大型侧进式搅拌釜内湍流流场的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)技术对直径和高度均为13 m的大型侧进式搅拌釜内均相宏观流场进行数值计算。结果表明,将计算域划分为大约90万网格时,计算得到的搅拌功率曲线与实验数据吻合较好;考察不同操作转速、搅拌桨安装角度及个数对釜内低速死区分布的影响,发现增大搅拌转速很难有效地消除水平面上的死区;搅拌桨垂直向下5.71°或水平偏转11°安装能明显改善流体运动。三桨和四桨搅拌体系对釜上部流场的优化要好于两桨体系;但在相同转速下,双桨、三桨和四桨搅拌釜的搅拌功耗分别是单桨搅拌釜的1.2倍、2.3倍和3.4倍。综合考虑,三桨体系搅拌效率较高。最后采用组分模型计算得到不同转速下三桨釜的混合时间。     

基于Fluent的流场数值模拟在制脂釜设计中的应用

基于Fluent平台,采用多重参考坐标法(MRF),以2#通用锂基润滑脂为工作介质,对桨框组合式双向搅拌脂釜内流场进行数值模拟。考察应用内外双向搅拌方式以及变形折叶桨时,制脂釜内宏观流场的分布特点,分析了折叶角θ、桨间距l和搅拌转速ω等参数的变化对流场的影响。结果表明,双向搅拌和变形折叶桨明显改善了物料流动状况;折叶角θ取45°时产生的流场分布较22°、60°更优;当桨间距l在(0.16~0.24)D范围内取值对流动特性和搅拌功率影响不大;内桨搅拌ωi转速高于200r/min后,提高转速无益于流场改善。     

多叶片组合式搅拌桨釜内流动特性和混合性能研究

开发可适用于较宽黏度范围的搅拌桨，强化釜内的流体流动和混合过程对于搅拌釜的节能增效具有重要的意义。实验与数值模拟相结合，在大涡模拟层面研究了多叶片组合式搅拌桨（MBC桨）从层流到湍流状态下，釜内的功率特性、流场分布、湍流特性和混合性能。结果表明：预测的功率曲线与实验结果一致；层流状态下釜内以切向流动为主，随着Reynolds数（Re）的增大，釜内轴向和径向流动逐渐增强，当Re达到486时，速度场分布与湍流状态下基本一致；在相同的能耗水平下，MBC桨对高黏度流体的混合性能优于商业Maxblend桨。桨叶的分散组合布置，强化了釜内的轴向和径向流动，使得MBC搅拌桨在从过渡流到湍流状态下均可实现较大的轴径向流动，湍动能分布较为均匀，混合过程显著加快。     

底入式搅拌器流场的影响因素研究

通过对硫铵结晶底入式搅拌器流场的CFD数值模拟,分析了搅拌转速、搅拌桨半径对高效轴流式搅拌器流场的影响。研究表明,搅拌转速对搅拌釜内流场的分布形式影响较小,随着转速的增加,流量和功率随之增加,近似呈线性规律分布,搅拌器内流体具有较好的循环性能;随着搅拌半径的增大,搅拌器内速度分布逐渐均匀,搅拌桨对流体的剪切性能较好。     

小型反应釜单、双层搅拌桨流场数值模拟比较

小型搅拌釜是实验室常用反应设备。采用CFD数值模拟的方式,采用SST湍流模型,采用多重参考系法分别对单层和双层搅拌桨小型搅拌釜的流场进行模拟,比较两种搅拌桨模型的桨叶区速度场、湍流强度分布以及线速度分布等预测结果,筛选适合小型反应釜的搅拌桨设计。     

基于计算流体力学的聚酯合成反应釜中搅拌桨模拟及其结构优化

聚酯合成过程中,搅拌桨为反应釜中极其重要的部件,搅拌桨的合理设计与优化,可提高搅拌效率并缩短聚酯合成反应时间。本文对广州擎天材料科技有限公司的聚酯合成反应釜目前工况进行计算流体力学(CFD)模拟,发现其反应釜内流体存在混合不均匀及釜内流体"死区"现象严重。通过改变搅拌桨的转速、半径及倾斜角等方法,对搅拌桨进行优化和改进;并结合CFD Fluent商业软件,模拟改进后的搅拌反应釜的宏观流场结构。结果表明:搅拌桨倾斜角为60°时,反应釜内流体分布更为理想;框板式搅拌桨中间区域的流速增加,有利于减少流体的"死区"范围;将搅拌桨倾斜角改为60°,聚酯反应时间由10 h缩短至7 h,提高了生产效率。     

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。     

30m~3聚合釜搅拌改造

近十年来,国内已有30m~3聚合釜40多台投入运行,虽然在30m~3釜内也生产出符合部标的聚氯乙烯树脂,但与国际水平相比,PVC的颗粒形态,粒度分布还有很大差距。因此对已投产的30m~3釜,应对桨形和层数作局部改造,以提高PVC树脂的质量。一、搅拌改造前的状况国产30m~3釜直径2600mm,筒体长为5000mm和5400mm两种,实际容积分     

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。     

无挡板悬浮聚合搅拌釜的粘釜规律

在φ300mm的有机玻璃釜中,用聚苯乙烯颗粒(PS)和粘胶建立了釜内流动条件对粘釜影响的冷模实验方法。研究了无挡板条件下搅拌釜内粘垢的产生及其分布规律,发现在相同搅拌功率下,各种搅拌桨叶对粘釜量的影响从低到高依次为双叶推进式桨、双叶45°斜桨、三叶后掠式桨、双叶60°斜桨、双叶平桨及六叶透平式桨,纵向分布随流型有所不同。并讨论了搅拌桨安装方式及搅拌转速对粘釜规律的影响。     

搪玻璃反应釜流场特征的数值模拟

为了研究化工行业中常用的搪玻璃反应釜内的流场特征,用UG(Unigraphics)建立实际搅拌釜的三维简化模型,然后导入Gambit中进行网格划分,最后应用Fluent数值模拟,得到了不同转速、流体介质和搅拌形式下反应釜的流场特征并进行对比分析。结果表明:转速改变,流体的速度和压力分布情况相同,仅仅是数值上有所改变,转速的增加使得搪玻璃温度计套表面所受压力增加;不同流体介质下,流体的流场有所差别,粘性较大的流体介质流场速度扩散相对要差,搪玻璃温度计套所受压力较小;对比3种不同搅拌形式(桨式、叶轮式和框式)下的流场发现,叶轮式搅拌器比桨式的流体速度扩散要好,框式搅拌器的流体速度分布最均匀,但是框式搅拌釜流场中搪玻璃温度计套所受压力也最大。     

偏氟乙烯乳液聚合的气液传质效果影响因素的研究

首先推导出表征气液传质效果的K值计算方法,借此研究了聚合釜装填量、搅拌桨型和转速等因素对气液传质效果的影响,结果表明:随着聚合釜装填量和搅拌转速的增大,K值增大,气液传质效果提高;在搅拌转速大于500r/min情况下,桨型采用上层二叶平桨、下层二叶斜桨的方式明显比单层的二叶斜桨或二叶平桨的K值大,气液传质效果好。确定了5L釜偏氟乙烯(VDF)乳液聚合必需的良好搅拌效果的条件:装填量为3L、搅拌转速700r/min、桨型采用上层二叶平桨和下层二叶斜桨;VDF聚合速度达到了115gPVDF/L·h,合成出含固体质量分数为20%、粒径分布窄、稳定性好的聚偏氟乙烯(PVDF)乳液。     

搅拌桨叶直径与转速对悬浮法聚氯乙烯树脂粒度分布的影响

为提高悬浮法聚氯乙烯树脂质量,本文研究了搅拌参数与疏松型树脂粒度分布的关系,提出了实验条件下粒度分布(用几何标准偏差-σ表征)与搅拌桨径/釜径(D/T)两者之比及单位体积输入功率的新的关联式。在上海天原化工厂容积为13.5m~3和30m~3生产釜中取样分析的结果表明,若参照该式调节搅拌桨径与转速,实验值与计算值的相对误差在一3.97％～ 9.48％范围内。从传热验算可知,保持D/T不变,按该式放大,不会引起反应釜传热状况的显著变动。     

搅拌反应器气液两相流混合过程的涡旋效应数值模拟

为研究气液两相搅拌釜桨叶对釜内流动结构及气液混合性能的影响,本文以直叶片和推进叶片为研究对象,采用ICEM软件对搅拌釜流场进行六面体结构网格划分,基于SST-DDES湍流模型及欧拉-欧拉多相流模型对搅拌釜内部流场进行三维非定常计算,获得两种桨叶下搅拌釜内部涡结构及其演化过程,并分析搅拌釜内瞬态气相分布和瞬时流场的分布规律。研究结果表明：由于叶片旋转而产生的涡有撕裂、合并、衰减和耗散的演化过程;直叶片相较于推进叶片,其涡耗散速度较快,涡产生到消失的周期较短;由于叶片结构不同,主流的运动方向也随之改变,直叶片沿径向分布,推进叶片沿轴向分布。前者在釜内形成上下两层循环区,不利于气相扩散。后者在釜内形成一个大循环区,加剧釜内流动循环,造成后者的气相扩散能力大于前者。比较两者T_0.95分布,推进叶片要小于直叶片,推进叶片搅拌釜T_0.95近似为直叶片搅拌釜T_0.95的50%。     

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。     

偏氟乙烯乳液聚合的气液传质效果影响因素研究

推导了表征气液传质效果的K值计算方法,并研究了聚合釜装填量、搅拌桨型和转速等因素对气液传质效果的影响。结果表明,随着聚合釜装填量和搅拌转速的增大,K值增大,气液传质效果提高;在搅拌转速大于500r/min的情况下,桨型采用上层二叶平桨、下层二叶斜桨的方式明显比单层的二叶斜桨或二叶平桨的K值大,气液传质效果好。确定了5L釜偏氟乙烯(VDF)乳液聚合必需的良好搅拌效果的条件:装填量3L,搅拌转速700r/min,桨型采用上层二叶平桨和下层二叶斜桨;VDF聚合速率达到115g/(L·h),合成出固体质量分数20%、粒径分布窄、稳定性好的聚偏氟乙烯(PVDF)乳液。     

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。     

装料系数对搅拌釜混合效果的实验研究

实验采用三叶后掠式桨叶和最新获得国家专利授权的一种具有内导流作用的搅拌桨进行比较,研究不同的装料系数下,搅拌釜混合效果情况。通过对两种搅拌桨在不同装料系数以及不同转数下的实验得到以下结论:(1)混合时间均随着装料系数的增大而增大,但随着搅拌转数的增大而减小;(2)循环次数随着装料系数的增加而减小,随着转数的增加而增大;(3)装料系数增大,搅拌桨的搅拌功增大;(4)挡板附近桨叶区粘釜量比远离桨叶区的粘釜量多;搅拌釜中的物料量对粘釜量有较大的影响,当液面高度升高时,搅拌混合效果变差,粘釜量减少。     

剪切应力对红豆杉细胞悬浮培养的影响及CFD模拟研究

在同轴圆筒装置的均匀剪切场中研究了不同剪切应力(0.16, 0.46, 0.78Pa)对悬浮培养的南方红豆杉细胞生理的短期影响。结果表明剪切应力为0.16~0.46Pa时,有利于细胞的生长和初生代谢;剪切应力为0.46~0.78Pa时, 有利于细胞的次生代谢;另一方面利用计算流体力学(CFD)对20L生物搅拌釜(45-斜向上桨(45-PBT),桨距为(1/3)T的流场进行了三维模拟,获得搅拌釜内部的剪切场。结果表明搅拌釜内剪切应力分布极不均匀, 且主要集中在搅拌桨区和尾流区,约为主流区和挡板区值的3~5倍,有时甚至高达7倍。通过将实验结果和CFD模拟相结合,预测了20L生物搅拌釜剪切应力对南方红豆杉细胞生理的影响。表明当搅拌转速小于150 rmin-1时,搅拌釜内相应的剪切应力有利于细胞的生长和初生代谢;而当搅拌转速大于200 rmin-1时,则不宜于南方红豆杉细胞的培养。     

应用三维PDA研究多层桨在搅拌过渡区的流场

在直径为0.5ｍ的搅拌釜内,应用三维激光颗粒动态分析仪（简称PDA）测定了多层搅拌桨在搅拌过渡流区的三维流场．研究了不同的桨叶安放角、桨径、桨层间距、雷诺数及不同桨型对流场的影响规律,为在过渡流区操作的多层搅拌反应器的优化设计提供参考．