几种单层桨搅拌槽内宏观混合特性的比较

为了丰富对向心桨的混合特性的认识,比较了向心桨、Rushton桨、三斜叶桨和穿流桨的单层桨搅拌槽内的宏观混合特性,考察了搅拌转速、桨叶离底高度对搅拌槽混合时间和功率特性的影响。结果表明,四种桨的宏观混合时间均随着搅拌转速的增加而减少,搅拌功率均随转速的增加逐渐增大。当转速相同时,四种桨型中Rushton桨的功率消耗最大,三斜叶桨功率消耗最小,向心桨的功率消耗仅仅比三斜叶桨高。桨叶离底高度的变化对四种桨型的混合时间和功率的影响不尽相同。混合效率的影响因素大小顺序为:搅拌转速桨型桨叶离底高度。在考察的四种桨型中,向心桨的混合效率最高。研究成果可为向心桨等新型搅拌桨的工业应用积累实验数据,为其优化设计和放大提供理论依据。     

不同组合桨搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性

在直径0.282 m的搅拌槽内,以羟乙基纤维素(HEC)水溶液为工作体系,以磷酸盐?碘化物?碘酸盐平行竞争反应为模型反应,比较了非牛顿流体体系中向心桨、Rushton桨、三斜叶桨的功率准数,考察了加料时间、桨型及双层桨组合对微观混合效果的影响。结果表明,随功率增大,功率准数基本不变,Rushton桨功率准数最大,是向心桨的两倍、斜叶桨的四倍。随加料时间增大,离集指数先减小后不变。在实验考察范围内,单位体积功耗相等的情况下,单层桨微观混合效果的顺序为Rushton桨?向心桨?斜叶桨,双层桨中高剪切的Rushton桨与强循环的斜叶桨组合的微观混合效率最高。     

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。     

一种新型搅拌桨多相混合性能研究

提出了一种新构型的搅拌桨一错位桨,并以空气-水-石英砂三相体系为研究对象,与传统的径流桨(Rushton桨)和轴流桨(斜叶桨)在功率消耗、混合时间、气体循环方面进行了比较.结果表明,错位桨相对于传统Rushton桨,功率消耗降低.适应气速范围广,轴向混合能力明显提升;在同等条件下与斜叶浆相比,气体分散能力强,混合时间少.这种新型桨能克服径向流叶轮在轴向混合方面能力的缺陷,有较好的潜在工业应用价值.     

高效澄清萃取槽内搅拌对液液分离特性的影响

针对传统稀土萃取混合澄清槽存在的问题,提出了在澄清室增加搅拌装置以提高澄清效率的方法。通过对四斜叶搅拌桨、Intermig桨及框式搅拌桨等不同桨型搅拌对澄清度影响的研究,证实四斜叶桨是合适的桨型,经搅拌之后,澄清室两相分离效果明显优于传统混合澄清槽,澄清度平均提高30%以上。在转速20,30,40和50 r·min-1条件下,搅拌桨离底距离分别为4.0,5.5,7.0,8.5和10.0 cm,搅拌桨距溢流口距离分别为10,13和16 cm时,对四斜叶桨搅拌澄清度的研究结果表明,低转速下澄清效果更好,搅拌桨距离溢流口越近澄清效果越好,而搅拌桨离底距离8.5cm,即处于两相混合带附近时澄清效果最佳。在此基础上,根据因次分析原理和试验数据建立了澄清度因次公式。     

粉体混合过程及搅拌功率的DEM数值模拟和实验

采用数值模拟与功率测试相结合的方法,研究直叶桨式粉体混合机搅拌过程及搅拌功率、扭矩的变化规律。对粉体混合机内球形颗粒的混合过程进行离散单元法DEM数值模拟,研究直叶桨式粉体混合机内搅拌转速、搅拌桨直径、桨叶数目等特性参数对粉体混合时搅拌功率和扭矩的影响,并拟合得到功率计算公式。搭建粉体搅拌试验台,测试粉体搅拌功率并与模拟结果比较。结果表明,直叶桨式粉体混合机内功率消耗与搅拌桨转速、搅拌桨直径、桨叶数目等特性参数有密切关系。同时,扭矩值和功率值与搅拌桨转速、搅拌桨直径和桨叶数目都呈正相关。实验得到了与模拟类似的扭矩-转速关系以及功率-转速关系,模拟值与测试值具有较好的吻合性,验证了所推导公式的准确性。     

不同型式搅拌桨对黄原胶水溶液搅拌效果的CFD数值模拟

使用FLUENTa软件对黄原胶溶液在搅拌槽内的流动特征、桨叶搅拌效果和功率消耗进行了数值模拟. 计算采用多重参考系方法和标准k-e湍流方程. 黄原胶浓度为0~2.0%(w),桨型为直叶圆盘涡轮、非对称抛物线圆盘涡轮和四斜叶桨. 结果表明,不同桨型下溶液的粘度分布有较大差异,且搅拌效率随溶液浓度增加急剧下降,转速增加能有限提高搅拌效率. 径流桨和轴流桨产生的功率消耗随溶液浓度改变呈相反的变化趋势. 在黄原胶浓度2.0%(w)、搅拌转速7.5 r/s时,所有桨型下有效搅拌体积所占比例均低于60%;与在水中相比,直叶圆盘涡轮的功率消耗降低约7%,而四斜叶桨的功率消耗增加29%.     

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.     

改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性研究

为将改进型三斜叶-Rushton组合桨高效应用于实际工程,通过计算流体动力学(CFD)对装配改进型三斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内的流场进行了模拟研究,与三斜叶-Rushton组合桨进行了对比;并通过粒子图像测速(PIV)技术研究该组合桨槽内搅拌转速n、桨叶间距C2及离底距离C1的变化对流场产生的影响.结果表明当转...     

基于正交法及Kriging模型的生物反应器搅拌桨优化设计

针对搅拌桨标准中设计参数区间大，生物反应器搅拌桨设计时参数难以确定、剪切力及搅拌功率缺少参考依据的问题。基于正交法及CFD对200 L生物反应器搅拌桨进行优化，由极差分析得到三斜叶桨不同搅拌桨直径、桨叶宽度、搅拌桨中心离底距离和转速对桨叶剪切速率和搅拌功率的影响规律，并结合流场分析选择有利于细胞培养的设计方案。根据正交优化方案确定多目标优化变量区间，以剪切力和搅拌功率为优化目标，基于Kriging模型和多目标遗传算法提出了有利于细胞培养的三斜叶桨设计变量区间，并优化得到桨叶平均剪切力为0.789 Pa、搅拌功率为0.395 W的搅拌桨最优参数组合，为生物反应器不同实际需求下的设计、优化提供了方法及数据参考。     

Transitional Mixing of Shear‐Thinning Fluids in Vessels with Multiple Impellers

The mixing efficiency of shear‐thinning fluids was evaluated using carboxymethylcellulose sodium salt (Na‐CMC) aqueous solutions of varying mass concentrations and three types of impellers (Rushton turbine (RT), six‐flat‐blade turbine (FBT), six‐pitched‐down‐blade turbine (PBT)) which were mounted on a common shaft in combinations of three, four, and five impellers. The mixing time proved to be dependent on the number of impellers as well as on the distance between. The Reynolds number has a significant influence on the mixing time for all studied systems. The results of power consumption allowed to choose the impeller system with the best efficiency.     

Effect of eccentricity on transitional mixing in vessel equipped with turbine impellers

In this paper, the results of the experimental studies of the mixing time, as well as the power consumption and baffle presence in the stirred tank with dual eccentrically located impellers are presented. The experiments were carried out in an unbaffled flat-bottomed cylindrical vessel. Three types of impellers were used: Rushton turbine, six pitched blade turbine and six flat blade turbine. The obtained data show that eccentricity of dual impeller systems leads to reduction of mixing time. Moreover, the experimental data confirmed the enlargement of power consumption in such systems. In the paper the analysis of relation between eccentricity ratio and mixing time has been performed.     

Characterisation of three different impellers using the LDV-technique

A characterisation of three commonly used impellers was made in this study by measuring local mean velocities and the fluctuations of these velocities with the LDV technique. The data was used to estimate volumetric flow, velocity fluctuations and turbulent intensity in the impeller region of the tank. The impellers investigated were a high flow impeller, a pitched blade turbine and a Rushton turbine. The cylindrical vessel used was made of Perspex, had a dished bottom (DIN 28013), was equipped with four baffles and had an inner diameter of 0.45 m. It was found that the bulk velocities could be scaled with the tip-speed of the impeller (ND). The flow rate at constant impeller speed increased in the order high flow impeller — Rushton turbine — pitched blade turbine. The corresponding order for the turbulence fluctuation is: high flow impeller — pitched blade turbine — Rushton turbine. The velocity profile of the flow out from the high flow impeller was furthermore, not as smooth as could be expected.     

双层刚柔组合搅拌桨调控流体宏观不稳定性行为

流体宏观不稳定性是搅拌槽内流体流动存在大尺度低频非稳态准周期现象,可以影响流体的能量﹑质量的传递行为。为揭示在双层组合桨作用下搅拌槽内流体的非稳态流动规律,实验采用频谱分析和流场可视化技术研究双层组合桨搅拌槽内自来水体系的宏观不稳定性,对比分析了双层刚性桨和双层组合桨对流体混合的影响。结果表明:直径为T的搅拌槽内流体宏观不稳定频率与转速呈线性增大趋势,在转速为180 r·min^-1时离底距离 0.25T刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率消失,出现谱带现象,流场呈现多尺度结构特征,而离底距离为0.33T和0.5T的刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率分别为0.5096 Hz和0.3459 Hz。双层组合桨体系分别使流体的混合时间缩短了22.5%和35%左右,减小离底距离,可使流场的规则区减小。双层刚柔组合桨调控流体宏观不稳定性,强化流体的能量传递行为,从而缩短混合时间,提高了流体的混合效率。     

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。     

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.     

同心双轴复合式搅拌釜用于牛顿流体时的功耗及混合特性

在直径0.48 m的椭圆底搅拌槽内,液位与槽径比(H/T)为0.6,采用不同粘度的牛顿流体糖浆溶液,研究了分别以CBY, 45o四斜叶桨及Rushton涡轮桨作为快速分散桨、锚式桨作为慢速桨构成的同心双轴搅拌系统,在快、慢速轴同向和异向2种旋转方式操作时的功率特性和混合性能. 结果表明,分散桨对锚式桨的功率消耗影响较大. 两轴同向旋转时,分散桨会使锚式桨的功耗降低,转速比RN增加,降低幅度也增大,RN=14时,锚式桨功率可降至单独旋转时的约10%;异向旋转时锚式桨的功率随RN增加而增加,RN=14时,锚式桨功率可增至单独旋转时的2倍左右. 但锚式桨对分散桨的功率消耗影响很小,在±5%以内. 计算同心双轴复合搅拌系统的复合功率准数和复合雷诺数关系时考虑了RN的影响,使在实验条件下不同转向及RN的功率曲线较好吻合. 混合效果同向旋转优于异向旋转,在牛顿流体中,达到相同混合效果时,CBY桨的能量消耗仅为其他2个分散桨的20%~30%.     

CFD simulation of impeller shape effect on quality of mixing in two-phase gas–liquid agitated vessel

Mixing efficiency in two-phase gas-liquid agitated vessel is one of the important challenges in the industrial processes. Computational fluid dynamics technique (CFD) was used to investigate the effect of four different pitched blade impellers, including 15°, 30°, 45° and 60°, on the mixing quality of gas-liquid agitated vessel. The multiphase flow behavior was modeled by Eulerian-Eulerian multiphase approach, and RNG k-ε was used to model the turbulence. The CFD results showed that a strong global vortex plays the main role on the mixing quality of the gas phase in the vessel. Based on the standard deviation criterion, it was observed that the axial distribution of the gas phase in the 30° impeller is about 55% better than the others. In addition, the results showed that the 30° impeller has a uniform radial distribution over the other impellers and the maximum gas phase holdup in the vessel. Investigation of the power consumption of the impellers showed that the 30° impeller has the highest power consumption among the other pitched blade impellers. Also, examine the effect of same power condition for pitched blade impellers showed that the 30° impeller has the best mixing quality in this condition.     

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨（刚性桨）和刚柔组合六直叶涡轮桨（组合桨）的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗（3 kW·m^-3）时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s^-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。