搅拌槽内部流动分析及实验研究
轴流桨搅拌槽广泛应用于化工、医药、食品、冶金、石油和水处理等工业过程中,其内部流动特性对产品质量、工艺设计及设备的优化设计有非常重要的影响。本文通过理论分析、PDPA测量及实验观测对搅拌槽内单相体系和固液两相体系的流动特性进行较为系统的研究,为搅拌设备应用基础研究及优化设计提供指导和参考。
在直径为300mm的平底有机玻璃搅拌槽内,保持液深与槽径相等,采用PDPA测试技术对单相流场时均速度、脉动速度进行测量,研究了不同构型参数和操作参数下搅拌槽内轴向流动、轴向对流循环和完全湍流状态的相关参数的空间分布规律。采用固体激光发射器对固液两相体系悬浮状态进行实验观测,详细分析了叶轮离底间隙、桨型和颗粒性质对悬浮状态的影响,定量分析了悬浮高度和壁面颗粒堆积高度与完全离底临界悬浮转速的关系。在直径为340mm的平底有机玻璃搅拌槽内,保持液深与槽径不变,采用观测法研究了无挡板搅拌时高浓度固液两相体系悬浮特性,考察了叶轮离底间隙、桨型及偏心率对悬浮效果的影响,提出无挡板搅拌时完全离底临界悬浮转速的判据。本文的主要研究结论及成果如下:
1、通过理论分析与实验研究,确定搅拌槽内轴向流动的特征尺度,提出搅拌槽内三维壁面射流模型,建立搅拌槽内三维壁面射流方程,揭示搅拌槽内轴向流动特征。轴向速度沿径向的分布具有相似性,轴向最大速度沿轴向衰减,轴向流边界沿轴向线性扩展。
2、搅拌槽内轴向对流循环的有效作用范围关系到叶轮宏观特性参数的确定。轴向对流循环的有效作用范围为搅拌槽容积的2/3,独立于叶轮的直径、离底间隙和转速,这部分流体的混合受槽内三维壁面射流控制；搅拌槽内其余1/3容积为混合弱区,流体的混合受槽内宏观不稳定性的支配。
3、采用量纲分析和渐近不变性分析,确定搅拌槽内三维壁面射流的特征速度和特征长度为槽内完全湍流状态的特征尺度,获得用于评定槽内完全湍流界限的轴向速度分布曲线,建立了可根据搅拌操作时叶轮雷诺数的大小初步预测搅拌槽内流体流动状态的数学模型。
4、混合操作中加料位置应处于对流循环的有效作用范围内,对于要求全槽完全湍流的搅拌操作,应考虑采用多层桨-槽体系,以降低单桨操作时的高能耗。同时,层间距应控制在单桨的有效作用范围以内,以达到良好的混合效果。
5、对于有挡板固液悬浮操作:(1)叶轮离底间隙对搅拌槽内悬浮状态影响很大。低离底间隙有利于颗粒的悬浮,能获得较高的悬浮高度,但过低的离底间隙消耗的功率大。叶轮离底间隙越小越易出现清液层,清液层对悬浮性能有影响；(2)搅拌槽内颗粒不易悬浮区有两个:槽底面中心区域和槽底面角落区域,叶轮离底间隙和固体体积浓度对何处颗粒最后悬浮有影响。槽底面距槽底中心半径约为50～10 mm的环形带区域属于颗粒易悬浮区；(3)壁面颗粒堆积高度主要受叶轮离底间隙的影响,而受固体体积浓度的影响很小。可以将搅拌槽壁面颗粒堆积高度降为零时的搅拌转速作为完全离底临界悬浮转速,特别对于固体体积浓度大于30％的固液悬浮操作；(4)悬浮高度与桨型、叶轮离底间隙、颗粒直径和固体体积浓度有关,与颗粒材质无关。对于固体体积浓度在10％～40％范围内的固液悬浮操作,可以将悬浮高度达到液面高度85％位置时的搅拌转速作为完全离底临界悬浮转速。
6、对于无挡板固液悬浮操作:(1)低离底间隙有利于颗粒的悬浮,无挡板搅拌不产生清液层；壁面颗粒堆积高度沿搅拌槽周向呈现波浪形分布,造成搅拌槽底部角落区的固体颗粒不能沿周向同时悬浮；(2)偏心搅拌不利于高浓度固液两相体系的悬浮操作,随偏心率的增大,颗粒临界悬浮转速和搅拌功率消耗均增大；(3)对于同轴搅拌,壁面颗粒堆积高度为零时的搅拌转速即为完全离底临界悬浮转速；对于偏心搅拌,近壁侧壁面颗粒堆积高度为零时的搅拌转速即为完全离底临界悬浮转速；(4)无论有挡板还是无挡板悬浮操作,在搅拌槽壁面和底面的连接处采用圆角过渡都是十分必要的,平底搅拌槽不适于固液悬浮操作。
过程机械;轴流桨搅拌槽;内部流动;固液两相体系;PDPA测试
江苏大学
博士
化工过程机械
杨敏官
2010
中文
TQ051.7;O359.1
133
2010-12-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）