搅拌槽内高粘度流体混合性能实验研究及数值模拟

摘要

在工业生产中，经常出现某种工艺流程在不同的反应阶段物料粘度变化范围很宽的情况，传统高粘度流体混合搅拌桨，如螺带式桨、锚式桨、最大叶片式桨，在过渡域及湍流域内的混合效率较低;而湍流域常用搅拌桨，如直叶桨、斜叶桨、涡轮桨等在高粘度流体中作用区范围有限，无法达到全槽循环流动。目前，多层较大桨径的开式桨组合操作方式被提出应用于上述工况。本文以FCC催化剂生产工艺为背景，采用较大桨径的三叶后掠式桨与CBY桨的组合桨搅拌型式，对不同参数的三叶后掠桨及其与CBY桨组合操作的功率及混合特性进行实验研究和数值模拟。
　　本研究采用内径为476mm的椭圆封头搅拌槽，选取不同粘度的糖浆水溶液作为模拟物料，液位H/T=1.0。改变三叶后掠式桨的叶轮直径D，曲率半径r，叶根角θ，叶片宽度w等参数，研究几何参数改变对三叶后掠式桨及组合桨搅拌功率及混合特性的影响;此外利用CFX数值模拟软件，对层流域及湍流域内，不同几何参数的三叶后掠桨流型、速度分布及不同直径三叶后掠桨的作用范围进行研究。实验结果表明:层流域内，D/T=0.7的三叶后掠式桨沿径向的作用范围可以达到槽壁，轴向作用范围可达H有效/D=0.8;三叶后掠桨的曲率半径和叶轮宽度的增加，均会使搅拌桨的功率准数增加，而叶根角的增大使得功率准数减小;通过功率及混合性能测试，叶根角为20°的三叶后掠式桨混合效率最高。推荐采用三叶后掠式桨（D/T=0.7，r/D=0.333，θ=20°）与CBYW桨的双层组合桨形式应用于FCC催化剂生产等类似工业过程生产中。利用CFX软件进行的数值模拟发现:对于层流域的流场而言，单层三叶后掠搅拌桨沿径向的作用范围约为1.4倍的搅拌桨直径。层流域内，D/T小于0.7时，在槽壁附近将存在流动死区。另外，增加三叶后掠桨的曲率半径r对流场的影响不大，但叶根角的增大，可以提高三叶后掠搅拌桨的轴向循环能力，较高速流体（V＞0.2VTs）区域的轴向高度可增加10％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 搅拌操作混合机理

1．2 粘性流体的定义及其混合机理

1．3 粘性流体混合的研究方法

1．3．1 搅拌器的功率消耗

1．3．2 搅拌器的混合时间

1．3．3 搅拌操作的混合效果及效率

1．3．4 实验室粘性模拟物系

1．4 高粘度性流体混合搅拌器设备

1．4．1 螺带式搅拌器

1．4．2 锚栅式搅拌器

1．4．3 三叶后掠式(Pfaudler)桨

1．4．4 复合式搅拌器

1．5 高粘度性流体混合研究结果

1．5．1 螺带桨研究结果

1．5．2 锚式桨研究结果

1．5．3 三叶后掠式桨研究现状

1．5．4 复合式桨研究现状

1．6 FCC催化剂制备工艺

1．7 搅拌器的放大

1．7．1．几何相似及动力相似

1．7．2．不同搅拌目的几何相似放大

1．8 CFD数值模拟及研究进展

1．9 小结

第二章 实验装置及测试方法

2．1 搅拌装置

2．1．1 搅拌槽

2．1．2 搅拌桨

2．2 实验物系选择及流变特性的测试方法

2．3 测试方法

2．3．1 搅拌转速的控制与测试方法

2．3．2 搅拌器功率消耗的测试与计算

2．3．3 混合时间测量

第三章 三叶后掠及组合桨功率与混合特性实验研究

3．1 三叶后掠桨功率特性研究

3．1．1 清水及极低粘度流体(湍流域内)中三叶后掠式桨的功率特性

3．1．2 高粘度流体中(层流域内)三叶后掠式桨的功率特性

3．1．3 中等粘度流体中(过渡域内)三叶后掠桨的功率特性

3．1．4 小结

3．2 CBY桨功率特性研究

3．3 组合式多层桨的功率特性研究

3．3．1 单层桨与组合桨的功率对比

3．3．2 几何参数对双层组合桨的功率特性的影响

3．3．3 几种优化组合桨功率测定

3．4 混合特性研究

3．4．1 CBY桨与三叶后掠式桨宏观作用区间

3．4．2 无因次混合时间与雷诺数评价

3．4．3 混合时间与单位体积功评价

3．4．4 混合效率数与雷诺数评价

3．4．5 桨型推荐及进一步实验建议

第四章 三叶后掠桨数值模拟研究

4．1 模拟方法

4．1．1 网格划分

4．1．2 模拟对象及边界条件

4．2 数值模拟与实验结果对比

4．3 高粘度流体中三叶后掠桨流型分析

4．3．1 曲率半径对三叶后掠式桨流场的影响

4．3．2 叶根角对三叶后掠式桨流场的影响

4．3．3 叶轮直径对三叶后掠式桨流场的影响

4．4 层流域与湍流域中三叶后掠桨流场分析

4．5 小结

第五章 主要结论

参考文献

致谢

作者及导师简介