粘稠体系下同心双轴搅拌器气液分散和混合特性的研究

摘要

气液搅拌反应器广泛应用于化工、食品、化妆品加工、生物化学、污水处理、聚合等过程工业中。对搅拌器的气液分散和混合性能进行研究，对于深入理解气液分散、混合以及放大机理，进而指导工业生产具有很大的帮助。文献中已有大量关于搅拌器气液分散和混合特性的研究，但仍存在很多不足之处:首先，研究体系大多为水/低粘液体-空气体系，而实际工业生产中体系的物性复杂的多，粘度较大或者为非牛顿流体等;其次，研究对象几乎全为单轴搅拌器，而且粘稠体系下局部参数的实验测量也很是欠缺。因此，对同心双轴搅拌器在粘稠体系下的气液分散和混合特性进行系统研究很有必要。
　　本文创新设计了适用于同心双轴气液搅拌的新型框式外桨和新型进气系统。实验过程中，在比较了同心双轴搅拌器和单轴搅拌器气液分散特性优劣的基础上，系统研究了操作条件（转速、通气量、内外桨的转动模式）、桨型组合(三种桨型组合:框式外桨+Rushton/SBT-6/PBT-6)、不同粘度（最大粘度0.3Pa·s）对同心双轴搅拌器在粘稠体系下气液分散和混合特性的影响。本文还采用计算流体力学(CFD)方法，对三种桨型组合同心双轴搅拌器在粘稠体系下（最大粘度0.8Pa·s）的气液分散和混合特性进行了研究，得到了宏观流场、局部气含率、局部气泡尺寸、剪切速率等信息，并进行分析，很好的验证和补充了实验研究的内容，对深入理解气液分散和混合机理起到了很好的帮助作用。
　　结果发现:a)反向转动模式下的双轴搅拌器相对单轴搅拌器气液分散性能优势明显;b)相同条件下，三种桨型组合中，框式外桨和Rushton桨的组合气液分散和混合特性最好。并且，内外桨反向转动模式优于同向转动;c）一定范围内，粘度增大，整体气含率增大，但粘度的增大对整釜内气液分散的均匀性有不利的影响，导致近壁区局部气含率下降;d）一定条件下，转速越大，气液分散性能越好，整体气含率和局部气含率均越大;e)通气量对整体参数和局部参数的影响相对较复杂。虽然，一定转速下，通气量越大，桨叶背部形成的气穴结构越大，搅拌桨的泵送能力越差，越不利于气泡在釜内的均匀分散。但是，当转速保持在泛点转速之上时，增大通气量，气液分散状态仍较好，整体气含率和局部气含率均有一定程度的提高。
　　模拟得到的结果和实验值对比发现，总体来说，模拟值和实验值吻合良好，并且，模拟结果对解释实验现象和加深对气液分散和混合机理的理解帮助很大。

目录

声明

致谢

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 气液分散状态及机理

1．2．1 搅拌槽内不同气液分散状态

1．2．2 气液分散机理

1．2．3 气泡的聚并和破裂

1．3 国内外研究进展

1．3．1 几何参数对气液分散和混合的影响

1．3．2 操作条件对气液分散和混合的影响

1．3．3 物性参数对气液分散和混合的影响

1．4 气液搅拌研究方法

1．4．1 实验研究

1．4．2 数值模拟

1．5 本文研究内容

第二章 实验装置与测量

2．1 实验装置

2．1．1 进气系统

2．1．2 搅拌桨及其几何尺寸

2．1．3 双电导探针测量系统

2．2 实验物料

2．3 实验测量方法

2．3．1 整体气含率的测量

2．3．2 功率的测量

2．3．3 混合时间的测量

2．3．4 局部气泡参数的测量

第三章 实验结果与讨论

3．1 引言

3．2 双轴搅拌器和单轴搅拌器的比较

3．3 整体气含事

3．3．1 转速对整体气含率的影响

3．3．2 通气量对整体气含事的影响

3．3．3 粘度对整体气含率的影响

3．4 搅拌功率

3．4．1 转速对功率的影响

3．4．2 通气量对功率的影响

3．4．3 粘度对功率的影响

3．5 混合时间

3．5．1 转速对混合时间的影响

3．5．2 粘度对混合时间的影响

3．6 局部气含率

3．6．1 转速对局部气含事的影响

3．6．2 通气量对局部气含率的影响

3．6．3 桨型组合对局部气含率的影响

3．6．4 内外桨转动模式对局部气含率的影响

3．7 局部气泡尺寸

3．7．1 转速对局部气泡尺寸的影响

3．7．2 通气量对局部气泡尺寸的影响

3．7．3 桨型组合对局部气泡尺寸的影响

3．8 本章小结

第四章 气液分散和混合的数值模拟

4．1 引言

4．2 数学模型

4．2．1 欧拉-欧拉双流体模型

4．2．2 湍流模型

4．2．3 相间作用力模型

4．2．4 气泡尺寸处理模型

4．3 数值模拟策略

4．3．1 搅拌槽及搅拌桨的几何模型

4．3．2 网格划分

4．3．3 边界条件设定

4．3．4 模拟流体的物性参数

4．3．5 其它相关设置

4．4 模拟结果

4．4．1 宏观流场

4．4．2 局部气含事

4．4．3 同心双轴搅拌器和单轴搅拌器的对比

4．4．4 实验和数值模拟结果对比

4．4．5 气穴结构

4．4．6 剪切速率

4．4．7 气泡尺寸

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历