同心双轴搅拌器混合、传热和功耗特性的研究

摘要

混合是最基本的单元操作，在过程工业应用广泛。搅拌器对混合过程的实现至关重要，要求其具有良好的混合性能和传热特性。传统搅拌器大多为单轴搅拌器，适用的粘度范围较窄，而双轴搅拌器很好的克服了这一弊端，具有宽粘度适应性。但目前有关双轴搅拌器性能的研究很少，其优化设计与应用缺少指导。因此，结合同心双轴搅拌器工程应用的现实工况和需求，本文对由内部高速双层桨（上层桨为四斜叶涡轮桨，下层桨为六直叶圆盘涡轮桨）和外部低速框式桨组成的双轴搅拌器在层流和过渡流区的混合、功耗及传热性能进行了实验研究和数值模拟。
　　 实验在直径和高度均为1000mm的带标准椭圆封头底的不锈钢制双轴搅拌釜平台上进行。搅拌釜外侧焊有螺旋缠绕的半管夹套，夹套内通导热油或冷却水对釜内物料进行加热或冷却。实验过程测定了同心双轴搅拌器在三种运动模式（单轴搅拌、双轴反向和双轴同向）下的传热参数，计算了各工况下釜体内壁面的平均传热系数，同时依据实验数据通过拟合回归得到适于该配置双轴搅拌器的传热关联式。
　　 利用商业软件Fluent对双轴搅拌器的混合特性、功耗特性和传热特性进行了数值模拟。通过将不同工况下混合特性（流场、速度场、质量流量、剪切率和流量准数）和功耗特性数值模拟结果的比较，明确了适宜的运动模式和优化的操作参数;通过数值模拟，还得到了搅拌釜内壁面的局部传热系数，可以更好地了解双轴搅拌器的传热性能。
　　 本文对同心双轴搅拌器的实验与数值模拟研究表明，双轴搅拌在粘稠体系中的综合性能优于单轴搅拌，内外桨同向旋转模式下的混合效果较好、功率消耗较少，且所建立的传热关联式满足工程计算的要求。这些定性和定量的研究成果对于双轴搅拌器的优化设计与运行具有一定的参考价值，一定程度上促进了同心双轴搅拌器由经验设计向规则设计的迈进。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 搅拌反应器简介

1．2．1 搅拌容器

1．2．2 换热元件

1．2．3 搅拌器

1．3 实验研究

1．3．1 流场分析

1．3．2 混合特性

1．3．3 功率特性

1．3．4 传热特性

1．4 数值模拟

1．4．1 湍流模型

1．4．2 旋转桨叶处理方法

1．4．3 数值模拟现状

1．5 本文研究目的和研究内容

2 实验装置和测量方法

2．1 实验装置与物料

2．1．1 实验装置

2．1．2 搅拌桨

2．1．3 实验物料

2．2 实验测量

2．2．1 粘度的测量

2．2．2 转速、扭矩和温度的测量

2．2．3 功率测定

2．2．4 传热系数的测定

3 双轴搅拌器传热特性的实验研究

3．1 引言

3．2 传热计算

3．2．1 总传热系数

3．2．2 威尔逊法求搅拌侧传热系数

3．2．3 壁温法与威尔逊法的比较

3．2．4 实验数据与理论预测值的比较

3．2．5 双轴搅拌器的传热关联式

3．2．6 夹套侧的传热系数

3．3 小结

4 双轴搅拌器的数值模拟

4．1 引言

4．2 CFD简介

4．2．1 CFD优缺点

4．2．2 流体力学控制方程

4．3 数值模拟前处理

4．3．1 求解区域和计算方法

4．3．2 网格的划分和边界条件

4．4 功耗特性

4．4．1 单桨功耗模拟

4．4．2 双轴系统功耗模拟

4．4．3 双轴系统电机的选型

4．4．4 功耗数值模拟结果的验证

4．5 混合特性

4．5．1 速度矢量图

4．5．2 流线圈

4．5．3 速度分布

4．5．5 剪切特性的分布

4．5．6 质量流量分布

4．6 传热特性的数值模拟

4．6．1 求解区域和计算方法

4．6．2 网格的划分和边界条件

4．6．3 传热计算结果分析

4．7 小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简介