穿流刚柔桨搅拌反应器内流体混沌混合特性研究

摘要

搅拌反应器广泛应用于化工、冶金、医药、食品等过程工业,是相关生产工艺中的核心设备.搅拌桨作为搅拌反应器的关键部件,向搅拌槽内流体提供所需的能量,使流体形成适宜的流场,影响着"三传一反"的效率和程度.传统刚性搅拌桨主要是通过对流体的剪切作用传递能量,约70%的搅拌桨输入能量消耗在桨叶外缘和桨叶后的尾涡处,流体的混合效率较低.因而,搅拌桨结构设计与优化已成为流体混合强化研究的热点. 本文基于化工过程强化和流体混沌混合强化理论,在刚柔桨的研究基础上提出穿流刚柔桨强化流体混沌混合的新思路,以期通过穿流刚柔桨自身旋转产生的高速射流,强化流场的局部涡流扩散,促使流场结构失稳,诱导流体进入混沌混合状态,强化流体混沌混合过程.本文对穿流刚柔桨搅拌反应器内单相、固液两相、气液两相体系中的混沌特性和混合性能进行了实验研究.同时,通过计算流体力学对单相体系的流场特性、固液两相体系的固液悬浮特性以及气液两相体系的气液分散行为进行了数值模拟研究.此外,开展了刚柔组合桨强化锰矿浸出的应用研究,对锰矿浸出槽中固液两相悬浮特性和桨叶流固耦合行为进行了数值模拟,以及对锰矿浸出时间、浸出率和搅拌电耗进行了中试试验.主要结论如下: ①单相体系 1)基于流体混沌混合强化理论,开展了混沌电机耦合穿流刚柔桨强化单相流体混沌混合的研究.通过实验对六直叶涡轮刚性桨(Rigid RT impeller,R-RT)、六直叶涡轮刚柔桨(Rigid-flexible RT impeller,RF-RT)、六直叶涡轮穿流刚柔桨(Punched rigid-flexible RT impeller,PRF-RT)和混沌电机耦合PRF-RT桨四种搅拌体系的流体混沌特性和混合性能进行对比研究,获得了四种搅拌体系的混沌特性参数、混合时间数以及混合效率.结果表明,在雷诺数Re≈210的条件下,与R-RT桨和RF-RT桨体系相比,PRF-RT桨体系的最大Lyapunov指数(Lagest Lyapunov exponent,LLE)分别提高了35.4%和14.9%,混合时间数(NTm)分别缩短了47.7%和29.0%;与PRF-RT桨相比,混沌电机耦合PRF-RT桨体系的LLE提高了16.7%,NTm缩短了38.1%.同时,得到了混合时间(Tm)与单位体积功耗(Pv)之间的拟合关系式.R-RT桨体系,Tm=164.61Pv-0.548;RF-RT桨体系,Tm=130.71Pv-0.558;PRF-RT桨体系,Tm=98.54Pv-0.603;混沌电机耦合PRF-RT桨体系,Tm=61.79Pv-0.682.此外,提取了单相混合体系的混沌吸引子,计算了四种搅拌体系中混沌吸引子的分形维数.在相同功耗下,与R-RT桨、RF-RT桨和PRF-RT桨相比,混沌电机耦合PRF-RT桨能够有效地增大混合体系中混沌吸引子的分形维数,提高混合体系的混沌混合程度,强化流体的混沌混合. 2)通过对R-RT桨、RF-RT桨和PRF-RT桨三种桨型体系进行数值模拟研究,获得了三种桨型体系的流体力学性能.结果表明,在相同功耗下,与R-RT桨和RF-RT桨相比,PRF-RT桨能够增大流体的轴向速度,减小桨叶尾涡尺寸.这表明PRF-RT桨能够提高桨叶能量利用率,强化流体的涡流扩散过程. ②固液两相体系 1)基于过程强化和湍流理论,开展了双层穿流刚柔组合桨强化固液两相悬浮行为的研究.通过实验对双层六斜叶涡轮刚性桨(Dual rigid six-bladed pitched blade disc turbine impeller,DR-PBDT)、双层六斜叶刚柔组合桨(Dual rigid-flexible combination six-bladed pitched blade disc turbine impeller,DRFC-PBDT)、双层六斜叶涡轮穿流刚柔组合桨(Dual punched rigid-flexible combination six-bladed pitched blade disc turbine impeller,DPRFC-PBDT)三种搅拌体系中固液两相的混沌特性和悬浮特性进行对比研究,获得了三种搅拌体系中的混沌特性参数、轴向局部固含率分布以及固液悬浮度.结果表明,在雷诺数Re≈2×105的条件下,与DR-PBDT桨和DRFC-PBDT桨体系相比,DPRFC-PBDT桨体系的LLE分别提高了69.3%和19.3%;DPRFC-PBDT桨体系中轴向局部固含率分布更为均匀,固液悬浮度更大.同时,提取了固液混合体系的混沌吸引子,计算了三种桨型体系中混沌吸引子的分形维数.在相同功耗下,与DR-PBDT桨和DRFC-PBDT桨相比,DPRFC-PBDT桨能够有效地增大固液体系中混沌吸引子的分形维数,提高固液两相的混沌混合程度. 2)通过对DR-PBDT桨、DRFC-PBDT桨和DPRFC-PBDT桨三种桨型体系的固液悬浮特性进行数值模拟研究,获得了固液两相体系的速度分布、湍动能分布、固含率分布以及固体颗粒悬浮状态.结果表明,在相同功耗下,与DR-PBDT桨和DRFC-PBDT桨相比,DPRFC-PBDT桨能够增大固液体系的湍动程度和湍动能耗散率,提高固体颗粒的轴向速度,减少搅拌槽底部固体颗粒的堆积数量,增大固液两相的悬浮程度,使搅拌槽内固体颗粒分布更为均匀. ③气液两相体系 1)基于过程强化和气穴理论,开展了双层刚柔桨强化气液两相分散行为的研究.通过实验对双层六直叶-六斜叶涡轮刚性桨(Dual rigid RT impeller-sixbladed pitched blade disc turbineimpeller,DR-RT-PBDT)、双层六直叶-六斜叶涡轮刚柔桨(Dual rigid-flexible RT impeller-sixbladed pitched blade disc turbineimpeller,DRF-RT-PBDT)、双层六直叶-六斜叶涡轮穿流刚柔桨(Dual punched rigid-flexible RT impeller-sixbladed pitched blade disc turbineimpeller,DPRF-RT-PBDT)三种搅拌体系中气液两相的混沌特性、搅拌功耗特性、分散特性进行对比研究,获得了气液分散体系的混沌特性参数、相对功率消耗(RPD)、局部气含率分布以及气泡尺寸分布.结果表明,在弗鲁德数Fr=0.66的条件下,与DR-RT-PBDT桨和DRF-RT-PBDT桨体系相比,DPRF-RT-PBDT桨体系的LLE分别提高了20.25%和9.61%.同时,在相同功耗下,DPRF-RT-PBDT桨能够有效地增大气液两相混合体系中混沌吸引子的分形维数.在相同通气准数Flg的条件下,DPRF-RT-PBDT桨体系的RPD＞DRF-RT-PBDT桨体系的RPD＞DR-RT-PBDT桨体系的RPD.同时,DPRF-RT-PBDT桨能够增大局部气含率,减小气泡尺寸,强化气泡的分散和破碎过程. 2)通过对DR-RT-PBDT桨、DRF-RT-PBDT桨和DPRF-RT-PBDT桨三种桨型体系的气液分散特性进行数值模拟研究,获得了桨叶附近绝压分布、液相剪切速率分布、气含率分布以及气泡尺寸分布.结果表明,与DR-RT-PBDT桨和DRF-RT-PBDT桨相比,DPRF-RT-PBDT桨能够降低桨叶前后的压差,减小气穴尺寸,增大液相剪切速率,强化气泡破碎和分散过程,提高气体分散的均匀性. ④刚柔组合桨强化锰矿浸出的应用研究 开展了刚柔组合桨强化锰矿浸出中试试验及固液悬浮模拟研究,对锰矿浸出过程中桨叶流固耦合行为、固液悬浮特性、锰矿浸出时间、浸出率和搅拌电耗进行了分析.与刚性桨相比,刚柔组合桨的钢丝绳安装在桨叶外端,钢丝绳长度为1.2Hs时,其最大形变量是刚性桨的65.02倍,最大等效应力是刚性桨的6.85倍.刚柔组合桨能够增大与流体相互作用,提高固体颗粒的轴向速度,增大浸出槽中固液两相的悬浮程度,提高固液两相的混沌混合程度.与刚性桨体系相比,刚柔组合桨体系的锰矿浸出时间缩短近1小时,锰矿浸出率提高3%左右.每台改装后的中试刚柔组合桨锰矿浸出槽每年可创造经济效益41.32万元. 综上所述,本文基于化工过程强化和流体混沌混合强化理论,提出穿流刚柔桨强化流体混合的新思路,对穿流刚柔桨搅拌反应器内的流体混沌混合特性开展了实验和数值模拟研究,建立了流场结构失稳新方法,实现了流体的高效节能混合.此外,开展了刚柔组合桨强化锰矿浸出的应用研究,对刚柔组合桨强化锰矿浸出新技术进行了中试验证,实现了锰矿的高效浸出.本文的研究可为流体混沌混合强化提供新方法,为搅拌反应器高效、节能混合操作提供理论参考.

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