搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用Lab VIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE),分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m3?h-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。     

刚柔组合搅拌桨强化搅拌槽中流体混沌混合

搅拌槽内普遍存在着两种不同类型的混合区域：混沌混合区和规则区。增大混沌混合区,是提高流体混合效率、降低搅拌过程能耗的重要途径。而合理设计搅拌桨有助于流体形成适宜的流动状态,实现混沌混合。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚柔组合搅拌桨,可强化流体混沌混合行为。结合Matlab 软件,实验研究了双层桨搅拌槽内自来水体系的最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）的变化规律,对比分析了刚性桨和刚柔组合桨两种桨叶对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨强化流体的运动特性,使更多流体进入混沌混合状态。在转速为210 r·min^-1时,流体的混沌混合达到最佳状态,刚性桨体系的LLE为0.041,而刚柔组合桨体系的LLE为0.048;刚柔组合桨可有效耗散能量,使整个槽体的能量分布均匀,刚柔组合桨在150 r·min^-1时的多尺度熵率与刚性桨在210 r·min^-1时基本相近;刚柔组合桨体系的混合时间均低于刚性桨体系,在转速为120 r·min^-1时,刚柔组合桨使流体的混合时间缩短了26%左右。刚柔组合桨可改变流场结构和能量耗散方式,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

弹性搅拌桨强化液-液两相混沌混合及液滴分散特性的研究

传统的混合澄清槽一般采用刚性搅拌桨来实现液-液两相的混合萃取,普遍存在效率低、能耗高等问题。将一种弹性搅拌桨应用在混合澄清槽中,以强化液-液两相混沌混合及分散特性。以最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）表征体系混沌状态,以分散相液滴粒径分布、Sauter平均粒径（D₃₂）等表征分散效果,分别研究了桨叶类型（弹性搅拌桨、刚柔组合桨及刚性桨）、弹簧长度、线径、外径等因素对混沌混合效果和分散特性的影响。结果表明,相比较刚性搅拌桨和刚柔组合搅拌桨,弹性搅拌桨通过弹簧的形变和储能作用,强化了搅拌能量的传递方式,提高了分散相的分散效果,有利于液液两相的混沌混合,在搅拌转速N=200 r/min、弹簧线径为0.6 mm、弹簧相对长度为1.2、弹簧外径为7 mm时,弹性搅拌桨体系的LLE和MSE更大,且MSE值波动最强;同时,各搅拌体系内分散相平均粒径D₃₂与转速呈对数线性关系,弹性搅拌桨体系内分散相液滴尺寸更小且数量更多。     

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。     

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1.2H1、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。     

刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为

传统刚性搅拌桨通过对流体的剪切作用实现能量的传递,而刚柔组合搅拌桨可通过其多体运动行为强化能量传递。基于搅拌桨桨叶与流体之间的耦合运动作用,结合ANSYS Workbench仿真平台,采用双向流固耦合方法,模拟计算了刚性搅拌桨与刚柔组合搅拌桨桨叶的等效应力和总变形量,研究了流场的宏观结构;并通过测定混合时间和计算搅拌桨功耗对比分析了两种不同搅拌体系的混合行为。结果表明:刚柔组合搅拌桨使体系的混合时间缩短了近32%,搅拌桨功耗下降了7%,其桨叶尖端的变形量是刚性搅拌桨的10⁵倍,其应力比刚性搅拌桨增加了83%;与刚性搅拌桨相比,刚柔组合搅拌桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大,能够更好地传递能量,增强流体运动,强化流体混合。     

偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究

搅拌反应器内普遍存在混合隔离区,是实现高效混合的一大障碍。流场耦合诱发流体的混沌现象,可减少混合隔离区,提高流体混合效率。结合Matlab软件,探究偏心空气射流-单层刚柔组合桨体系的混合行为演变规律,对比分析了不同偏心率下桨叶类型、桨叶离底高度、空气射流量以及转速对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨通过其自身刚-柔-流的多体运动与偏心空气射流的流场耦合,破坏了流体混合过程中出现的对称性流场,使更多的流体进入混沌状态。刚-柔组合桨（RF-RDT、RF-IRDT）比刚性桨（RDT、IRDT）的LLE值大,其中RF-RDT相比于其他3种类型的搅拌桨（IRDT、RDT、RF-IRDT）,其LLE值分别提高了约42.8%,27.0%、6.9%;空气射流的偏心率等于0.6时,其最大LLE值相比于其他偏心率（0.8、0.4、0.2、0）,依次提高了6.5%、2.4%、17.6%、25.1%。该研究结果可为刚柔组合桨的优化设计提供理论依据。     

偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究

搅拌反应器内普遍存在混合隔离区,是实现高效混合的一大障碍。流场耦合诱发流体的混沌现象,可减少混合隔离区,提高流体混合效率。结合Matlab软件,探究偏心空气射流-单层刚柔组合桨体系的混合行为演变规律,对比分析了不同偏心率下桨叶类型、桨叶离底高度、空气射流量以及转速对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨通过其自身刚-柔-流的多体运动与偏心空气射流的流场耦合,破坏了流体混合过程中出现的对称性流场,使更多的流体进入混沌状态。刚-柔组合桨(RF-RDT、RF-IRDT)比刚性桨(RDT、IRDT)的LLE值大,其中RF-RDT相比于其他3种类型的搅拌桨(IRDT、RDT、RF-IRDT),其LLE值分别提高了约42.8%,27.0%、6.9%;空气射流的偏心率等于0.6时,其最大LLE值相比于其他偏心率(0.8、0.4、0.2、0),依次提高了6.5%、2.4%、17.6%、25.1%。该研究结果可为刚柔组合桨的优化设计提供理论依据。     

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。     

双层桨气液搅拌反应槽气液分散特性

采用搅拌功率与氧传质系数方法,对一双层桨搅拌反应槽的自吸分散和表面充气分散性能进行研究.比较了两种桨叶组合在两种分散方式下的气相分散临界转速、搅拌功率及两种桨叶组合自吸分散时的气含率和气液传质系数.结果表明,六叶圆盘直叶桨和六叶圆盘斜叶桨的组合在自吸分散时具有较优的分散性能.     

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。     

长短叶片复合型刚柔桨强化搅拌槽内流体混沌混合行为

搅拌反应器中混合隔离区的存在是强化流体混合的主要障碍。打破搅拌槽中的对称性流场结构,破坏混合隔离区,可以提高流体混合效率。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）,比较了不同桨叶类型、柔性片长度、柔性片数量和桨叶离底高度以及转速对流体混合的影响。结果表明,长短叶片复合型刚柔桨（RF-LSB）桨叶通过刚柔耦合错位连接,柔性片的形变与随机振动对流体的非稳态扰动,使流场结构不稳定性和不对称性增强,强化了流体混合效果。当柔性片数量为3,搅拌转速为90 r/min时,RF-LSB体系比刚性桨和刚柔桨体系的LLE值分别提高了20.22%和7.98%;三种体系[RF-LSB（柔性片数量为3）、刚性桨和刚柔桨体系]的混合时间（θ_m）与单位体积功耗（P_v）呈指数型关系,当P_v相同时,RF-LSB（柔性片数量为3）的θ_m最小,表明RF-LSB（柔性片数量为3）更有利于流体混沌混合。     

Chaotic mixing performance enhanced by rigid-flexible impeller with long-short blades in stirred tank

The presence of a mixing isolation regions in a stirred reactor is a major obstacle to enhancing fluid mixing. Breaking the symmetrical flow field structure in the stirred tank and destroying the mixing isolation area can improve the fluid mixing efficiency. The Matlab software was used to calculate the maximum Lyapunov exponent (LLE) and multi-scale entropy (MSE). The effects of different blade types, flexible blade length, flexible blade number, blade height from bottom and rotation speed on fluid mixing were compared. The results show that the rigid-flexible impeller with long-short blades (RF-LSB) can enhance the flow field structure more unstable and asymmetric with deformation and random vibration of flexible pieces, destroy the symmetry flow in the process of fluid mixing, induce the asymmetric flow field, and make more fluid into the chaotic state. When at 90 r/min and three pieces of flexible, the LLE of the RF-LSB is larger than that of rigid impeller and rigid-flexible impeller RF-LSB with increase of 20.22% and 7.98% respectively. The mixing time (θ_m) of the three systems [RF-LSB (three pieces), rigid impeller, rigid-flexible impeller] has an exponential relationship with the power consumption per unit volume (P_v). When P_v is constant, θ_m of the RF-LSB system is the smallest. Results showed that the RF-LSB (three pieces) is superior to rigid impeller and rigid-flexible impeller, which is more conducive to fluid chaotic mixing.     

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.     

Experiment and numerical simulation of chaotic mixing performance enhanced by perturbed rigid-flexible impeller in stirred tank

To eliminate the isolated mixing regions in the stirred tank, factors associated with chaotic mixing performance were studied, including flow field structure and fluid velocity of rigid RT impeller (R-RT), perturbed rigid RT impeller (PR-RT) and perturbed rigid-flexible RT impeller (PRF-RT). The maximum Lyapunov exponent (LLE) and multi-scale entropy (MSE) were calculated by using Matlab software programming, and the differences in flow field structure and fluid velocity of the three blade systems were studied through computational fluid mechanics. The experimental and computational results showed that perturbed rigid-flexible RT impeller could destroy the boundary of the mesostatic flow field in the isolated mixing regions and the symmetry flow in the process of fluid mixing through the random disturbance of the flexible blade, eliminating the isolated mixing regions. At 90 r/min, the LLE of the perturbed rigid-flexible RT impeller is larger than that of rigid RT impeller and perturbed rigid RT impeller. The LLE of the rigid-flexible RT impeller compared with the rigid RT impeller and perturbed rigid RT impeller increases 13.29% and 7.25% respectively and the MSE of the perturbed rigid-flexible RT impeller is also larger than that of rigid RT impeller and perturbed rigid RT impeller. The perturbed rigid-flexible RT impeller enhances the flow field instability, forms an asymmetric flow field structure, and reduces the distribution range of isolated mixing regions. The perturbed rigid-flexible RT impeller enhances the energy dissipation of the blade, improves the fluid velocity at the bottom and top of the tank and the wall of the tank, and reduces the mixing time.     

错位刚柔桨强化搅拌槽内流体混合实验及数值模拟

为消除搅拌反应器中混合隔离区,对标准刚性桨（R-RT）、错位刚性桨（PR-RT）和错位刚柔桨（PRF-RT）三种桨叶体系的流体混沌特性参数、流场结构以及流体运动速度进行了探讨。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）,通过计算流体力学研究了三种桨叶体系流场结构和流体运动速度的差异。实验及计算结果表明,错位刚柔桨通过柔性桨叶的随机扰动破坏了隔离区介稳态流场边界,较大程度地消除了混合隔离区。PRF-RT的LLE相比于R-RT和PR-RT分别提高了13.29%和7.25%,MSE也较PR-RT和R-RT大;PRF-RT增强了流场不稳定性,形成了不对称性流场结构,减少了隔离区分布范围;PRF-RT强化桨叶能量耗散,提高了搅拌槽底部、顶部液面以及搅拌槽壁区域流体运动速度,减小了流体混合时间。     

双层桨自吸式搅拌槽气-液分散性能

对一双层桨自吸式搅拌槽内气液分散性能进行了研究,在有无定子两种情况下,对比了不同桨型组合的搅拌功率、相对功率消耗、气含率和容积传氧系数。结果表明:自吸式搅拌槽可以有效降低功率消耗;6P-6PDTU(抛物线型桨与六叶上斜叶桨)组合的功率消耗小于6DT-6PDTU(六直叶圆盘桨与六叶上斜叶桨)组合,相对功率消耗更接近于1;气含率和容积传氧系数小于6DT-6PDTU组合。研究表明,虽然6DT-6PDTU组合的搅拌功率较大,且不利于气液分散和混合,但吸气量和气液两相之间的传质效果较好。     

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.     

Influence of impeller diameter on overall gas dispersion properties in a sparged multi-impeller stirred tank☆

The impeller configuration with a six parabolic blade disk turbine below two down-pumping hydrofoil propellers, identified as PDT + 2CBY, was used in this study. The effect of the impeller diameter D, ranging from 0.30T to 0.40T (T as the tank diameter), on gas dispersion in a stirred tank of 0.48 m diameter was investigated by experimental and CFD simulation methods. Power consumption and total gas holdup were measured for the same impeller configuration PDT + 2CBY with four different D/T. Results show that with D/T increases from 0.30 to 0.40, the relative power demand (RPD) in a gas–liquid system decreases slightly. At low superficial gas velocity V_S of 0.0078 m·s^-1, the gas holdup increases evidently with the increase of D/T. However, at high superficial gas velocity, the systemwith D/T=0.33 gets a good balance between the gas recirculation and liquid shearing rate, which resulted in the highest gas holdup among four different D/T. CFD simulation based on the two-fluid model along with the Population Balance Model (PBM) was used to investigate the effect of impeller diameter on the gas dispersion. The power consumption and total gas holdup predicted by CFD simulation were in reasonable agreement with the experimental data.     

剪切变稀体系同心双轴搅拌釜内的气液分散模拟

气液搅拌设备因其良好的适用性被广泛应用于过程工业中。为更好地比较不同工况下剪切变稀体系中的气液分散情况,通过实验研究整体气含率和相对功耗确定适宜的转动模式,进而模拟研究表观气速、体系黏度、搅拌转速对气含率和气泡尺寸的影响。结果表明,相同功率下内外双桨反向旋转模式在理想气液分散条件下,相较于单轴内桨和内外双桨同向旋转模式具有更高的气含率和更好的气体泵送能力;表观气速的增加有利于气泡的均匀分散,但气泡尺寸也会随之增大;有效黏度的增加使得搅拌桨的影响区域变小,不利于气泡的均匀分散,气泡尺寸也随之增大;搅拌转速的增加使得循环涡流的影响区域变大,高气含率区不断扩大。