连续高速分散混合器内的流体力学性能——Ⅰ.实验研究

针对3种不同结构的定子,采用不同粘度的牛顿流体及假塑性非牛顿流体作为工作介质,对连续高速分散混合器(CRS)内的流体力学性能进行了系统的实验研究,着重对CRS的功率特性、流体的表观Kolmogorov尺度进行了测定和分析. 结果表明,3号定子操作条件下的功率准数最大,为5.44;CRS的Metzner-Otto常数远大于普通搅拌桨;CRS内流体的表观Kolmogorov尺度比传统的搅拌反应器小一个数量级,因此CRS内的微观混合时间远小于搅拌反应器. 研究结果可为连续高速分散混合器的优化提供参考.     

连续高速分散混合器内的流体力学性能-II. 数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法研究连续高速分散混合器(CRS)的流体力学特性. 采用FLUENT 6.2软件，选用标准k-e模型和滑移网格(SM)法，对CRS进行三维流动场的数值模拟. 功率消耗的预测值与实验结果吻合良好，随雷诺数的增大功率准数NP基本不变，其模拟值为5.99，与实验的误差为13.7%. 在中小流量下，水力学性能的模拟值与实验值吻合较好，但较高流量下由于液沫夹带而无法准确预测. 模拟结果表明，CRS的最大泵送效率仅为13%，其功率消耗主要用于物料高效剪切混合；混合腔内的宏观流动场、剪切速率及湍流耗散率均呈非对称分布；对应转子不同的几何位置，定子槽内产生流型不同的漩涡，模拟结果与文献数据相吻合. 研究结果可为工业CRS的优化设计提供参考.     

静态混合器的流体力学性能和传热性能研究

就静态混合器的流体力学性能和传热性能研究作一论述,分析了两种静态混合器的流体压力降计算式和传热系数计算式。     

Kenics静态混合器的流体力学性能

用激光测速仪(LDV)测定了φ50mm Kenics静态混合器的流场、压力降和液滴平均直径。着重讨论了流量和混合单元数对轴向速度、切向速度和湍流强度的影响,并对静态混合器内液滴粉碎的机理进行了探讨。研究结果对消化吸收引进技术和合理地设计大型静态混合器具有参考价值。     

静态混合器中液液分散的实验及CFD模拟

在SK型静态混合器上进行甲苯-水两相混合实验,采用截面直接拍摄法获得分散混合性能指标Sauter平均直径（SMD）。利用Box-Behnken响应面分析设计实验,在Design Expert 7.0平台上拟合实验数据,获得SMD的多项式形式的表达式。建立了与实验相同的静态混合器物理模型,使用Mixture多相流模型、k-ε湍流模型进行了CFD模拟研究,获得了浓度场云图及分布混合指标不均匀系数。模拟所得压降与实验值的相对误差在15%以内,表明模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,静态混合器中液液分散过程是分散混合和分布混合共同作用的结果,两种混合经过6～8个混合单元后共同达到充分发展。充分发展后的SMD受表观流速、分散相分率和静态混合器直径三因素影响,且表观流速的影响最为显著;充分发展后的不均匀系数均达0.05以下,表明静态混合器自身具有较好的分布混合性能。     

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器（LSM）内水-空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_L=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_G=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明：当U_L<0.085 m/s和U_G=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d₃₂逐渐减小。当液体表观速度U_L≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d₃₂随气体表观速度的增加先减小后增大;U_G =0.028 m/s时d₃₂达到局部最小值,53%的气泡直径d_B/D₀在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d₃₂/D₀=0.031τ^-0.14We^-0.41。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式：C=5.26×10⁵U_G^-0.91/Re^0.74。     

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器（LSM）内水-空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_L=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_G=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明：当U_L<0.085 m/s和U_G=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d₃₂逐渐减小。当液体表观速度U_L≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d₃₂随气体表观速度的增加先减小后增大;U_G =0.028 m/s时d₃₂达到局部最小值,53%的气泡直径d_B/D₀在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d₃₂/D₀=0.031τ^-0.14We^-0.41。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式：C=5.26×10⁵U_G^-0.91/Re^0.74。     

黏性体系中齿合型高剪切混合器解聚分散二氧化硅纳米颗粒性能研究

为探究复杂体系中纳米颗粒解聚分散过程强化的新途径,在黏性体系中,研究了纳米颗粒解聚分散的机制以及可达到的最小尺寸,同时考察了转子转速、定转子结构与体系黏度等对齿合型高剪切混合器解聚分散性能的影响。结果表明,当能量输入由低到高时,解聚机制由断裂主导转变为由侵蚀主导,可达到的最小尺寸约为117 nm,且不受转速等影响;提高转速可有效强化纳米颗粒解聚分散过程,显著提高细颗粒(d_p<1μm)的生成体积和生成速率;在定子齿数为8～16、转子齿数为4～12、定转子齿角为0°～30°时,增大定子齿数或定子齿角对纳米颗粒解聚分散起强化作用,而增大转子齿数则表现为有限的强化作用,过大的转子齿角则不利于纳米颗粒的解聚分散;与清水体系相比,黏性体系能显著强化纳米颗粒的解聚分散,其强化作用随黏度的增大而增大。     

高速分散搅拌器试验研究

研究了直齿型及斜齿型高速分散搅拌器的搅拌功率特性和流体的流动状态,分析了搅拌器几何参数和搅拌效果,为今后的设计提供理论依据,以满足更多的市场需求。     

啮合型连续混炼机转子混炼特性的研究

介绍了几种混炼元件的混炼特点。在建立啮合连续混炼机转子的三维非牛顿等温流场模型的基础上,利用ANSYS软件对转子流场进行数值模拟,并对流场特点进行了分析。讨论了操作条件对转子混炼性能的影响。     

双转子连续混炼机混炼段相似放大初探

基于几何相似准则,分别对3种混炼段构型进行了2倍和10倍放大,用Polyflow软件对放大前后的混炼段流场进行了模拟研究,以1个旋转周期内不同横截面上的平均压力和平均混合指数、物料在混炼段的停留时间分布、混炼段出口截面上的解聚功率密度和修正Lyapunov指数的累积概率函数、比能耗、扭矩和轴向力等为评价指标,分析了几何相似放大对流场特征、混合效果、能耗等的影响。结果表明,采用几何相似准则对不同构型的混炼段进行放大时,在转速不变的情况下,产量均可按几何放大倍数的3次方放大,而混炼段流场特征、混合效果及比能耗保持不变,混炼段转子所受的轴向力和扭矩分别按几何放大倍数的平方和立方增大;在进一步的放大设计中需兼顾热平衡相似,以便在高产量下保证塑化品质。     

混炼设备的发展及连续混炼机的研究

混炼设备的发展经历了大致三个阶段开炼机,密炼机和连续混炼机.目前橡塑工业正向着大型化、自动化、连续化发展,连续混炼受到人们越来越多的关注.双转子连续混炼机在我国是一种新兴的连续混炼设备,它既能连续工作,又保持了密炼机优越的混合特性,可以在很宽的范围内完成对物料的混合造粒任务,对它的研究正在逐步开展起来.     

管道式连续甲酯化制备生物柴油中试实验

在管道式条件下,采用丁酮为共溶剂进行连续甲酯化制备生物柴油的中试实验。根据实验数据和设备固有参数分别推导出了转化率与反应时间的关系以及转化率与进料流量的关系。在不改动设备的前提上,为了达到较为满意的转化率,最有效方法就是提高共溶性和增加循环次数延长反应时间。且实际转化率与时间的关系为:Y=99.5-157.83591×EXP (-0.60508×(t/8))。除为生产提供了理论依托和估计反应程度外,也方便了操作流程,降低了操作的盲目性。     

双转子连续混炼机中的混沌混合行为研究

双转子连续混炼机是一种具有优异分散与分布混合特性的连续混炼设备。本文运用混沌流动理论,对双转子连续混炼机混炼流场的混沌流动特性进行了分析研究,提出了采用以物料停留时间为基准的修正Lyapunov指数来描述混合过程中发生的拉伸应变,并借助于有限元计算,得出流场绝大部分区域的修正Lyapunov指数大于零,并发现混炼流场中存在非常有利于拉伸、折叠流动的涡旋流动,赋予了双转子连续混炼机优异的分散与分布混合特性。     

双转子连续混炼机制备插层型聚乙烯/有机蒙脱土纳米复合材料的研究

借助双转子连续混炼机,通过直接熔融插层法制备了聚乙烯/有机蒙脱土纳米复合材料,并用XRD测试了有机蒙脱土的层间距。分析了不同转子转速和喂料速率对聚乙烯有机蒙脱土复合材料层间距及其力学性能的影响。结果表明,选择适当的操作工艺以获得合适的剪切强度对于制备插层型聚乙烯有机蒙脱土纳米复合材料极为重要,当转子转速为400r/min,喂料速率为1.35kg/h时,制得的聚乙烯/有机蒙脱土复合材料层间距最大,插层效果最佳,有机蒙脱土的增强与增韧效果最好。     

大型双转子连续混炼机转子混炼段混合性能的研究

对?450大型双转子连续混炼机转子混炼段混合性能和力学性能进行研究。分析啮合间隙、转子导程、转子正反段长度比等几何参数对混炼机剪切应力分布、转子所承受的轴向力和扭矩的影响。研究表明,转子啮合间隙对转子混合性能和力学性能影响最为显著,随着啮合间隙的增大,剪切应力、转子所受的轴向力和扭矩会逐渐下降;转子导程变化对转子力学性能的影响相对明显;转子正反段长度比不仅影响转子所承受的轴向力,而且还影响剪切应力分布,对转子所受扭矩影响不大。     

双转子连续混炼机混合过程的统计学分析

利用Polyflow软件,对聚合物熔体在双转子连续混炼机内的混合过程进行了统计学分析。通过计算转子转过不同角度时的三维等温拟稳态流场,采用粒子示踪分析（PTA）方法,对聚合物熔体在双转子连续混炼机内的动态混合过程进行了可视化模拟;在此基础上对1000条粒子的运动轨迹进行统计学分析,得出了停留时间分布、累积最大剪切速率分布、百分比粒子所受的剪切速率随时间的变化等参数,并分析了其对双转子连续混炼机混合性能的影响。     

不同转子的双转子连续混炼机混炼效果的比较

采用三维绘图软件PRO/E对双转子连续混炼机的转子进行了结构设计,利用GAMBIT对其进行网格划分及边界条件设定,并运用有限元流体分析软件POLYFLOW对转子部分的混炼过程进行了模拟分析,比较了转子转过不同角度时沿轴向距离的剪切速率、平均速度、黏度以及压力。分析得出,螺棱交汇点位置在其长度方向1/3处的转子存在着很明显的反向压力,即可以产生明显的有利于混炼的反向流动。该研究将有助于优化转子结构,从而进一步提高混炼效果。