同心双轴搅拌器气液分散性能的实验研究

针对气液搅拌操作形式单一的现状,将框式桨和Rushton桨组成的同心双轴搅拌器与黏稠体系中的气液分散操作相结合,实验考察了转动模式、内桨转速、通气量和体系黏度等因素对其气液分散性能的影响。结果表明,与单相黏稠体系中同向旋转模式下的功率与混合性能均占优不同,同心双轴搅拌器在反向旋转模式下的气液分散性能相对更好;外桨转速不变时,内桨转速从100增加到300 r·min~(-1),整体气含率提高94.3%,局部气含率也均有增大;通气量从0.4提高到1.2 m3·h~(-1),整体气含率提高了72.5%,但局部气含率和气泡尺寸的增大不显著;体系黏度增加,气泡在釜内的停留时间加长,整体气含率单调增加。作为影响搅拌釜气液分散性能的重要参数,转动模式、内桨转速和通气量的确定还必须兼顾系统的功耗与混合效率,并避免发生气泛。     

双层组合桨搅拌槽内气液微观分散特性

采用双电导电极探针法对双层组合桨搅拌槽内气液相界面积特性进行了实验研究,考察了通气量、搅拌转速和桨组合对槽内相界面积的影响。结果表明:对于上层桨为上翻斜叶桨和下层桨为凹叶桨的组合,随着通气量的增加,搅拌槽内大部分区域的相界面积增大,但在槽底区域减小。随着搅拌转速的增加,在叶轮区域的相界面积增加明显,而在槽底和液面区域基本不变化。上下层桨的分散能力和气体分布器结构和操作条件密切相关。对于近壁管式气体分布器搅拌槽,在较低通气量下,上层桨对气液分散起着主要作用,而在高通气量下,下层桨的作用增强,起主要作用。带圆盘的搅拌桨对气体具有良好的阻缓作用,不同气速下均具有优异的气液分散能力。     

组合桨搅拌槽内非牛顿流体的气液分散特性

采用Brookfield黏度仪测量了质量分数为0.5%,1.0%,1.5%的羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在298.15 K的流变特性。在直径为0.48 m的平底搅拌槽中,对搅拌槽内不同的3层组合桨的气液二相的分散特性进行了实验研究,考察了非牛顿流体浓度、桨型组合、通气量和搅拌转速对通气功率、相对功率和气含率的影响规律。结果表明:CMC水溶液为假塑性流体,幂律方程能很好地关联其流变特性。在相同操作条件下,随着浓度的增加气含率减小,功率消耗增加;在相同的功率输入时,下压桨型组合的气含率更高。相对功率(PG/P)、气含率关联式等研究结果对非牛顿流体的气液搅拌器设计和操作具有一定参考价值。     

多级搅拌塔气液体系的轴向混合和气含率

采用改进的Rushton六直叶涡轮桨,在内径为80 mm的多级搅拌塔中,以氮气-水体系为研究对象,考察了液速、气速和搅拌桨转速对连续相轴向混合和气含率的影响.结果表明:在液速1.38×10-4～4.42×10-4 m/s、气速5.53×10-2～17.68×10-2 m/s和转速1.67～13.33 r/s条件下,轴向扩散系数随着液速和气速的增加而增大,随着搅拌桨转速的增加先减小后增大;平均气含率随着液速、气速及搅拌桨转速的增加而增大.根据实验数据得到了连续相轴向扩散系数和平均气含率的关联式,其计算值与实验值误差较小,分别小于15%和10%.     

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用Lab VIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE),分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m3?h-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。     

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用LabVIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）,分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m³·h^-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。     

半弧面斜叶桨的流体力学性能与氧传质特性

氧传质系数是气液搅拌反应器设计的关键参数,研究新型搅拌桨的氧传质性能对气液两相搅拌反应器的强化有着重要的意义。本文实验研究了气体分布器、搅拌转速、气量对氧传质系数、搅拌功耗及气含率的影响,结果表明,氧传质系数随搅拌转速和气量的增加而增加;并建立了氧传质系数与搅拌功耗和表观气速的经验公式,为进一步放大应用提供了基础。采用欧拉-欧拉多相流模型及群体平衡模型对半弧面新型斜叶桨进行了计算流体力学（CFD）数值模拟研究,模拟研究了不同结构、搅拌转速、气量下的流体力学性能和氧传质系数,模拟计算结果与实验值的相对偏差在20%以内;这为研究这一半弧面新型斜叶桨提供了一种可靠的数值模拟方法;优化了半弧面新型斜叶桨的结构,提高了搅拌釜的氧传质效率。     

氮气-液体石蜡混合液中搅拌功率的实验研究

在容积1000mL直径10．4cm的透明玻璃槽中,在通气速率0-1.6L／min、挡板高度1cm-10cm、搅拌桨高度2cm～9cm、搅拌转速100～1300rpm、挡板1～7个的范围内,研究了N2-液体石蜡混合系统中搅拌功率的变化规律。分析了搅拌功率随挡板提升而单调减小,随通气量增加而降-升-稳,随搅拌桨提升而升-稳-降,随搅拌转速增加而升-稳-降-升,髓挡板增多而升-稳-降的原因。指出了底部通气会对下排液搅拌桨增加轴承摩擦功耗,搅抖功率随通气量的增减取决于通气量减小混合液粘度密度效应和增加摩擦功耗效应的消长。指出了在搅拌转速增加过程中,会出现气液混合体系粘度密度急剧减小导致搅拌功耗急剧减小的转速区域,当桔度和密度降到下限后,随转速增加,搅拌功率又重新急剧增加。挡板个数的确定,以搅拌形成的环向和径向主流能进入挡扳间距,能产生较强的轴向流和折流为准。     

液化搅拌过程混合性能的研究

为研究搅拌槽内液化过程的混合情况，以糙米粉溶液液化过程为研究对象，采用计算流体力学方法对3种搅拌桨的流场分布、混合时间、功率大小、剪切力大小等方面进行了模拟和分析。结果表明：倾斜大直径搅拌桨（ILD）与多叶片组合式搅拌桨（MBC）和最大叶片式搅拌桨（MB）相比有更强的径向混合能力，近桨叶处的径向速度相比多叶片组合桨和最大叶片桨增加4倍左右；倾斜大直径搅拌桨的死区占比最少，对物料的混合效果最好，在相同的操作条件下，倾斜大直径搅拌桨的功率降低了18%，在保持低能耗的同时，倾斜大直径搅拌桨平均剪切速率更大，更有利于非牛顿流体层流条件下的混合。     

双层搅拌器组合的气液分散性能研究

系统研究和比较了径流桨和径流桨组合、径流桨和斜叶桨组合以及斜叶桨和斜叶桨组合3类不同的双层搅拌器组合,在气液分散搅拌过程中的优劣。小通气量时径流桨和斜叶桨组合(DT PTD和PTU DT)在相同的单位体积搅拌功率下气含率最高,而在大通气量时,双层上翻式斜桨组合(PTU PTU)气含率最高,并发现大通气量时,下层桨不宜采用下压式斜叶桨。     

气液搅拌反应器功率消耗的研究

对圆盘透平,本文从理论上分析了影响气液搅拌功率的主要因素,确立了搅拌功率与叶轮所分散的气体量之间应有的函数关系,解释了不同混合区域内、不同桨层数时,搅拌功率随叶轮转速和通气量的变化关系,给出了多层桨液泛点和再循环起始点的定义,为正确地处理功率数据奠定了基础。     

涡轮自吸桨强化气液混合及氧化反应速率

自吸式搅拌桨具有强化多相及均相体系混合的特性,被广泛应用于化工冶金等领域。本文提出了一种新型涡轮自吸桨,并对其在混合及氧化还原过程中的强化作用进行了研究。以电导率法作为测定方法,以混合均匀时间作为表征参数,对搅拌转速、搅拌输入功率、示踪剂添加位置、吸气和吸液混合等影响因素进行了系统研究。研究结果表明,混合均匀时间随搅拌转速增加而降低,且存在临界转速,即为200r/min,当搅拌转速大于临界转速200r/min后,混合均匀时间基本维持稳定;当搅拌桨以吸气形式运转时,其他条件相同的情况下,自吸桨200r/min转速的混合效果与常规搅拌桨350r/min的混合效果相当;当搅拌桨以吸液形式运转时,自吸桨在0.27kW/m³输入功率下可达到常规搅拌桨1kW/m³以上输入功率的搅拌混合效果。同时,本文以水杨酸为活性氧捕集剂,初步探究了自吸式搅拌桨在强化氧化还原过程的机理,研究结果表明自吸式搅拌桨在吸气运转过程中,混合搅拌体系产生了羟基自由基,对应羟基化产物在120min后积累浓度为73.47μmol/L。此外,以二价铁为氧化剂受体,以二价铁的氧化效率为表征参数,对自吸式搅拌桨实际应用效果进行了系统研究,研究结果表明,在氧化二价铁的过程中,当pH为5.0时,自吸桨氧化优于曝气氧化效果;在pH=4.0、常温条件下,相较于普通搅拌桨,自吸式搅拌桨对应体系的氧化效率达到30%,是常规搅拌桨的10倍;当转速大于300r/min时,转速增加对氧化平衡终点影响较小,对氧化速率影响较大,即转速为400r/min的氧化效率比300r/min的氧化效率高30%。     

不同叶片形状盘式涡轮搅拌桨的气-液分散特性

在直径为0.48 m的椭圆底搅拌槽中,采用包括半椭圆(HEDT)及抛物线(PDT)形叶片的4种盘式涡轮桨,研究了叶片形状对气液两相体系中临界分散、通气功率和气含率的影响. 结果表明,由载气到气泛测得的泛点比气泛到载气测得的泛点明显滞后;比较相同条件下PDT桨与HEDT桨的通气功率和气含率,相同通气准数时,PDT桨的相对功率消耗(Pg/P0)较高,通常大于0.75,且受通气量影响较小;功率消耗相同时,在较宽气量范围内PDT的气含率较HEDT高约5%. PDT桨在相同气量时达到气液分散所需的功率略低,推荐用于工业气液搅拌反应器中.     

最大叶片式桨在假塑性流体中的搅拌流场模拟

为研究最大叶片式桨在高黏假塑性流体中的搅拌流动行为,以黄原胶溶液为研究体系,采用计算流体力学方法重点研究了釜内流体的功耗特性、速率分布、剪切速率、表观黏度分布和总体流动状况。结果表明:最大叶片式桨具有与大多数径流桨相似的"双循环"流型结构,且预测的功耗特性与实验数据一致性良好。最大叶片式桨适用于高黏假塑性流体的混合,而对于高黏牛顿流体的混合则效果不佳。釜内的剪切速率分布较宽泛,且受转速影响较大。转速可作为该桨改善黄原胶体系混合效率的重要参数之一。     

搅拌槽内中高黏物系的气液分散特性研究进展

从实验和数值模拟两方面对搅拌槽内中高黏物系条件下的气含率、气泡尺寸大小和传质特性等进行综述。讨论了搅拌桨型、操作条件、黏度或非牛顿性对气液分散特性的影响。阐明了径流式搅拌桨和上翻式轴流桨的组合能减小气穴,更适合中低黏物系的搅拌;搅拌转速比通气量的影响效果更明显,转速增加使气泡的分布均匀性变好,而提高通气速度会产生大气泡,使气泡分布不均匀程度增加;黏度或非牛顿性的增加可以改变气泡的碰撞频率,气泡平均尺寸减小。最后讨论了针对中高黏物系的计算流体力学模型的修正方法,并且展望了此领域的研究发展方向。     

半椭圆管盘式涡轮搅拌桨气-液分散特性

在直径为0.476 m的椭圆底搅拌槽中,采用半椭圆管盘式涡轮桨,研究桨径与槽径比D/T变化(分别为0.28, 0.33, 0.4及0.5)对气液两相体系中临界分散、通气功率和气含率的影响. 结果表明,对于D/T较小的搅拌桨,采用由载气到气泛测得的泛点比气泛到载气测得的泛点明显滞后,但随D/T增大泛点滞后现象消失;在相同通气量下,D/T对相对功率需求(Pg/P0)的影响不大;功率消耗相同时,低通气量时气含率随D/T增大略有增大,但高通气量时恰好相反. 研究结果及泛点、通气功率、气含率关联式对工业气液搅拌反应器设计操作具有参考价值.     

不同桨型下含盘管的连续搅拌釜停留时间分布的研究

用于含能化合物制备的连续釜式反应器通常安装有螺旋盘管,釜内流动情况复杂。研究搭建了一套含螺旋盘管的连续搅拌釜装置,对四斜叶桨(PBT)、推进桨(PRO)和翼型桨(CBY)作用下连续搅拌釜的停留时间分布进行了测定,并考察了桨型、进料流量、搅拌转速、表观气速等因素对无因次方差的影响,同时考察了对有气体产生的体系在含盘管的连续搅拌釜中多级混合模型的适用性。研究结果表明：多级混合模型基本适用于对含盘管连续搅拌釜式反应器的非理想流动的描述,可用于含盘管连续搅拌釜式反应器的优化设计。当其他条件相同,随着搅拌转速、表观气速的增大,含盘管的连续搅拌釜的无因次方差逐渐增大。对于强放热反应,推荐使用四斜叶桨或推进桨,可以较好地增强釜内物料的混合。     

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。     

固-液搅拌槽内桨型对颗粒悬浮特性影响的实验和模拟研究

以水为液相,玻璃珠为固相,在固-液搅拌槽内比较了传统径向流Rushton桨、轴向流下推式45°六斜叶桨以及新型半折叶搅拌桨的功耗、泵送能力和对固体颗粒的悬浮效果。并应用CFD （Computational fluid dynamics）方法研究了不同搅拌桨操作下颗粒的轴向速度分布。结果表明：在相同转速下,Rushton桨的功耗最大,新型半折叶桨与下推式45°六斜叶桨的功耗接近;新型半折叶桨的流量准数最大,泵送能力最强;在固-液体系中,新型半折叶桨与下推式45°六斜叶桨的流型类似,但3种桨中新型半折叶桨对固体颗粒的悬浮效果最好。     

三种新型桨搅拌特性比较

在直径为２４０ｍｍ的搅拌釜内,考察了最大叶片式桨、泛能式桨和叶片组合式桨的功率消耗、传热及混合特性,并与螺带桨及三叶后掠式桨进行了比较,实验表明,在中低粘度范围内,３种新型桨的传热和混合性能优于螺带桨及三叶后掠式桨。