多相搅拌槽内宏观混合研究进展

多相搅拌槽反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业中,而多相混合状态对于多相搅拌槽反应器的设计、优化和放大具有重要意义.混合时间是表征其宏观混合过程的一个重要参数.文中从实验和数值模拟二方面对多相搅拌槽反应器的液相混合时间研究进行综述,对气液、液固、液液、气液固4种体系的多相搅拌槽进行了分类总结,讨论了分散相、桨型、转速、...     

SCISR与STR中微观混合的比较

利用α-萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐的偶合反应对浸没循环撞击流反应器与搅拌槽反应器中微观混合性能 进行了比较研究。结果表明,在等比有效输入功率和平均停留时间相同的条件下,浸没循环撞击流反应器具有显著优于 传统搅拌槽反应器的微观混合性能。     

超声场下搅拌槽内微观混合

以醋酸锌、氯乙酸乙酯和氢氧化钠的平行反应为研究体系,考察了较高物料浓度时超声场下搅拌槽内的微观混合情况。结果表明:搅拌和超声波振荡对微观混合有明显的强化作用,在不同超声功率下,存在搅拌速率N对微观混合影响的临界搅拌速率Nc。当N>Nc时,搅拌速率对微观混合的影响可以忽略;N相似文献   

撞击流反应器中反应动力学研究

浸没循环撞击流反应器(SCISR)的主要特点是撞击区能显著强化微观混合且存在压力波动.对于若干反应体系例如正丁醇与浓硫酸反应等,SCISR显示出明显优于搅拌反应釜(STR)的反应动力学性能,在相同条件下,浸没循环撞击流反应器中所测的正丁醇与浓硫酸反应速率常数k比搅拌槽反应器高约10%.     

间歇搅拌反应器的微观混合特性

<正> 1 引言 微观混合是指流体分子尺度上的混合,而化学反应过程又是反应物分子间相互有碰撞作用的过程,微观混合对搅拌槽内进行化学反应有直接影响,因此开展对间歇搅拌反应器微观混合状况的研究十分必要。但微观混合的机理和模型较复杂,测定方法较困难,过去20年来集中于机理与模型研究,实际应用报道较少。本文对乙酸乙酯不可逆二级皂化间歇反应器中搅拌转速、介质粘度对微观混合状况的影响进行研究。 2 微观混合状态的描述 2.1 微观混合模型概述 从Danckwerts提出一整套混合统计概念和微观混合的2种极限理想状态后,许多研究者力求把这2种状态结合起来描述实际的微观混合状态,并通过大量实验,从工程和机理角度提出了不少微观混合模型。但这些工程模型都是单参数模型,经湍流类比分析,其微观混合参数都与理想混合时间有关,具有共同的结构特征。     

搅拌槽内混合过程的模拟计算方法

利用CFD软件Fluent,对搅拌槽内的混合过程进行了模拟计算。通过整体监测槽内示踪剂浓度的最大、最小值的来计算混合时间,并定义混合体积描述宏观混合过程。结果表明:桨叶产生的流场分布—平行流与文献的PIV研究监测结果具有良好的一致性;整体监测得到的混合时间之间的差值较小;混合体积曲线能够从宏观的角度来分析搅拌混合过程。     

撞击流反应器中反应动力学研究

实验已经表明，浸没循环撞击流反应器（SCISR）的主要特点是撞击区能显著强化微观混合且存在压力波动，对于若干反应体未例如正丁璃与浓硫酸反应等．SCISR显示出明显优于搅拌反应釜的反应动力学性能．在相同条件下，浸没循环撞击流反应器中所测的正丁醇与浓硫酸反应速照常数K比搅拌槽反应器高约20％。     

轴流式搅拌桨搅拌槽内混合时间的数值模拟

利用计算流体力学软件FLUENT 6.0程序计算了单层CBY搅拌槽内流体混合过程的速度场和浓度场,讨论了加料点位置和监测点位置对混合时间的影响。结果表明,拌槽内物料的混合过程主要由槽内的流体流动所控制;混合时间与加料点位置有关,在桨叶附近区域加料时混合时间比在液体表面加料时的混合时间短,应尽量在搅拌反应器的桨叶尖端处加料;不同的监测点位置对混合时间有很大的影响,在靠近槽底部进行监测所得到的混合时间最短。     

管式填料床反应器内的湍流微观混合研究

采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系研究了管式填料床反应器内的湍流微观混合.通过沿程取样分析来考察离集指数(Xs)沿反应器轴向位置的分布.实验结果表明,反应物在管式填料床反应器内的离集主要发生在反应物开始相遇的区域且随着流速的增加离集状况得到明显改善.在实验基础上,采用团聚(Incorporation)模型计算得到管式填料床反应器的微观混合时间tm在1×10-3s到4×10-3s之间,明显小于搅拌槽反应器内的微观混合时间.相对于搅拌槽反应器,管式填料床反应器更适合于快速反应.同时研究表明,丝网填料的加入能提高微观混合效率.     

刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合

传统粉煤灰提铝工艺中酸浸搅拌槽均采用刚性搅拌桨。因刚性桨卷吸能力有限，导致固体颗粒易沉槽、流体混沌混合效率低。提出刚柔组合桨强化酸浸搅拌槽中固液混沌混合行为。实验基于固含率为30%的粉煤灰-自来水体系，研究了刚柔组合酸浸搅拌槽内混沌混合特性及能量耗散规律。采用扭矩传感器采集扭矩时间序列信号，借助Matlab软件编译计算混合过程中最大Lyapunov指数和多尺度熵等混沌特性参数，以单位体积功耗表征搅拌反应器的功率特性。实验考察了搅拌桨安装离底高度、柔性片长度、柔性片宽度等因素对酸浸槽内粉煤灰混沌混合的影响，对比了刚性桨与刚柔组合桨体系的能耗差异。研究结果表明：刚柔组合桨通过柔性片的作用，能增大搅拌桨的卷吸力，进而减少固体颗粒沉槽现象，促进全槽混沌混合；在最优化条件（120 r/min，搅拌桨安装离底高度为T/4，柔性片长度为1.2H ₁、柔性片宽度为D/8）下，体系最大Lyapunov指数达到最大值0.0645，各尺度下的MSE均比其他条件更大，表明刚柔组合桨能够通过柔性片的多体运动，强化体系混沌混合，均化体系能量分布；刚性桨与刚柔组合桨的单位体积功耗随着转速的增加呈现指数规律增长。     

纤维素酶水解反应器的开发与放大

以木质纤维素生产燃料乙醇为背景,在考察玉米秸秆同步糖化与发酵反应特征基础上,给出了合适的反应器构型:螺带型搅拌槽;直径0.2～0.8m,高径比1～2,转速20～120r/min,着重从冷模实验对搅拌槽性能进行了考察,为反应器放大提供必要的基础。实验结果发现,层流流动条件下,随流体剪切稀化性质增强,搅拌功率(Np)显著降低,而无因次混合时间(Ntm)则变化不大;给出适用于强剪切稀化流体的Metzner常数Ks关联式,且Ks与搅拌槽直径无关;对于几何相似的螺带桨,随着搅拌槽直径增大,若保持相同的单位体积功率,Ntm是相同的,这为我们提供了一个螺带型搅拌槽的放大准则;搅拌槽功耗及Ntm随着搅拌槽高径比的增大而增大;最后采用数值计算方法对搅拌槽内分散混合效率进行了考察,发现,根据混合效率的不同,可将螺带型搅拌槽分成几个不同的区域,搅拌槽内体积平均分散混合效率接近于0.5(简单剪切流)。纤维素酶水解反应器的放大,小试给出关键参数(单位体积生产能力),冷模实验提供混合性能、几何结构设计基础,经验判据与CFD相结合,关注基本流型的尺寸效应,兼顾单位体积功率及最大剪切速率。     

搅拌槽混沌混合研究进展

介绍了层流状态下搅拌槽内普遍存在的混合隔离区,它的存在成为混合的一大障碍,而混沌混合的提出和应用极大地提高了混合效率.阐述了混沌混合的基本原理是通过动力学扰动的方式破坏流体颗粒运动轨迹的周期性.同时介绍了截止到目前关于搅拌槽内混沌混合的方法,主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等,对这些方法的数值模拟和实验研究结果都证明,混沌混合能很好地改善搅拌槽的混合效果,与传统的稳态搅拌方式相比,混沌混合具有很大的优越性.     

超声波微混合反应器混合性能的研究

介绍了超声波微混合反应器的原理,利用Dushman反应与硼酸盐的酸碱中和反应对反应器的混合效果进行表征。研究了进料流速、进料管径、超声波脉冲频率对溶液混合效果的影响。实验结果表明,超声波微混合反应器的微观混合性优于传统的双进料搅拌反应器。     

Side-Tee混合器内微观混合行为研究

选用碘化物-碘酸盐体系,利用化学探针法对Side-Tee混合器在较高雷诺数下微观混合效率进行了研究。考察了不同影响参数(如雷诺数、体积流率比、反应物浓度、粘度、管径)对Side-Tee混合器微观混合性能的影响,并用离集指数来表征其微观混合特性。结果表明,雷诺数大于12 000后碘化物-碘酸盐反应体系对混合器内微观混合状况不敏感。基于团聚模型,估算出Side-Tee混合器在实验条件下的微观混合时间为3×10-5~3×10-4s。表明这一型式的反应器对于快速反应尤其是纳米材料制备过程具有替代传统搅拌槽反应器的优势。     

超声对受限撞击流微观混合性能的强化

为了进一步提高受限撞击流反应器内纳米颗粒结晶性能，在反应器中引入超声场来强化反应器内入射流撞击区域上方“三角区域”流动与微观混合过程。采用Villermaux-Dushman平行竞争反应体系对超声强化的受限撞击流反应器内微观混合过程进行实验研究，使用离集指数、微观混合时间以及达姆科勒数对反应器内微观混合性能进行表征。结果表明：低频超声场通过诱导超声空化效应能有效地强化撞击流反应器内微观混合过程，低雷诺数时效果更为明显。与未施加超声相比，在超声作用下离集指数减小10.9%～23.5%，微观混合时间从0.000 16～0.000 43 s缩短至0.000 14～0.000 33 s。研究发现该反应器在所有工况下达姆科勒数均小于1，表明该化学反应由微观混合过程主导。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程(population balance equation,PBE)是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程（population balance equation,PBE）是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

搅拌槽内液相/气-液两相流体宏观不稳定性的对比

宏观不稳定性是搅拌槽内流体运动能量耗散与流场大涡运移的综合表现。控制流体的宏观不稳定性有助于提高流体的混合效率,降低操作能耗。实验以LabView软件采集搅拌槽反应器某点压力脉动信号,数据经过小波分析处理后得到流体的宏观不稳定频率。实验对比研究了液相/气-液两相流体宏观不稳定频率变化趋势。结果表明,液体混合的宏观不稳定频率与搅拌桨转速呈线性关系,而气-液混合反应器内流体的宏观不稳定特征频率消失,出现谱带现象。流场拟序结构尺度变化导致混沌混合特性得到增强。     

陶瓷干法造粒搅拌槽结构对粉体混合效果的影响

为探究圆柱形和双层正八边形陶瓷干法造粒搅拌槽对粉体混合效果的影响.采用欧拉-欧拉方法构建气-固两相流混合过程计算模型,简化搅拌槽模拟区域并通过有限体积法建立空气-粉体混合过程物理模型,利用CFD方法对两种搅拌槽内流场进行数值计算,分析粉体体积分布与速度场,对比搅拌槽结构对粉体混合效果的影响,同时通过实验分析颗粒级配与流动性.结果表明:当搅拌槽为圆柱形时,槽壁区域形成回转抛物面,底部两侧槽底出现搅拌死角,粉体堆积度为12％;当搅拌槽为双层正八边形时,槽壁与两侧槽底湍流强度高,无回转抛物面与搅拌死角,粉体堆积度为4％.实验测得两种结构搅拌槽内有效颗粒百分比分别为71％、84％,流动性指数分别为60.66、75.5,侧面验证了数值模拟的正确性.双层正八边形搅拌槽相对圆柱形搅拌槽可有效提高粉体混合效果.     

卧式单轴捏合反应器流动与混合特性的数值模拟

选取卧式单轴捏合反应器为研究对象,搭建了一个可视化实验装置来研究其分布混合过程,并且通过三维有限元数值模拟方法和网格重叠技术获取了高黏牛顿流体在反应器中的流速分布、剪切速率分布与混合指数分布,进一步采用粒子示踪技术分析了全局与局部分布混合过程,对示踪粒子的运动轨迹进行统计分析得到了拉伸率与混合效率,并且考察了搅拌结构对流动与混合过程的影响。结果表明,实验与数值模拟结果吻合较好。捏合反应器中几乎不存在流动死区,搅拌轴上的动态捏合杆与搅拌槽壁面上的静态捏合杆之间存在周期性的捏合作用,可以强化自清洁性能、剪切作用、整体与局部分布混合过程、分散混合性能以及混合效率。拉伸率随着混合时间以指数形式增加,时均混合效率大于零。