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。     

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内转速对流场的影响

利用计算流体力学（CFD）对带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内流场进行数值模拟，分析了不同转速下釜内流型、速度场、湍动能的变化规律。研究结果表明：搅拌器转速显著影响釜内流场和湍动能的分布，转速N=110 r/min时，釜内流型为径向流，稳定翼的切割推流作用表现明显，在釜内组合桨中间区域形成了一个高速涡旋，釜内流型为最佳流型；在该转速条件下釜内低速区趋近消失，速度分布合理；此时釜内上部和釜底的湍动能分层消失，釜内流体整体湍动程度较高，混合效果明显增强。     

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。     

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。     

不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

针对高密度聚乙烯搅拌式聚合釜物料体系,利用三叶后掠式搅拌桨HQ、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD、三宽叶旋桨式搅拌桨KHX、桨叶安放角δ分别为45°和75°的斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY构成四种桨型组合,在直径T=480 mm的圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行了固液悬浮实验。基于计算流体力学软件Ansys Fluent 2020R2,采用多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型,研究了各桨型组合在30.71%固含率下的流场和固液悬浮状态。研究结果表明,转速小于250 r/min时,桨型组合2和3在搅拌槽内顶部会形成清液层;桨型组合1和4能在更低转速和更低功率的情况下达到物料的均匀混合状态,且桨型组合4比桨型组合1的功率消耗降低约30%,具有高效节能的效果。模拟获得的固含率分布趋势与实验所测数值吻合较好。模拟的流场表明桨型组合4和1的流型相似,可以有效避免桨型组合2和3在低转速下出现的清液层。     

新型最大叶片式搅拌器用于工业规模反应器气液混合特性的数值模拟

以1.0%质量分数黄原胶溶液为研究体系,运用计算流体力学(CFD)方法对10 m~3工业规模搅拌釜内新型最大叶片式搅拌桨的气液混合性能进行了数值模拟,重点研究了新型最大叶片式搅拌桨在搅拌转速为42 r/min,五种通气量(0.27~0.35 vvm)下气液混合特性。结果表明:流体在新型最大叶片式搅拌桨作用下呈现一个整体大循环;在相同转速下,增加通气量,搅拌器单位体积功耗减小,气含率、气泡尺寸及气液传质系数呈不同增加趋势。     

新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟

基于同心双轴搅拌器的结构与运行特点,建立了兼顾其流动、混合过程的三维数学模型,并以过程工业应用较多的两种不同尺寸双层组合桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴搅拌器为研究对象,数值模拟了其在中高黏牛顿流体中同向及反向转动模式的功率特性、流场特性及混合特性。模拟结果表明,同向转动模式下,整个系统的搅拌功耗更小、混合效率更高;外桨功耗受内桨影响较大,一般随内桨转速的增大,恒速外桨的功耗同向转动时会减小、反向转动时会增大;对由桨式搅拌器构成的组合式内桨而言,当内桨直径与釜体直径之比为0.35左右时,相同Reynolds数下的单位体积混合能更小;中高黏牛顿流体中,同心双轴搅拌器的内桨采用上层六斜叶桨+下层六直叶桨的组合形式时更高效节能,仅在体系Reynolds数小于36时,上层二斜叶桨+下层二直叶桨的内桨组合形式才具有相对优势。     

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。     

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。     

新型双层桨气液搅拌釜内功耗性能的实验研究

对新型双层桨气液搅拌釜的自吸分散机理进行分析,考察介质浓度、桨叶间距、桨叶组合对功耗性能的影响,并与表面充气分散时的功耗性能进行比较。结果表明:桨叶间距增大,下层桨向上层桨泵送的液体量减少,泵送液体所需的功耗增大;P型桨叶背后形成的气穴尺寸较DT桨的小,相对功率消耗更接近于1,更有利于气体在搅拌釜中分散与混合;自吸分散时,P∝N~2,即自吸分散较表面充气分散省功,在搅拌转速或输入功率相同时,气含率更高,气液分散性能更好。     

两层桨搅拌釜内混合过程的新二维单元串联模型

在直径为 1 86mm的立式搅拌釜内 ,利用热电偶—温差法测量了两层组合桨搅拌釜内的液相混合时间 ,试验中采用的搅拌桨有直叶圆盘涡轮和斜叶涡轮 (上推式斜叶涡轮 PTU和下压式斜叶涡轮 PTD) ;根据激光多谱勒测速仪对流场的测量结果 ,提出了一种新的二维单元串联模型 ,用该模型对两层组合桨搅拌釜内的混合过程进行了模拟 ,发现模拟值和实验值吻合较好。     

无挡板搅拌槽中液－固体系的分散特性

在内径0.3 m、高0.45 m的无挡板搅拌槽内,采用直径0.15 m的三叶70o下推斜叶透平桨(PBTD, Pitched Blade Turbine Downflow)进行水-二氧化硅两相体系液固分散特性的研究. 应用PC-6A粉体浓度测量仪对体系中颗粒局部浓度进行测定. 考察了颗粒平均相含率为0.005的条件下,不同搅拌转速、搅拌桨离底高度对颗粒局部浓度分布的影响. 结果表明,采用较高搅拌转速、较低的搅拌桨离底高度有利于固体颗粒的悬浮. 本实验中,在搅拌转速为173 r/min、搅拌桨离底高度为0.08 m的操作条件下,颗粒悬浮效果最好.     

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-1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-1、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)-1,合成出固含量20wt%、粒径分布窄、稳定性好的聚偏氟乙烯(PVDF)乳液。     

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。     

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。     

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。     

三轴搅拌釜不同桨径比下固-液悬浮特性的数值模拟

利用FLUENT软件对不同桨径比下立式三轴搅拌釜内单相和固-液两相混合过程分别进行三维数值模拟,对流场分析可知增大桨径比能改善立式三轴搅拌釜内流场的结构。利用修正速度判据得出不同桨径比下搅拌釜的临界悬浮转速,并通过计算临界悬浮转速下的搅拌功率,初步得出立式三轴搅拌釜桨径比的最佳取值范围在0.1～0.125之间。     

基于CFD的丙烯淤浆聚合反应釜流场的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)对丙烯淤浆聚合反应釜中液固两相流进行数值模拟,建立5L、无挡板、锥形釜底和四叶推进桨反应釜模型,采用多重参考系方法(MRF)、Mixture多相流模型和RNGk-?湍流模型模拟搅拌过程,通过冷模实验验证了模型的可靠性,并模拟得到了10%聚丙烯(体积分数)下釜内流体的速度场及浓度场。结果表明,釜内流体呈双循环流特征,聚丙烯浓度轴向呈中间低两头高的分布,径向随着轴向位置的上升分别呈"下凸"型、"直线"型、"W"型分布。在桨叶安装高度为0.56D(D为筒体部分直径)、桨叶直径为0.49D的情况下,搅拌转速在1200r/min左右时,混合效果最好;在转速为1000r/min时,桨叶安装高度为0.56D的情况下,桨叶直径在0.52D时,混合效果最好;适当降低釜内桨叶安装高度,可以在一定程度上改善釜底聚丙烯的堆积。     

组合桨聚合釜内非牛顿流体的混合特性

在φ476mm的椭圆底有机玻璃聚合釜中,以羧甲基纤维素-甘油水溶液(前者质量分数为1.3％)为实验物系。利用酸碱中和法测定了9种不同的搅拌桨直径与聚合釜直径比接近于1的组合搅拌桨沿聚合釜轴向及径向的混合特性。结果表明：内外螺带-锚式组合桨的轴向混合最强,但径向混合较差。框板式搅拌桨的轴向混合较内外螺带-锚式组合桨弱,但比改进偏框式桨强,其径向混合较后者弱。改进偏框桨的7种不同组合方式沿径向的混合良好,多数组合桨沿轴向的混合较前2种组合桨弱,更接近于平推流。     

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。