文献综述-高粘弹塑性物料捏合机设计.doc

本科生毕业设计(论文)文献综述学 院： 工业装备与控制工程 专 业： 过程装备与控制工程03（2） 学 号： 姓 名： 设计题目： 高粘弹塑性物料捏合机设计 指导教师： 华南理工大学工业装备与控制工程学院制2007年 3月 22日1. 国内外现状拌设备是化学工艺中进行各种物理过程与化学过程应用最广的典型设备之一，在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。搅拌设备在很多场合是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器，约占反应器总数90%。搅拌设备的作用为：使参加反应的物料充分混合；使气体在液相中很好的分散；使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮；使互不相溶的液体之间产生均匀悬浮或充分乳化；强化传质及传热。其特点是：温度易于控制；操作灵活（可按生产需要进行间歇，半间歇或连续操作）；浓度及停留时间的可控范围较广；对大容量和反应时间长的反应，经济效果明显，等等。目前国内外许多公司和研究机构, 都致力于新型高效节能型搅拌桨的研究开发。如轴流桨的开发, 在国外比较有名的是加拿大Rp rchem 公司研制的M axf lo 桨, 该桨比传统的圆盘涡轮桨传质系数提高40% , 功耗降低了50% 2 ; 美国L igh tn in 公司研制的A 315 桨, 适用于气液传递, 持气量比圆盘涡轮桨高80% ,功耗降低45% , 产量提高10% 50% , 而产生的剪切力为一般桨的1.4; 另外, 还有德国Ekato 公司研制的In terno ing 桨, 法国Rob in公司的HPM 轴流桨等 3, 4 。国外出现的比较典型的径向流搅拌器有Ru sh ton 桨等, 这些精心设计的桨叶针对特定的工艺要求, 达到最佳的搅拌效果和节能效果。2. 研究方向：新型桨研制展望：(1) 新型桨的设计由经验设计向理论设计方向发展以前桨的开发的技术路线为: 提出新型桨设计概念试制新桨型进行实验测试发现1 1 化工装备技术第25 卷第4 期2004 年，存在的问题提出改进措施试制改进后的桨型, 如此反复。现在, 在桨的研发过程中, 运用计算流体动力学CFD(Compu tat ional F lu id Dynam ics) 软件帮助和指导设计是发展的趋势。CFD 可以帮助预测各种搅拌桨型的流场分布、计算搅拌功耗、混合速率及混合效率等, 减少桨研制过程中不必要的实验。目前国内外在这方面已经做了许多有益的尝试, 如Hervey、Ranade、Fokem a 等利用CFD 对传统搅拌桨(如直叶涡轮、斜叶涡轮) 的流场进行了较为详细的研究 15, 16, 17 ; 国内的于鲁强等也运用CFD 对刮壁式搅拌桨进行了成功的模拟 18 。这些工作为后期的传统桨型的改造和新型桨的开发奠定了一定的基础。(2) 搅拌桨的性能研究由宏观研究向微观研究方向发展对于搅拌桨的性能研究, 以前往往只是注重于对搅拌器宏观性能的研究, 如通过测定混合时间、桨的排出流量、混合的均匀度、搅拌功率等参量来评定桨的优劣。近年来, 研究者发现搅拌技术的核心是要弄清对某一类混合(如固- 液或液- 液混合) 需要什么样的流场,从而使用什么型式桨型和怎样的操作条件才能以最少的能耗来获得所需的流场, 因而研究的重点越来越注重于对搅拌的微观研究, 即对搅拌流场的研究。(3) 搅拌桨的结构由单一化向优化组合方向发展现代化学工业越来越向复杂化和大型化方向发展, 对物料之间的混合提出了许多新的要求, 如好气操作中, 既要使气体分散, 强化氧传递, 又要促进循环, 实现全罐均匀, 而单一桨型难以满足这种双重的目的。针对不同的工况国内外已研制出许多不同的组合桨 12, 13, 14 , 但这些组合桨基本上都是对现有桨型进行组合和叠加, 而对组合桨的整体结构和各部分尺寸进行优化设计报道却较少, 这也是国内外组合桨所需研究的一个方向。3. 进展情况： 国内搅拌桨的开发起步较晚, 约始于20 世纪80 年代后期, 现阶段研制工作主要集中在： (1) 对桨型结构的改进和开发(包括对国外引进的新型桨进行仿制)。如对传统的桨型进行改进或利用科技工作者工作经验积累和实验测试数据开发新型桨, 出现了改进自混式圆盘涡轮搅拌器(简称SDT )、CBY 桨、LA 桨、M T 桨和JH 桨等。(2) 注重对搅拌桨流场和性能的研究。通过从国外引进或自编的软件, 对搅拌桨流场进行模拟或图象处理, 研究搅拌桨的流场特点和动力学特性, 为新型桨的设计和工业放大提供了有力的参考。相比之下，国外对粘弹性流体在搅拌过程种的数值模拟较多，其主要研究目的有以下几个方面： （1）以实验和模拟相结合的方法评价各种搅拌桨装置的混合性能参数。如Philippe A等人（1997）提出了一种适用于处理具有流变性流体的新型搅拌装置双螺带涡轮搅拌桨，这种搅拌桨的双螺带和涡轮的旋转速度不同，他在模拟过程中流体采用幂率方程，并在pumping（泵出能力）、dispersion capabilities（分散能力）和功率消耗三方面比较了这种新型搅拌桨比标准双螺带桨有很好的混合性能； Weiguang Yao等人（2001）对日本工业中常用的MAXBLEND搅拌桨进行了数值模拟，并与标准双螺带搅拌桨进行对比，发现标准双螺带桨虽然在搅拌槽中虽然能产生很好的轴向循环，但混合性能不佳。Arash Iranshahi等人（2006）对Ekato Patavisc 搅拌桨在非牛顿流体中的搅拌过程进行了数值模拟，功率消耗与实验值的相对误差为11.3。 （2）提出新的功率消耗计算模型及评价指标，如Guillaume Delaplace等人基于流管分析法提出的功率计算模型能够很好地解释搅拌几何参数和非牛顿流体流体流动指数对Ks的影响；Weiguang Yao等人采用分散混合效率和NPD（Number of passages distribution）函数来比较MAXBLEND搅拌桨与标准双螺带的混合性能优劣。 （3）研究搅拌流场的混合机理。如二次流的产生机理、弹性对流动流型和功率的消耗等。PauloAshwin W对不同桨叶角度、桨叶螺旋度、桨叶宽度、桨径、桨在槽中位置的40种轴向流搅拌桨在湍流混合时的流型进行了模拟，并采用多普勒测速议进行了实验验证，结果发现无因次混合时间与搅拌桨产生的二次流数成反比，并且发现在混合时间不变的情况下可以将涡流扩散率减少20，从而减少了操作费用；F. Bertrand 从粘弹性流体模型CEF方程出发，简化推导了用于boger（一种具有恒定粘度和弹性的流体）的流动模型，用功率关联式展示了流体的弹性对功率的影响。国内外开发出了许多新型搅拌桨, 它们在各自的应用领域都取得了较好的经济效益。因而开发高效、节能的新型搅拌器并对其性能进行充分研究, 使其更好地应用于过程工业, 对改造我国传统工业设备, 推动我国工业经济的发展具有重要意义。4. 存在问题国内搅拌桨的开发起步较晚, 约始于20 世纪80 年代后期，国内大多数学者对粘弹性流体搅拌过程研究采取实验方法，对粘弹性流体搅拌过程模拟的研究较少。对于高粘性流体和非牛顿流体的混合，如果溶液在湍流状态混合，搅拌桨的功率消耗将迅速升高；同时，很高的搅拌速度也使溶液的最终粘度降低而达不到工业使用要求。一般对高粘度和非牛顿流体的混合都在层流区，依靠二次流的拉伸折叠断裂机理进行混合。在实际工业生产中，适用于高粘度流体和非牛顿流体的新型搅拌桨有两个发展方向，一是对敞式叶轮的放大（放宽叶片和放大直径）；另一种是小间隙设计，例如锚式和螺带式搅拌桨。搅拌桨作为搅拌混合设备中的重要部件之一, 它提供了搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态, 因而, 对它进行合理的设计是达到高效、节能的搅拌效果和生产要求的关键要素。然而国内外的调查表明, 在上述行业中存在桨型单调、选型不合理、结构与操作参数远离优选值、规模效益低等问题 2 。这严重干扰了企业的正常生产。5. 参考依据（1）陈志平，章序文，林兴华等。 搅拌与混合设备设计选用手册。 化学工业出版社。（2）王凯，虞军等。 搅拌设备。 化学工业出版社。（3） 潘家祯。 新型搅拌浆研究进展。 化工装备技术 第25卷 第4期 2004年。（4）王凯. 非牛顿流体的流动、混合和传热M . 杭州: 浙江大学出版社,1988. 159。（5）永田进治. 混合原理及应用M . 马继舜等译. 北京: 化学工业出版社,1984. 27。（6.）顾雪萍, 冯连芳,