新型自吸式多相搅拌槽临界悬浮特性的实验研究

在不通气的情况下,对新型多相搅拌槽进行实验,得出了其固相含量w、颗粒密度r、搅拌槽内径D与临界悬浮转速Nc的关系,在相同条件下,与给定结构尺寸的标准搅拌槽对比了临界悬浮转速. 结果表明,Nc随固相分率j增加和粒径dp增大而增大,不利于达到良好的悬浮效果;固相颗粒密度越大,临界悬浮转速随之增大;槽径增大使达到悬浮状态的临界转速降低. 该新型搅拌槽临界悬浮转速的关联式是Nc=6.3dp0.21(gDr/rL)0.45w0.19/D0.55;同一固相分率下,新型多相搅拌槽的临界悬浮转速比标准搅拌槽降低了30%,在较低转速下就能使颗粒悬浮.     

上浮颗粒特性对三相搅拌槽内固-液悬浮及气-液分散的影响

在直径为0.476m(T)的椭圆底有机玻璃搅拌槽中,采用作者此前研究优选的多层组合桨(HEDT WHD WHU),分别选用粒径在0.5至4mm、密度范围在900至955kg(m(3的聚丙烯(PP)颗粒及粉料、低密度聚乙烯(LDPE)颗粒、高密度聚乙烯(HDPE)颗粒作为上浮固体,操作液位为1.5～1.8T,研究了颗粒特性及操作液位对空气-水-上浮固体三相体系的固-液悬浮及气-液分散性能的影响.结果表明:对于同种颗粒,其表面状态对悬浮特性有较大的影响,颗粒表面因含有少量残余溶剂而呈现部分憎水特性时,达到液面处颗粒停留时间不大于1～2秒的临界悬浮状态所需搅拌转速及输入功率显著增加;此时减少上层桨与液面的距离对降低临界悬浮转速及功率有较大贡献.当颗粒种类不同,表面状态及粒径相近时,液固密度差越大,所需悬浮转速越高;但相同输入功率及表观气速时的气含率相差不大.液固密度差相近时,颗粒越小越易被悬浮,但颗粒越小浓度增加使三相体系的气含率降低的幅度越大.对于不同颗粒所得气含率关联式及悬浮特性研究结果可为工业气液固搅拌槽/反应器的优化设计提供参考.     

高固含率搅拌槽内颗粒分布及悬浮特性的数值模拟

采用Euler-Euler双流体模型对固含率9.2%(?)的高固含率悬浮搅拌槽内固液悬浮特性进行了模拟,对比了两种修正的曳力系数模型的模拟效果,考察了固含率轴向和径向分布及悬浮均匀度的变化规律.结果表明,搅拌速度低于600 r/min时,槽底会形成明显的中心密集沉积,转速从400 r/min增至1100 r/min,堆积高度由0.16减小至0,沉积区向槽底中心收缩直至消失.在离心力的作用下,循环流内的固相颗粒向远涡方向运动,循环流涡心处固含率低,悬浮均匀性降低.以无因次高度z/H=1/3为界,可将槽内两相流分为上、下循环区;颗粒分布受循环流交汇影响,固相在径向方向上随流场分散.固液悬浮均匀度?随无因次轴向高度的增加,稳定在0.5~0.7,转速从400 r/min增至1100 r/min,上循环区的?值平均降低37.2%.     

基于LED光源反射的液固搅拌槽中颗粒悬浮特性测定的光纤法

提出一种基于LED光源反射的液固搅拌槽中固体颗粒悬浮特性测定的光纤法. 在直径0.38 m、底部为椭圆形的搅拌槽中,用该法对水-二氧化硅两相体系固体颗粒悬浮特性进行了测定. 结果表明,测量临界离底悬浮转速Njs的测量点应选择在搅拌槽下部区域,径向位置对Njs影响不大;在整个固含率范围内,光纤测量法与取样法测量结果较接近,平均相对误差为4.0%,目测法测定结果比取样法与光纤测量法稍高,光纤法比取样法更快速、简便,具有适用于不透明容器的优势,能快速测定最小均匀悬浮转速Nus,Nus随固含率增大而增大.     

磷石膏强化氨法CO2捕集机理与模型

基于化学活性颗粒强化气液吸收机理,建立了磷石膏悬浮液强化氨法烟气CO₂捕集模型。以液膜内量纲一传质距离λ^*为特征参数,增强因子E=1/λ^*+qβλ^*/2。用恒温反应器在不同搅拌转速及磷石膏颗粒固含量下实验测定CO₂吸收增强因子对模型进行检验,结果表明:随颗粒固含量由5%增加到30%(质量分数),增强因子由1.69增加到2.10;而随搅拌转速从150 r·min^-1增加到300 r·min^-1,增强因子仅由1.75略增到1.80,表明磷石膏颗粒固含量及溶解速率是影响增强因子的控制性因素。实验结果与模型预测值吻合良好, 偏差小于10%。     

搅拌釜内稠密固-液混合的数值模拟

基于颗粒动力学理论对稠密固-液搅拌釜进行模拟,探究固相分布、固相悬浮高度及沉积高度随转速的变化规律。结果表明,采用颗粒动力学理论(KTGF)模型能够较好地预测稠密固-液混合状态。在较低的转速下,釜底的固相浓度较高,桨叶下方、釜壁与釜底的连接处易形成固相的沉积,且搅拌釜上方会出现清液区域。随着转速的增加,固相在轴向分布逐渐均匀,固相沉积区域及固相悬浮高度分别缩小和升高。但是,当转速达到一定程度后,固相均匀度及固相悬浮高度的改善不明显。此外,将固相均匀度法、固相沉积高度法及固相悬浮高度法预测的临界离底悬浮转速与实验数据进行比较,模拟值分别低于、高于和低于实验值。     

气液固三相体系搅拌混合研究进展

综述了桨型、挡板及气体分布器等结构因素；转速、气量及颗粒分率等操作因素；颗粒直径及密度等物性因素对气液固三相体系的临界搅拌转速、功耗、气含率的影响。     

微颗粒实时在线监测仪在固液体系测量中的应用

使用自研的微颗粒实时在线监测仪对微颗粒在液相中的悬浮和沉降过程进行了在线定量测量研究。首先,通过与商用离线仪器Multisizer 4e的对比验证了自研的微颗粒监测仪实时、在线测量的可靠性。然后,选用了标准物质乳胶微球、Al₂O₃和 ZrO₂三种密度不同的百微米量级的微颗粒,对磁力搅拌器中稳定转速下的悬浮特性以及搅拌停止后颗粒的重力沉降过程进行实时在线观测,得到了这两种情形下测量点的颗粒浓度和粒度分布信息。实验结果表明,即使搅拌速度超过临界悬浮转速,搅拌容器中的Al₂O₃颗粒仍存在不同程度的非均匀分布状态,呈现出一定的浓度和粒度分布。在重力沉降的瞬变过程中,固体颗粒的粒径和密度在固液两相分离的过程中有着显著的作用。     

机械搅拌槽中三相体系粒子悬浮特性研究

采用取样法测定了气液固三相搅拌体系中的粒子浓度分布,并用沉降 扩散模型对槽内浓度分布状况进行描述,拟合结果与实验数据吻合良好。通气条件下模型Ｐｅ随无因次转速ｕｔ／Ｎｄ的变化趋势与液固两相体系有很大差异。随转速增加,槽内粒子浓度分布经历了均匀—恶化—均匀的过程。通过比较两种临界转速判定准则（离底悬浮和均匀悬浮）,发现在三相体系中,对应于离底转速时的粒子浓度分布均匀度较差。因此,针对悬浮质量要求较高的体系,应选用均匀悬浮作为转速的判定准则。文中最后给出浓度分布方差σ与转速、气速及平均固含率的关联式     

不通气的沸腾汽-液-固三相搅拌槽中的汽液分散和固体悬浮

在直径为0.476 m的椭圆底搅拌槽中,采用直径为0.238 m的单层六叶深凹叶盘式涡轮桨(HEDT),在液位为0.5 m的全挡板条件下研究了沸腾状态下,蒸汽、去离子水和玻璃珠组成的汽-液-固体系中搅拌功率、气含率及固体颗粒完全离底悬浮特性,并与常温通空气三相体系进行对比.研究结果表明,沸腾条件下的流体动力学性能与常温通气体系相比存在较大差异.在沸腾条件下,搅拌功率消耗随着搅拌转速的增加有所下降,但HEDT桨具有较高的载气能力,即使在高叶端线速度下,相对功率消耗(RPD)仍能保持在较高的水平;沸腾体系的气含率随单位质量流体输入功率的增加表现出先增后减的规律,即存在气含率的极大值,蒸汽成核位置和固体颗粒悬浮特性随搅拌功率增加而改变是造成上述行为的主要原因;沸腾体系中的气含率远远低于常温通空气体系.临界悬浮搅拌转速(NJSG)随固相体积分率的增加略有增加;沸腾体系中蒸汽量的变化对NJSG影响远小于常温通气体系.研究结果对于工业沸腾态三相搅拌反应器的设计和操作具有一定的参考价值.     

面向最优固含率的推进式搅拌器固相悬浮性能研究

稠密固-液搅拌操作中,优化固含率可以有效降低能耗、减少污染。在较宽固含率范围内,实验研究了推进式搅拌器的固相悬浮性能,考察了搅拌桨直径、桨叶离底高度等结构参数和固相粒径、液相黏度等物性对临界离底悬浮状态下单位质量功率的影响。结果表明,随固含率增加,单位质量搅拌功率先减小后增大,存在最优固含率,具有最低单位质量搅拌功率。对比不同工况,桨叶离底高度的变化对最优固含率的影响较小;而桨叶直径和固相粒径的增大,均会使最优固含率减小。黏性体系与清水体系相比,单位质量搅拌功率更小,最优固含率更高。此外,建立了推进式搅拌器驱动下单位质量搅拌功率的预测公式,可用来确定不同工况下的最优固含率,从而为工业上固-液搅拌操作中选择合适的悬浮液操作浓度提供一定的指导。     

改进型INTER-MIG搅拌槽内固液悬浮特性的数值模拟

应用CFD软件Fluent 12.0和并行计算机工作站对双层改进型INTER-MIG桨式搅拌槽内的固液悬浮特性、临界离底悬浮转速及功率消耗进行数值模拟,分析了在固体体积分数as=30%下,转速n、桨叶离底距离C1和桨间距C2等因素对搅拌槽内颗粒悬浮特性的影响. 结果表明,在一定的转速和桨径下,改变C1和C2会改变流场的局部结构,选取适合的C1和C2可使固液混合更均匀,有利于颗粒悬浮和整个搅拌槽传质传热的进行. 最佳桨叶离底高度与槽径比为0.36,最佳桨叶间距与槽径比为0.44;在该最佳工况下临界离底悬浮转速Njs=118.3 r/min;得到既能达到完全离底悬浮、又能使搅拌功耗最小的最佳转速为n=124 r/min.     

高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟

使用计算流体软件CFX5.5.1对固液搅拌槽内颗粒的临界离底悬浮转速进行了数值模拟. 搅拌槽直径D=0.476 m,搅拌桨为三叶CBY螺旋桨. 桨叶安装高度h=D/3. 固液两相为玻璃珠-水,固体体积浓度为15%~50%. 对临界离底悬浮的速度判据进行了修正,并利用浓度判据与修正的速度判据得到颗粒临界离底悬浮转速Njs,模拟计算结果与实验数据的误差在工业允许的范围内. 同时,对临界离底悬浮状态槽底部不同浓度下的流体湍流动能的分布情况以及大小进行了预测,并对2种固体临界离底悬浮机理进行了验证.     

自吸式三相搅拌釜中流动与传质特性实验研究

以CFD数值模拟为基础,从功耗性能和体积传氧性能两方面,对自吸式三相搅拌釜中流动与传质特性进行实验研究。实验表明,当搅拌转速低于气体吸入临界转速时,其对搅拌功率的影响很小,当转速高于气体吸入临界转速时,随着固相分率的增大搅拌功率下降。当固相分率φ<5%时,固相颗粒的存在使得体积传氧系数KLa增大,当固相分率φ>5%时,固相颗粒的存在使得KLa降低。单位体积功耗Pg/V越大,KLa越大,同样的单位体积功耗下,自吸式三相搅拌釜的KLa比搅标准搅拌釜高。     

下沉颗粒三相临界搅拌转速

分析了颗粒悬浮过程及其动力,综述了结构因素（如釜底形状,搅拌浆型,气体分布器）,操作因素（如搅拌转速,气体流量,颗粒分率等）及物性因素（颗粒直径,密度等）对下沉颗粒气液固三相体系的临界搅拌转速等工艺参数的影响,对不同的工艺情况推荐了适宜的结构因素。     

穿流-刚柔组合桨强化固液两相的悬浮行为

采用双向流固耦合计算方法对搅拌槽内刚性桨（RDT-PBDT）、刚性组合桨（R-RDT-PBDT）、刚柔组合桨（RF-RDT-PBDT）、穿流-刚性组合桨（PR-RDT-PBDT）以及穿流-刚柔组合桨（PRF-RDT-PBDT）体系中的固液两相悬浮特性和桨叶总变形量、等效应力进行了研究。结果表明,在相同功耗下,PRF-RDT-PBDT的最大变形量分别是RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT、PR-RDT-PBDT的1.984×10⁶倍、1.247×10³倍、1.169倍、1.041×10³倍。PRF-RDT-PBDT的应力大于RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT的,比PR-RDT-PBDT的应力分布更均匀。PRF-RDT-PBDT体系的固体颗粒最大U_z/U_tip值和最大ε/D²N³值分别比RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT和PR-RDT-PBDT体系提高了53.08%和80.84%,38.03%和28.42%,22.14%和20.16%,10.85%和5.725%。PRF-RDT-PBDT能够增大与流体之间的相互耦合作用,增大固体颗粒的轴向速度,提高体系的湍动能耗散率,减小搅拌槽底部固体颗粒的堆积程度,提高固体颗粒的悬浮程度。     

涡轮桨直径对锥盘底搅拌槽固液混合特性影响

利用CFD技术对锥盘底搅拌槽内的固液两相流混合浓度场进行数值模拟研究,考察了45°圆盘涡轮式搅拌桨直径d对固液混合时间数,单位体积混合能,浓度标准差,湍动能和湍动耗散率,和固相离底悬浮临界转速的影响。研究表明:随着搅拌桨直径的增大,搅拌槽内的流体由轴向流转变为径向流的流型转变高度逐渐减小。桨径比d/D大于0.3时,混合时间数显著减小;d/D小于0.4时,单位体积混合能较小;d/D达到1/3时,单位体积混合能最小。浓度标准差随搅拌桨直径的变化波动较小。d/D小于0.4时,湍动耗散率的增长率较低;d/D大于0.3时,固相离底悬浮临界转速显著减小。从提高混合效率和降低能耗的综合角度考虑,桨径比d/D应控制在0.3—0.4之间。     

搅拌槽内液固固三相流数值模拟研究

采用Eulerian-Eulerian多流体模型和k-ε-A.多相湍流模型.模拟研究了带挡板的直径为0.154 m的标准Rushton搅拌槽内含两种不同粒径固体颗粒的液-固-固三相搅拌体系的流体动力学特性和相含率分布.模拟结果表明,不管是在r-z平面还是r-θ平面,两种不同粒径固体颗粒相的相含率分布都存在明显的差别,当搅拌转速由200 r/min提高到600 r/min时,相含率分布的差别逐渐减小.在同一搅拌转速下,两种固体颗粒相在搅拌桨以下的相含率分布差别明显大于搅拌桨以上的部分.对于每一种颗粒相,固体颗粒在搅拌槽底部都存在明显的堆积现象,提高转速能改善其分散性.     

搅拌槽内固液悬浮和气液分散的实验研究

在实验室提出的新型三相搅拌槽——自吸式龙卷流型搅拌槽中,采用六直叶圆盘涡轮桨进行三相混合性能的实验。从固液悬浮、气液分散和传质性能等方面对搅拌槽进行了研究,探讨了固相颗粒对气含率和传质性能的影响,得到了搅拌槽中不同性能参数的变化规律。结果表明:自吸式龙卷流型搅拌槽作为一种新型的三相搅拌槽,能够获得良好的固液悬浮和气液分散效果;当搅拌槽内固相体积分率较低(φ<20%)时,可采用颗粒的壁面堆积高度作为完全悬浮状态的判定标准;固相颗粒的存在会使气含率明显降低,但对传质性能的影响较为复杂,φ<5%时的体积传氧系数K L a高于纯溶液,φ>5%时的K L a低于纯溶液,但都随固相体积分率的增加而降低。     

搅拌槽内固液悬浮和气液分散的实验研究

在实验室提出的新型三相搅拌槽——自吸式龙卷流型搅拌槽中,采用六直叶圆盘涡轮桨进行三相混合性能的实验。从固液悬浮、气液分散和传质性能等方面对搅拌槽进行了研究,探讨了固相颗粒对气含率和传质性能的影响,得到了搅拌槽中不同性能参数的变化规律。结果表明:自吸式龙卷流型搅拌槽作为一种新型的三相搅拌槽,能够获得良好的固液悬浮和气液分散效果;当搅拌槽内固相体积分率较低(φ20%)时,可采用颗粒的壁面堆积高度作为完全悬浮状态的判定标准;固相颗粒的存在会使气含率明显降低,但对传质性能的影响较为复杂,φ5%时的体积传氧系数K L a高于纯溶液,φ5%时的K L a低于纯溶液,但都随固相体积分率的增加而降低。