新型卧式搅拌装置特性研究与设计开发

摘要

高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化是当前蒸馏过程中的难题。由于该类物系的分离需要塔釜温度很高，且往往存在着流动性差、停留时间过长，易造成局部过热而碳化或膨化等问题，使用常规的再沸器将造成分离收率降低，排出的废渣多。本文旨在开发一种适用于高粘度、高凝固点、强热敏性物料的新型带自清洁功能的再沸器，并对该新型再沸器进行流体力学模拟研究，设计制造出了一台样机。
　　 采用非结构化网格技术及多重参考系法和滑移网格法对卧式单轴搅拌装置在不同转速、不同桨翅数及不同物料下的流场特性、功率特性、停留时间特性和传热及温度分布特性进行了模拟研究。结果表明当桨翅多、转速高、粘度大时，釜内流体容易形成“圆柱状回转区”；讨论了假塑性非牛顿流体的剪切稀变对流场的影响。另外，通过对各种条件下的搅拌功率进行模拟计算，得出满釜条件下，功率准数、雷诺数、翅数及搅拌桨级数满足关联式Np·Re=Ll(4.31+2.85m)·ksn1。通过Patch法在入口处加入示踪剂，在出口处检测示踪剂浓度得到了各种条件下的停留时间分布曲线，并对各种影响因素进行了讨论，利用混合雷诺数与流动雷诺数的比值对当量全混釜数进行了关联得出：n=8.9(Rem/Ref)-0.46。针对卧式单轴搅拌装置传热特性的研究获得了在1.1＜Re＜20且30000＜Pr＜130000时，总的传热关联式：Nu=5.92Re0.32pr0.33Vis0.15。
　　 应用动网格技术计算分析了卧式双轴搅拌装置的流场特性、功率特性和传热特性，发现卧式双轴结构消除了桨翅数较多时易在搅拌器附近产生的“圆柱状回转区”的问题。与单轴时小漩涡不同，在搅拌翅之间形成较大漩涡，促进了壁面处物料和内部物料之间的传热和传质。卧式双轴搅拌装置中任意一轴的功率准数以及总的功率准数均近似满足Np·Re Kp。针对卧式双轴结构，获得了1.1＜Re＜20且30000＜Pr＜130000时，总的传热关联式为Nu=2.55 Re0.61Pr0.31Vis0.14。
　　 通过对卧式双轴搅拌设备各种结构的运动关系的几何分析、三维建模和SolidWorks COSMOS运动干涉检验，发现影响搅拌翅之间发生运动干涉的主要因素为：两轴的转速比、轴间距、桨叶数量、桨叶直径和桨叶厚度。从而设计获得了各种合理的结构，加工制造出了一套搅拌翅数为8∶2，级数为5的卧式双轴搅拌装置。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1课题的背景

1.1.1常规再沸器

1.1.2高粘度流体再沸器的发展

1.1.3适于热敏性及易结垢物料的加热技术及设备

1.1.4新型卧式搅拌再沸器的开发

1.2适用于高粘度流体的搅拌器类型

1.2.1立式搅拌设备

1.2.2卧式搅拌设备

1.3 CFD在搅拌器设计中的应用

1.3.1流体力学模型

1.3.2搅拌器的处理方法

1.4搅拌设备功率特性

1.4.1牛顿流体的功率特性

1.4.2非牛顿流体的搅拌功率

1.4.3卧式搅拌装置功率特性

1.5停留时间分布特性

1.6传热特性

1.7本文研究的目的及内容

第二章卧式单轴装置的模拟研究

2.1模型建立过程

2.1.1几何建模

2.1.2网格划分

2.1.3物理模型及边界条件

2.1.4求解策略

2.2流场特性

2.2.1流场的基本特性

2.2.2不同转速时的流场及速度分布

2.2.3不同桨翅数时的流场及速度分布

2.2.4不同粘度时的流场及速度分布

2.2.5非牛顿流体时的流场及速度分布

2.2.6小结

2.3功率特性

2.3.1转速的影响

2.3.2粘度的影响

2.3.3桨翅数的影响

2.3.4功率准数与雷诺数之间的关系

2.3.5非牛顿流体时的功率特性

2.3.6功率常数与桨翅数量的关系

2.3.7功率常数与搅拌桨级数的关系

2.3.8统一的关联式

2.3.9小结

2.4.停留时间特性

2.4.1停留时间的研究方法

2.4.2粘度对停留时间的影响

2.4.3流量对停留时间的影响

2.4.4转速对停留时间的影响

2.4.5桨翅数量对停留时间的影响

2.4.6当量全釜数的关联

2.4.7小结

2.5传热与温度分布特性

2.5.1本文的研究方法

2.5.2转速对传热系数的影响

2.5.3搅拌翅数对传热系数的影响

2.5.3物料对于传热系数的影响

2.5.4传热关联式

2.5.5温度分布特性

2.5.6小结

第三章卧式双轴装置的模拟研究

3.1模型建立过程

3.1.1几何建模

3.1.2网格划分

3.1.3物理模型及边界条件

3.1.4求解策略

3.2流场特性

3.2.1不同桨叶数及转速比时的流场及速度分布

3.2.2不同转速时的流场

3.2.3非牛顿流体时的流场及速度分布

3.2.4小结

3.3功率特性

3.3.1转速的影响

3.3.2粘度的影响

3.3.3功率准数与雷诺数之间的关系

3.3.4统一的关联式

3.3.5小结

3.4传热与温度分布特性

3.4.1本文的研究方法

3.4.2转速对传热功率的影响

3.4.3物料对于传热功率的影响

3.4.4传热功率的关联式

3.4.5温度分布特性

3.4.6小结

第四章新型卧式双轴搅拌设备的设计开发

4.1卧式双轴搅拌设备的三维建模

4.1.1三维实体模型的表示方法

4.1.2卧式双轴搅拌设备的SolidWorks三维建模

4.2卧式双轴搅拌设备的运动仿真和运动干涉检验

4.2.1 SolidWorks COSMOS运动干涉分析技术

4.2.2运动干涉分析

4.2.3新型卧式双轴搅拌设备

4.2.4小结

第五章结论

参考文献

附录

致 谢