板式螺旋桨叶轮为例,采用相位多普勒粒子分析仪测量了直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内的流场;分析了时均速度、脉动速度及湍流动能的分布,以及叶轮离底间隙变化和挡板对流场的影响。结果表明:随离底间隙增大,叶轮区脉动速度和湍流动能增大,时均速度和脉动速度最大值位置向槽中心方向移动;主循环区轴向速度最大值随离底间隙增大而减小;叶轮区湍流动能较高,随离底间隙增大,湍流动能最大值增大,位置靠近叶轮端部;挡板阻碍槽内切向流动,影响湍流动能的分布,挡板前流场反映了叶轮区的湍流动能分布。