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。     

双层双折叶三斜叶圆盘涡轮桨釜内流场特性研究

通过计算流体力学(CFD)对双层双折叶三斜叶圆盘涡轮桨搅拌釜内的流场特性进行了模拟研究,分析了组合桨的转速N、离底距离C1及桨间距C2的变化对釜内流场的影响,利用粒子图像测速（PIV）技术对模拟结果进行了验证。研究结果表明：当转速N=100 rpm时,壁面附近的低速区域几乎消失,釜内流体整体速度得到提升及流场速度分布较好。离底距的增大会导致釜内流场的高速区上移,当离底距C1=0.28h时,近液面区域流体流速改善较明显,釜内流场速度分布较为合理。桨间距的提升能改变上下桨叶的配合效果,当桨间距C2=0.25h时釜内混合效果最佳,近液面区域流体流速明显提高,釜内流体整体流速较高。研究结果可为双折叶三斜叶圆盘涡轮桨在实际工程应用中提供参考。     

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。     

新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响

基于计算流体动力学(CFD)中的标准k-ε模型，对新型框式组合桨在釜内的不同层间距下的流动特性进行了模拟分析，并采用粒子成像测速(PIV)技术进行了实验对比研究。研究结果表明：釜内流场以框式桨内小二折叶桨为分界形成向上向下2个循环流；层间距对釜内流动特性影响较大，当层间距从C₂=0.47H增长为C₂=0.49H时，框式桨和近轴附近区域低速区大量消失；当层间距继续增加到C₂=0.53H时，两桨之间的连接流微弱，流体流型开始变得紊乱，低速区面积急剧增大。在4种工况中，层间距C₂=0.49H时整个搅拌釜内流场特性最有利于釜内物料的混合。研究结果可为新型框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。     

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。     

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.     

单层钢丝柔性桨强化搅拌槽中流体混沌混合行为

实验运用扭矩传感器测量搅拌功率特性,Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LE_max）,流场可视化技术观测流体混合状态。研究了桨叶类型、桨叶离底距离、柔性钢丝长度、柔性钢丝直径对混合效率数（C_e）、LE_max的影响。结果表明：单层钢丝柔性桨通过刚-柔-流耦合作用,改变流场结构和能量耗散方式,提高了流体混沌混合程度,实现了流体的高效节能混合;当转速为120 r·min⁻¹时,与传统刚性桨相比,单层钢丝柔性桨使流体C_e减小了87.4%,LE_max增大了53.2%,与单层钢丝刚性桨相比,单层钢丝柔性桨使流体C_e减小了43.8%,LE_max增大了10.8%。另外,当搅拌转速相同时,柔性钢丝越长,越有利于流体混沌混合,但其功耗也会随之明显增加;当柔性钢丝直径为0.8 mm,桨叶离底距离为0.25T（T为搅拌槽内径）时,各个转速对应的C_e小于其他情况、LE_max大于其他情况,流体达到相对最佳混沌混合状态。     

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。     

新型搪玻璃搅拌桨搅拌特性数值模拟及实验研究

采用CFD方法模拟了具有相同桨径、不同桨叶折角和叶宽结构的6种新型搪玻璃搅拌桨的搅拌特性。考察了挡板、桨叶离底高度对釜内流场的影响,基于此分析了桨叶折角、叶宽对速度分布的影响。对模拟得到的搅拌功率和混合时间进行了实验验证,并与传统搪玻璃桨式搅拌器进行比较。结果表明：①新型桨叶在加挡板且桨叶离底高度为450 mm时,搅拌效果最佳;②随桨叶折角、叶宽的增大,桨叶区轴向、径向和切向速度均呈增大趋势,当桨叶折角为45°、叶宽为95 mm时,釜内混合效果最好;③随转速增大,搅拌功率呈增大趋势,混合时间呈减小趋势,新型桨明显比传统桨混合性能好,桨叶折角为30°、叶宽95 mm时功率消耗最低,桨叶折角为35°、叶宽95 mm时混合时间最短。     

非均相聚合反应中乳化剂用量及搅拌状况对粒径大小的影响

以釜径为74mm,无挡板的玻璃搅拌釜为反应釜,恒温水浴为热源;自来水为冷却水组成了一套冷模的聚合反应实验装置,同时采用蜂蜡为分散相,去离子水为连续相,Span-80及Tween-60为乳化剂,以二叶平桨、二叶斜桨直边、二叶斜桨圆边及三叶后掠式搅拌桨叶为基准,分别研究了乳化剂用量及不同搅拌状况对粒径大小的影响。结果表明：在低转速下,三叶后掠式搅拌桨的搅拌效果最好;在一定范围内,同一转速下的树脂的平均粒径随乳化剂用量的增加而减小。     

搅拌槽内多层组合桨对液-液分散特性的影响

以水-煤油及水-环己烷为体系,研究Rushton涡轮桨(RT),半椭圆管涡轮(HEDT)及翼形轴流式桨(CBY)的6种不同组合桨的液-液分散特性。测定了不同输入功率时分散相体积分率沿轴向及径向的分布。结果表明:当搅拌槽内液位与槽径之比达1.5,在相同输入功率时,三层桨的液液分散性能优于两层桨,功率准数较低的CBY组合桨在输入功率0.8kW/m~3时,槽内的轴向及径向分散相体积分率达到稳定的均匀分布。而功率准数较大的RT组合桨需要在输入功率1.8kW/m~3才能达到槽内分散相的均匀分布。     

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.     

多层新型桨搅拌槽内气-液两相流动的实验与数值模拟

对三层新型组合桨气-液两相搅拌槽内的流体流动进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)的方法对气-液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行了数值模拟,数值模拟采用了欧拉-欧拉方法,数值模拟结果与实验值吻合良好,同时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律. 研究结果表明,欧拉-欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气-液两相流的流动状况.     

Pumping capacities in stirred tanks theory and application

The pumping capacities for the propeller and turbine type impellers were derived analytically. The velocity and angle profiles along the blade width of a turbine impeller were also obtained. The applications of the pumping capacities in the simulation of a stirred tank reactor, in the derivation of the power consumption and intensity of segregation, and in the correlation of the heat transfer in a stirred tank, have beer given.     

多层组合桨搅拌槽内气-液分散特性的研究

在直径为0,476m的椭圆底搅拌槽中,采用由六叶半椭圆管叶盘式涡轮桨(HEDT)及四叶宽叶翼型桨的上提(WHU)及下压(WHD)操作组合的六种不同的三层桨,研究了气-液两相体系中的通气功率变化及气含率特性,获得不同桨型的通气搅拌功率及气含率的关联式;结果表明,底桨为HEDT的组合桨通气功率下降幅度最小,相同输入功率时气含率最高,其次为WHD,WHU为底桨时气液分散性能最差。因此,适用于气液两相操作的优化组合桨应以HEDT为底桨。此研究结果可为工业用多层组合桨气液搅拌反应器的设计提供参考。     

运用粒子图像测速仪研究双层桨搅拌槽内流体流动

The flow fields in a dual Rushton impeller stirred tank with diameter of 0.48 m （T） were measured by using Particle Image Velocimetry （PIV）. Three different size impellers were used in the experiments with diameters of D = 0.33T, 0.40T and 0.50T, respectively. The multi-block and 360° ensemble-averaged approaches were used to measure the radial and axial angle-resolved velocity distributions. Three typical flow patterns, named, merging flow, parallel flow and diverging flow, were obtained by changing the clearance of the bottom impeller above the tank base （C1） and the spacing between the two impellers （C2）. The results show that while C1 is equal to D, the parallel flow occurs as C2≥0.40T, C2≥0.38T and C2≥0.32T and the merging flow occurs as C2≤0.38T, C2≤0.36T and C2≤0.27T for the impellers with diameter of D=0.33T, 0.40T and 0.50T, respectively. When C2 is equal to D, the diverging flow occurs in the value of C1≤0.15T for all three impellers. The flow numbers of these impellers were calculated for the parallel flow. Trailing vortices generated by the lower impeller for the diverging flow were shown by the 10° angle-resolved velocity measurements. The peak value of turbulence kinetic energy （ k/V^2tip = 0.12-0.15 or above） appears along the center of the impeller discharging stream.     

逆流桨强化搅拌槽内流体混沌混合及流场结构失稳研究

在传统三斜叶桨的基础上,结合逆流桨结构,提出三斜叶逆流桨,以破坏或者消除搅拌槽内稳定的对称性流场结构,提高流体传递效率及混沌混合程度。结合实验和模拟两种方法,主要研究了上推式三斜叶桨(PBTU)、外推内压式三斜叶逆流桨(PBTC-U)、外压内推式三斜叶逆流桨(PBTC-D)三种桨叶体系以及不同外层桨叶长度的PBTC-U桨体系内搅拌功耗、混合时间、混沌特性参数、流场结构以及流体速度分布。实验结果表明,N=130 r/min时,PBTC-U桨相对于PBTU桨和PBTC-D桨,体系混合时间分别从22.0、37.5 s缩短到16.5 s,功耗分别降低了5.6%和12.8%,LLE值分别提高了13.69%和37.01%。在确定PBTC-U桨适宜外层桨叶长度的研究中发现当外层桨叶长度D₂=0.375D时,搅拌功耗最低且混合时间最短。PBTC-U型逆流桨通过内外层桨叶的逆流作用,强化体系内流体的随机运动,使得流场的不稳定性得到增强,对称性被破坏,进而流场结构失稳,流体混合效率得到提高。另外,PBTC-U桨可以增强流体轴、径向速度分布的波动性,有利于提高体系的混合效率。     

Study on the solid–liquid suspension behavior in a tank stirred by the long-short blades impeller

We investigated the solid–liquid suspension characteristics in the tank with a liquid height/tank diameter ratio of 1.5 stirred by a novel long-short blades(LSB) impeller by the Euler granular flow model coupled with the standard k–ε turbulence model. After validation of the local solid holdup by experiments,numerical predictions have been successfully used to explain the influences of impeller rotating speed,particle density, particle size, liquid viscosity and initial solid loading on the soli...     

EFFECT OF IMPELLER DESIGN ON LIQUID PHASE MIXING IN MECHANICALLY AGITATED REACTORS

Liquid phase mixing time (θ_mix) was measured in mechanically agitated contactors of internal diameter 0.57 m, 1.0 m and 1.5 m. Tap water was used as the liquid phase. The impeller speed was varied in the range of 0.4-9.0 r/s. Three types of impellers, namely disc turbine (DT), pitched blade downflow turbine (PTD) and pitched-blade upflow turbine (PTU) were employed. The ratio of impeller diameter to vessel diameter (D/T) and the ratio of impeller blade width to impeller diameter (W/D) were varied over a wide range. The effects of impeller clearance from the tank bottom (C), the blade angle (φ), the number of blades (n_b), the blade thickness (k) and the total liquid height (H/T) were studied in detail. Mixing time was measured using the conductivity method.

Mixing time was found to have a strong dependance on the flow pattern generated by the impeller. Mixing time was found to decrease by decreasing the impeller clearance in the case of DT and PTU. However in the case of PTD it increases with a decrease in the impeller clearance. Similar trend of the effect of impeller clearance on θ_mix, was observed for all the other PTD impellers with different diameter, number of blades and blade angle (except 60^° and 90^°). All the impeller designs were compared on the basis of power consumption and on this basis optimum design recommendations have been made. For PTD impellers, a correlation has been developed for the dimensionless mixing time.