搅拌槽内微观混合研究的回顾与展望(英文)

Mixing problems are most likely encountered and sometimes can be severe in scaling-up projects.Micro-mixing is an important aspect for fast or quasi-instantaneous reactions.Poor micro-mixing might produce more undesired by-products,leading to higher purification costs.This paper gives an extensive review and analysis of micro-mixing studies in single-and multiphase stirred tanks.The relevant experiment techniques,micro-mixing models and numerical approaches are critically reviewed and analyzed with remarks and perspectives.The reported studies on two-phase micro-mixing experiments and on the impact of the presence of the dispersed phases on turbu-lence have been limited to a narrow range of conditions.More importantly,disparities widely exist among different reports.Both Lagrangian and Eulerian models are based on oversimplified assumptions,which may lead to uncer-tainties or even unrealistic results.A heuristic model,which is from the perspective of CFD(computational fluid dynamics) and can cover the whole spectrum of scales and also focus on every sub-process,is desired in the future.     

T型撞击流反应器的微观混合性能研究(英文)

Confined impinging jet reactor (CIJR) offers advantages for chemical rapid processes and has become an important new reactor used in the chemical industry. The micromixing efficiency in a T-shaped CIJR for two tubes of inner diameter of 3 mm was studied by using a parallel competing iodide–iodate reaction as the working system. In this work, the effects of different operating conditions, such as impinging velocity and acid concentration, on segregation index were investigated. In addition, the effects of the inner nozzles diameter and the distance L between the jet axis and the top wal of the mixing chamber on the micromixing efficiency were also considered. It is concluded that the best range of L in this CIJR is 6.5–12.5 mm. Based on the incorporation model, the estimated minimum micromixing time tm of CIJR approximately equals to 2 × 10?4 s. These experimental results indicate clearly that CIJR possesses a much better micromixing performance compared with the conventional stirred tank (micromixing time of 2 × 10?3 to 2 × 10?2 s). Hence, it can be envisioned that CIJR has more promising applications in various industrial processes.     

Rushton桨气液搅拌槽内气泡流对搅拌轴弯矩的影响（英文）

The bending moment acting on the overhung shaft of a gas-sparged vessel stirred by a Rushton turbine, as one of the results of fluid and structure interactions in stirred vessels, was measured using a moment sensor equipped with digital telemetry. An analysis of the shaft bending moment amplitude shows that the amplitude distribution of the bending moment, which indicates the elasticity nature of shaft material against bending deformation, fol-lows the Weibull distribution. The trends of amplitude mean, standard deviation and peak deviation character-istics manifest an“S”shape versus gas flow. The“S”trend of the relative mean bending moment over gas flow rate, depending on the flow regime in gas–liquid stirred vessels, resulted from the competition among the non-uniformity of bubbly flow around the impeller, the formation of gas cavities behind the blades, and the gas direct impact on the impel er when gas is introduced. A further analysis of the bending moment power spectral density shows that the rather low frequency and speed frequency are evident. The low-frequency contribution to bend-ing moment fluctuation peaks in the complete dispersion regime.     

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.     

双层组合桨搅拌槽内气液微观分散特性

采用双电导电极探针法对双层组合桨搅拌槽内气液相界面积特性进行了实验研究,考察了通气量、搅拌转速和桨组合对槽内相界面积的影响。结果表明:对于上层桨为上翻斜叶桨和下层桨为凹叶桨的组合,随着通气量的增加,搅拌槽内大部分区域的相界面积增大,但在槽底区域减小。随着搅拌转速的增加,在叶轮区域的相界面积增加明显,而在槽底和液面区域基本不变化。上下层桨的分散能力和气体分布器结构和操作条件密切相关。对于近壁管式气体分布器搅拌槽,在较低通气量下,上层桨对气液分散起着主要作用,而在高通气量下,下层桨的作用增强,起主要作用。带圆盘的搅拌桨对气体具有良好的阻缓作用,不同气速下均具有优异的气液分散能力。     

固液搅拌槽内液相湍流特性

采用粒子图像测速系统研究搅拌槽内固液二相湍流运动的流场分布规律,结果表明,液相速度随着颗粒体积分数的增加,先增加后变小,在颗粒体积分数为0.5%时有最大值。湍流动能和耗散率大的区域分布在桨叶尖端右下方,随着加入颗粒后,桨叶下方液相湍流动能和耗散率都比清水时大。湍流动能在颗粒体积分数为0.9%时有最大值,湍流动能耗散率在颗粒体积分数为1.3%时有最大值。     

固-液导流筒搅拌槽内流体流动和颗粒悬浮特性

在直径0.8 m的导流筒搅拌槽内,对单相液体的三维速度分布、固-液两相的固体颗粒浓度分布和离底悬浮特性进行了系统的实验研究. 结果表明,导流筒内外的轴向液相速度远大于径向和切向速度,导流筒外壁附近存在一个与主体轴向流动方向相反的二次流区域;搅拌槽底部结构对固体颗粒的临界离底悬浮转速(NJS)有显著的影响,浅锥底的NJS比平底的低14%以上;NJS随固相浓度的增加而增加,但当浓度超过50%时,NJS略有降低;槽内固相浓度分布的均匀性随固相浓度的增加而得到改善. 本研究结果对导流筒搅拌槽的优化设计具有一定的指导意义.     

固-液导流简搅拌槽内流体流动和颗粒悬浮特性

在直径0．8m的导流筒搅拌槽内，对单相液体的三维速度分布、固-液两相的固体颗粒浓度分布和离底悬浮特性进行了系统的实验研究．结果表明，导流筒内外的轴向液相速度远大于径向和切向速度，导流筒外壁附近存在一个与主体轴向流动方向相反的二次流区域；搅拌槽底部结构对固体颗粒的临界离底悬浮转速（NJS）有显著的影响，浅锥底的NJS比平底的低14％以上；NJS随固相浓度的增加而增加，但当浓度超过50％时，NJS略有降低；槽内固相浓度分布的均匀性随固相浓度的增加而得到改善．本研究结果对导流筒搅拌槽的优化设计具有一定的指导意义．     

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LabVIEW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。     

搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性

在直径为0·476m的搅拌槽内,分别选用三窄叶翼型搅拌桨和标准六直叶涡轮搅拌桨,采用羟乙基纤维素(HEC)水溶液非牛顿流体作为工作体系,以改进的硫酸铜沉降反应与氯乙酸乙酯水解反应的平行竞争反应作为研究微观混合的反应工作体系,在质量分数为0·1%~0·5%的HEC水溶液中,排除硫酸铜副反应的影响,利用铜离子质量浓度与可见光吸光度的线性关系,考察了进料时间、搅拌转速、溶液黏度、流体的非牛顿性以及搅拌桨类型等因素对副产物收率(XQ)的影响规律。结果表明,当进料时间超过临界进料时间3500s后,X_Q不再改变;随着搅拌转速的增加,X_Q减小,但其减小的趋势逐渐变缓;在相同转速下,X_Q随着流体黏度的增加而增加,但增加的趋势有所减缓;对于黏性流体不能仅仅采用雷诺数作为放大准则;在相同的能量耗散速率及桨叶区进料的情况下,Damkohler准数较大的标准六直叶涡轮搅拌桨的X_Q较小。     

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。     

多层桨搅拌槽内的微观混合特性

在直径0.476 m的多层桨搅拌槽内,采用平行竞争反应工作体系,就不同的多层桨型组合、进料时间、搅拌转速及进料位置对产物分布的影响规律进行了系统的实验研究,并采用涡旋卷吸模型就加料位置等操作条件对产物分布的影响进行了模拟计算,模拟值与实验值吻合. 结果表明,对于多层桨搅拌体系,在液面处加料时产物分布主要由上层桨的桨型决定,底层桨的排出流区加料时主要由底层桨的桨型及功率决定. 卷吸模型能够较好地描述搅拌槽内的微观混合过程.     

通气式中心龙卷流搅拌槽内气-液两相流的混合特性

运用计算流体动力学（CFD）方法对单通管桨搅拌槽和双通管搅拌槽内部流场进行数值模拟,考察了流体在在单通管和双通管搅拌槽内宏观流动场的效果。研究发现,流体在双通管内部流场流动效果好。在此基础上可以看出,通气式搅拌槽开两个孔比开一个孔效果好．这对搅拌槽的优化设计和_丁业放大效应有一定的实际意义。     

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。     

搅拌釜内固-液悬浮体系的CFD-DEM模拟(英文)

Computational fluid dynamics-discrete element method （CFD-DEM） coupled approach was employed to simulate the solid suspension behavior in a Rushton stirred tank with consideration of transitional and rotational motions of millions of particles with complex interactions with liquid and the rotating impeller. The simulations were satisfactorily validated with experimental data in literature in terms of measured particle velocities in the tank. Influences of operating conditions and physical properties of particles （i.e., particle diameter and density） on the two-phase flow field in the stirred tank involving particle distribution, particle velocity and vortex were studied. The wide distribution of particle angular velocity ranging from 0 to 105 r·min-1 is revealed. The Magnus force is comparable to the drag force during the particle movement in the tank. The strong particle rotation will generate extra shear force on the particles so that the particle morphology may be affected, especially in the bio-/polymer-product related processes. It can be concluded that the CFD-DEM coupled approach provides a theoretical way to under-stand the physics of particle movement in micro-to macro-scales in the solid suspension of a stirred tank.     

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。     

气液固三相搅拌中的颗粒分布研究

考察了搅拌桨尤其是底层桨对液面附近颗粒质量浓度(S)的影响 ,发现底层桨采用3叶后掠桨时S最大 ,采用INTERMIG桨时S最小 ,顶层桨不宜采用上推式桨。     

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.     

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。     

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。