（化学工程专业论文）搅拌釜过程模拟、设计和放大软件的开发.pdf

摘要 混合在化学、制药、食品等工业的许多过程中是一个核心的步骤。过程工程 师特别是中小型化工企业的工程师，经常要面对关于混合设备的选择、设计、放 大和优化的问题。对混合设备的设计、选型和优化的研究已经有半个多世纪的历 史了，也得到了许多比较成熟的经验公式用于搅拌设备的设计。但是总的来说工 程师们对混合这领域的重视程度还不够，对于混合设备的设计知识掌握的还十 分有限，而且面对越来越复杂的设计问题，传统的手工计算已经不能满足要求了。 为了解决这些问题，使没有很深的混合理论根底的一般工程师能够很顺利的进行 混合设备的设计、选型和优化，我们自主开发了一种具有友好的图形用户界面， 很高的可靠性，完整的数据库，直观的设计过程，比较高的计算精度，方便的升 级和网络功能的设计软件一m i x e r l 0 来模拟混合设备的整个设计过程。这种设 计软件使工程师们可以针对均相液体混合物，固一液混合，气一液混合和传热这些 混合过程选择和设计搅拌设备。文章同时阐述了m i x e r 0 的设计模型和开发步 骤，这些设计模型主要来源于国际上多年来从事混合研究所得到的最新成果。为 了使普通的工程师也可以方便的进行搅拌桨的选择，m i x e r l 0 设计了一个用于 搅拌桨的选择的专家系统，并且阐述了用于搅拌釜设计的搅拌桨选择专家系统的 主要模型和建立过程。所谓专家系统，实际上是以知识库为核心进行问题求解的 计算机程序，即基于知识的智能系统。经过比较，目前世界上晟流行的编程工具 一j a v a 语言中的比较成熟的集成开发环境由b o r l a n d 公司出品的j b u i l d e r 9 0 企业 版被用来作为开发m i x e r l 0 的工具。并且m i x e r l 0 针对一部分混合过程进行了 实际计算，取得了比较令人满意的结果。 关键词：混合设计和放大模拟专家系统软件开发j a v a 语言 a b s t r a c t m i x i n gi sac e n t r a lf e a t u r eo fm a n yp r o c e s s e si nt h ec h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o d i n d u s t r i e s ，e t c p r o c e s se n g i n e e r s ，e s p e c i a l l ya tm i d d l eo rs m a l ls c a l ec o m p a n i e s ，a r e o f t e nf a c e dw i t ht h ep r o b l e m so fm i x i n ge q u i p m e n ts e l e c t i o n ，d e s i g n ，s c a l e u pa n d o p t i m i s a t i o n 、t h er e s e a r c hi n t h i sa r e ah a sah i s t o r yo fo v e rh a l fc e n t u r ya n dm a n y e m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sh a v eb e e no b t a i n e df o rd e s c r i b i n gm i x i n gp r o c e s s e s h o w e v e r , k n o w l e d g eo nt h i sf i e l di s s t i l lm u c hl i m i t e da n dm o r ea t t e n t i o n sn e e dt ob ep a i d s i n c em i x i n gp r o c e s sb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，i t sv e r yd i f f i c u l tt oc a r r y o u td e s i g nd u t i e sw i t h o u ta n ys o f t w a r et o o l ，e s p e c i a l l y , f o rn o n e x p e r i e n c e de n g i n e e r s m i x e r l 0w h i c hi sas o f t w a r et h a tc o u l ds i m u l a t et h ew h o l em i x i n gp r o c e s sw i t h u s e r - f r i e n d l yg u i ，h i g hr e l i a b i l i t y , i n t e g r a t e dd a t a b a s e ，v i s u a ld e s i g n i n gp r o c e s s ，h i g h c a l c u l a t i n ga c c u r a cy ，c o n v e n i e n tu p d a t i n ga n dn e t w o r kf i m c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y t h es o f t w a r ei st oe n a b l ee n g i n e e r st os e l e c ta n dd e s i g na g i t a t o r sf o ra n u m b e ro fm i x i n gd u t i e ss u c ha sb l e n d i n go fm i s c i b l el i q u i d s ，s o l i d - l i q u i dm i x i n g ， g a s l i q u i dm i x i n ga n dh e a t t r a n s f e r t h e p a p e ra l s o d e s c r i b e st h em o d e la n d d e v e l o p i n gs t e p so fm i x e r l 0 ，t h em o d e l su s e di nt h i sw o r kr e p r e s e n tt h em o s t a d v a n c e do u t c o m e si nt h i sa r e a a ne x p e r ts y s t e mi nm i x e r l 0i sa i s od e v e l o p e df o r t h es e l e c t i o no fi m p e l l e r st oe n a b l en o n e x p e r i e n c e de n g i n e e r st od oi te a s i l y , a n dt h e m o d e l sa n dd e v e l o p i n gp r o c e s so ft h i se x p e f ts y s t e mi sa n o t h e rs u b j e c to ft h i sp a p e t t h ee x p e r ts y s t e ma c t u a l l yi sak i n do fc o m p u t e rp r o g r a mb a s e do nk n o w l e d g eb a s e t os o l v ep r o b l e m s ，i ns h o r ti t sa ni n t e l l i g e n ts y s t e mb a s e do nk n o w l e d g e j b u i l d e r 9 0 e n t e r p r i s ee d i t i o ni se m p l o y e df o rt h ed e v e l o p m e n to fm i x e r l 0 ，w h i c hi so n eo ft h e r i p ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ti nj a v aa n dt h em o s tp o p u l a rp r o g r a m m i n g t o o la tt h ec u r r e n ts t a t e v a l i d a t i o n so fm i x e r l 0h a v eb e e nd o n ew i t hs o m ep r a c t i c a l m i x i n gp r o c e s sd a t aa n dr e s u l t ss h o wg r e a ts a t i s f a c t i o n s k e y w o r d s ：m i x i n g ，d e s i g na n ds c a l e - u p ，s i m u l a t i o n ，e x p e r ts y s t e m ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，j a v a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字日期： ) 。r 年月增日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：上。吖年i 月乎目签字日期：7 舶f 年f 月侈日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 l - 1 论文的背景和意义 第一章前言 间歇操作是中小型化工企业经常进行的操作方式，这种操作方式具有转产 快，操作灵活、方便等优势。混合过程是一般间歇操作中必须的单元操作过程， 因此混合式反应器的设计对于中小型化工企业是十分重要的。而中小型化工企业 在整个化工产业中又具有举足轻重的作用，以欧洲为例：在欧洲化工厂是大规模 的工厂之一，其年资本总额超过3 0 万亿英镑，员工超过3 0 万，其中中小型化工 企业的数量约为3 0 0 0 超过化工企业总数的8 0 ，雇佣员工8 3 万，每年为欧洲 经济贡献9 万亿英镑，可以说中小型化工企业是欧洲化工工业的重要部分。不管 这些企业的规模有多小，他们与跨国化工企业一样具有相同的技术和商业要求， 主要包括： 1 逐渐完善的环境法规和公司形象要求； 2 节能的要求； 3 竞争特别是来自国外的竞争： 4 顾客苛刻的产品质量要求； 5 缩短市场推广时j 创； 6 降低资本投入。 搅拌釜是通过对物料在反应器内混合与流动状况的研究，利用研究所得的经 验公式设计出来的，十分适合中小型化工企业生产的需要。研究表明，超过5 0 的化工过程是在搅拌反应器中进行的间歇操作，在中小型化工企业中这个比例还 要更高，因此混合器设计和操作水平的提高对化工生产的生产过程、安全、产品 质量和能耗有重大影响。 在现代化工生产中，混合在包括化工产品的加工等许多生产过程中有重要作 用。过程工程师们经常要丽对许多问题，包括混合设备的选择、设计、放大和优 化。可选择的混合设各很多，但是通常可以归为两类： 1 由运动的机械部件完成混合，比如机械搅拌釜，转子搅拌。 2 由固定机械部件完成的混合，比如静态混合器，喷射，填充床，鼓泡床， 塔盘。 其中机械搅拌釜仍然是化工厂应用最普遍和方便的混合设备。 我们编写这个软件的目的就是帮助工程师选择和设计搅拌器以满足各种混 天津犬学硕士学位论文 第一章前言 合要求。搅拌过程可以分为四种情况： i 均相液体混合物 2 固液混合 3 气一液混合 4 ，传热 任何一个简单过程都可能由阻上一种过程控制，但是两种或更多过程的耦合 可能也很重要。搅拌器型号和尺寸、转速和操作方法的选择依赖于每种操作将产 生的结果。比如某些操作最好选用大直径、低速的搅拌器，而另一个操作却要运 行小直径、快桨才行。如果是一个间歇循环过程，就要根据整个过程的需要选择 一个最优的方案进行操作。而这一切对于工程师来说太繁琐了，需要耗费大量的 人力和时间进行计算。为了满足工业中的需求，就必须开发一种设计软件从而使 一般的工程师就可以独立的进行混合设备的设计，所要开发的软件必须满足以下 要求：软件的计算精度较高：软件的操作简便；在搅拌容器的设计和搅拌桨选择 部分要能直观的显示出设计过程；软件要包含一个物性数据和搅拌设备参数比较 全的数据库：针对各种混合物系的计算方法要有利于以后的升级和维护。 我们自主开发的搅拌釜设计和放大软件m i x e r l 0 就可以满足这些要求。同 时为了使越来越多的工程师认识到混合过程的重要性，本软件还可以作为普通高 等院校在混合理论、反应器设计等课程的辅助教学工具和中小型化工企业进行人 才培训时的辅助培训工具。所以本软件是使用j a v a 语言编写的模拟混合设备设 计过程的既可以用于企业设计混合设备，又可以用于教学的实用工具。 1 2 论文的内容 本文主要介绍搅拌釜的模拟、设计和放大的基本理论、模型、步骤和搅拌式 反应器设计、放大软件和搅拌桨选择专家系统的软件开发。 第一章前言指出课题的背景和意义。 第二章是混合基本理论，这是搅拌釜设计软件的模型，同时指出了搅拌釜设 计的基本步骤。 第三章介绍了计算机辅助设计和专家系统主要概念，进行了自主开发的搅拌 釜设计软件m i x e r l 0 的开发软件的选择，提出了m i x e r l 0 的功能和基本组成。 第四章讲解m i x e r l 0 各设计模块的的功能、计算方法、模型和计算流程。 第五章m i x e r l 0 的安装使用方法和两个具体的设计实例。 第六章是文章的结论和建议。 天津人学硕士学位论文第二二章混合的基本理论 第二章混合的基本理论 本软件主要针对用于间歇过程的机械搅拌釜的设计，内容主要涉及均相液体 混合物、固一液混合、气一液混合和传热等混合过程的基本理论。 2 1 文献综述 2 1 1 标准混合釜的几何尺寸 在混合的领域中一个很重要的也是入门的概念就是标准搅拌釜的几何尺寸 从大量出版的专著和论文中 可咀总结出，通常这样定义 标准搅拌爷：搅拌釜的标准 尺寸是有效高度h ( 液面高 度) 与釜直径r 相等。釜中 装有四个垂直挡板，挡板宽 度为1 0 ，且与釜壁的问隙 为t 6 0 。搅拌轴在中央，搅 拌桨直径d - - t 3 ，通常搅拌 桨与釜底间隔c = t 3 。如果 搅拌桨装配有桨叶，桨叶长 度l = d 4 ，宽度w = d 5 ，有 六个桨叶珊= 6 ，如图2 - 1 所 示。当然在混合过程中也不 图2 i 搅拌釜标准尺寸示意图 总是使用标准混合釜，经常 f 谴2 is c h e m a t i cd i a g r a mf o rs t a n d a r dt a n k 会根据所要处理的物系的特 g e o r i l e t r y 点使用偏离标准几何尺寸的 混合釜，表2 一l 列出了一部分偏离标准尺寸的搅拌釜的参数吐 混合釜，表2 一l 列出了一部分偏离标准尺寸的搅拌釜的参数吐 天津大学硕士学位论文第二章混合的基本理论 第二章混合的基本理论 本软件主要针对用于间歇过程的机械搅拌釜的设计，内容主要涉及均相液体 混合物、固液混合、气液混合和传热等混合过程的基本理论。 2 1 文献综述 2 1 1 标准混合釜的几何尺寸 在混合的领域中一个很重要的也是入门的概念就是标准搅拌釜的几何尺寸 从大量出版的专著和论文中 可以总结出，通常这样定义 标准搅拌釜：搅拌釜的标准 尺寸是有效高度h ( 液面高 度) 与釜直径7 t 相等。釜中 装有四个垂直挡板，挡板宽 度为t i o ，且与釜壁的间隙 为t 6 0 。搅拌轴在中央，搅 拌桨直径d = t 3 ，通常搅拌 桨与釜底间隔c = t 3 。如果 搅拌桨装配有桨叶，桨叶长 度l = d 4 ，宽度w = d 5 ，有 六个桨叶l i b = 6 ，如图2 - 1 所 示。当然在混合过程中也不 图2 - 1 搅拌釜标准尺寸示意图 总是使用标准混合釜，经常 f i g 2 1s c h e m a t i c d i a g r a m f o rs t a n d a r d t a n k 会根据所要处理的物系的特 g e o m e r r y 点使用偏离标准几何尺寸的 混合釜，表2 - 1 列出了一部分偏离标准尺寸的搅拌釜的参数口】。 天津人学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 表2 - 1 一般偏离标准搅拌釜几何尺寸的参数 t a b l e 2 1c o m m o nd e v i a t i o n sf r o ms t a n d a r dt a n kg e o m e t r y 偏离参数标准搅拌釜几何尺寸 非标准釜几何尺寸 日h = t月 t 挡板数 4 o 6 ，挡板类型也不同 c粥7 孢l o d们7 也嬲 ( 搅拌桨数) 11 搅拌桨位置固定在釜顶部，中央放置 固定在底部边缘放置 2 1 2 搅拌桨的型号和分类口 搅拌釜的设计其实从根本上说就是针对不同的混合物系选择合适的搅拌桨。 许多搅拌桨已经在工业中使用多年了，而有些是大公司的新产品，所以有必要简 单介绍一下。通常可以将搅拌桨分为四种：径向流动、轴向和混合流动、封闭形 和高剪切。 最普通的径向流动搅拌桨是r u s h t o nd i s ct u r b i n e ( 以下简称r d t ) ，它是在 j h e n r y r u s h t o n 用这种桨进行详细研究后而得名的。这种桨的桨身是一个圆盘， 盘上竖直装有六个桨叶( 也可以有8 、1 2 、1 6 个) 。桨叶也可以做成曲线状，如 c h e m i n e e rc o n c a v ed i s ct u r b i n e ( 以下简称c c d t ) 【、p f a u d l e rr e t r e a tc u r v e 等。 这类桨的形状见图2 2 。 r u s h t o nd i s ct u r b i n ec h e m i n e e rc o n c a v ed i s ct u r b i n ep f a u d l e rr e t r e a tc u r v e 图2 2 常用的径向流搅拌桨 f i g 2 - 2c o m m o nr a d i a lf l o wi m p e l l e r s 典型的轴向混合流动搅拌桨是m a r i n ep r o p e l l e r 和p i t h e db l a d et u r b i n e ( 以下 简称p b t ) 。但是通常m a r i n ep r o p e l l e r 可以被认为是真正意义上得轴向流搅拌桨， 而p b t 却不是，因为在它得流型中有一部分轻微的径向流动。其他的还有a 3 1 0 、 e k a t oi n t e r m i g 等，其形状见图2 3 。如图所示e k m oi n t e r m i g 至少有两个反方向 天津大学硕士学位论文 第二章泡合的基本理论 放置的桨且上面得桨稍小，而且每个桨顶端上都有桨叶也是反向放置的，这样当 搅拌时就会产生两个方向相反的轴向流动，小桨产生向上的流动，大桨产生向下 的流动，从而使流体在轴向上充分混合。轴向流和径向流的对比流型图5 见图 2 4 。 图2 - 3 常用的轴向流搅拌桨 f i g 2 3c o m m o na x i a lg l o wi m p e l l e r s 径向流流型轴向流流型 图2 - 4 径向流和轴向流流型示意图 f i g 2 4t y p i c a lf l o wp a t t e r n sd i s c h a r g e db yr a d i a lf l o w i m p e l l e r sa n da x i a lf l o wi m p e l l e r s 封闭形搅拌桨通常占据搅拌釜中很大的体积，这种桨用于高粘度流体和层 流区。典型的封闭形搅拌桨有锚式和门式，但是它在釜底和拐角处的搅拌效果不 是很好，尽管可以用加挡板的方法来弥补，这种桨通常与夹套传热联用。h e l i c a l r i b b o n 是效率较高的一种。这两种搅拌桨的形状见图2 5 。 天津火学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 图2 5 典型的封闭式搅拌桨图2 - 6 典型的高剪切式搅拌桨 f i g 2 5c o m m o nc l o s ec l e a r a n c ei m p e l l e r s f i g 2 6c o m m o nh i g hs h e a ri m p e l l e r s 高剪切搅拌桨是一个圆盘，在圆盘边缘有许多锯齿或小牙，这种搅拌桨耗功 很小，可以在高转速下操作。主要型号是s a w t o o t hi m p e l l e r ，通常用于分散过程。 这种搅拌桨常和其他类型得搅拌桨联用，比如在搅拌釜中央放置使流体产生流动 的轴向流搅拌桨，然后把s a w t o o t hi m p e l l e r 放置在远离中央的位置，并用高速驱 动，这样可以得到复合得流型。这种搅拌桨的形状见图2 - 6 。 2 1 。3 搅拌桨的选择 前面提到过搅拌釜设计的核心就是搅拌桨的选择，搅拌桨选择的一般规律见 表2 _ 2 1 6 1 。 表2 - 2 搅拌桨的一般选择原则 搅拌桨类型适用的混合过程 放射形流动搅拌桨湍流或过渡区( 中低粘度l o p a t s ) ，气一液、液一液 分散 轴向和混合流动搅拌桨湍流或过渡区，混合物、固体悬浮物和液液分散 封闭形搅拌桨层流区( 高粘度流体2 l o p a - s ) ，混合物和传热 高剪切搅拌桨分散( 液液或微小固体在液体中) 2 1 4 无因次准数 在混合过程中有许多非常重要的无因次准数，这些准数是非常重要的混合过 程参数，同时也是系统放大和许多特殊混合操作的标准。在混合过程中常用的一 天津大学硕士学位论文 第二章混台的基本理论 些准数【7 见表2 - 3 。 表2 3 混合过程中重要的无因次准数 准数定义式用途意义 雷诺数 r 。：业 反映流动状况 惯性力和粘性力的 r e 壮| 。 比 弗鲁德 丹：业 反映涡流形成惯性力和重力的比 数乃 韦伯数 耽：型竺鱼 反映多相系统传质 惯性力和表面张力 w e 盯 的比 努赛尔 m ：丝 传热 芷 数n u 普兰德 p 。：堡 反映自然和强制对 数n 七 流 2 1 5 搅拌桨的功率、扭距和梢速( 叶轮边缘速度) 搅拌桨的输出功率 8 1 通用式为：j p = p o p ，n 3 d 5 ( 2 1 ) 其中p 0 为功率数，它是多个变量的函数：桨罐直径比、桨和釜底的间隙、 桨浸没深度、桨尺寸和罐内尺寸等。对大部分搅拌桨来说而是船的函数。表 2 - 4 是r e 和的关系。从中不难看出放射形流动搅拌桨的功率数比轴向混合流 动搅拌桨高。几是液体的密度( k g m 3 ) ，根据不同的混合过程它的意义是不同的， 对于固液混合就要用平均密度p 。，代替。是搅拌桨转速( r p s ) ，同样对于不同 混合过程它的确定方法是不同的。d 是搅拌桨的直径。 表2 - 4 r e 和p o 关系表 流动区 雷诺数月p 的范围功率数p o 湍流区 r g 1 0 4 p o = c o n s t a n t 过渡区 1 0 2 r p 混合时间) ，那么设计来 作简易混合。如果反应动力学很陕”( 即反应时间 混合时间) ，而且反应是 天津大学硕十学位论文第二章惺合的基本理论 有选择性的，最好使用小直径的叶轮，因为它在罐里的叶轮区域里能产生较高的 能量分散速率。反应物应该加到叶轮桨叶顶端的正上方区域。 ( 4 ) 放大原则【1 2 l 理想的放大标准应该保持混合时间为常数。在湍流区域的放大时，混合时间 随着输入功率系数的增加只能保持常数。( 但是这样很不经济。) 对于那些需要高 强度混合的过程( 例如快速复杂的反应) ，要保持一定的处理量，在很大因素上 搅拌罐的放大并不总是一个可行的选择方案。通常可使用更多小规模反应器或者 使用高强度装置，例如管路混合器。在过渡流区域，放大标准是保持输入功率系 数不变。越小，则d 越大。 二、固液混合 在化工生产中生产固体或者生产中有产生固体一步的过程大约有7 0 ，固体 粒子和液体的混合可以提高两相问的传质。固液混合过程的设计包含两种情况： 固液悬浮和固体分散。 ( 1 ) 固体悬浮 固体悬浮要解决的问题是搅拌桨在多大转速下，可以使搅拌釜底部没有固体 粒子，因为在这个速度下固液两相间的传质进行的最有效。预测临界悬浮速度的 z w i e t e r i n g 关联【l3 】：i 警1i g a p 1 04 s 彰：s( 2 - 8 ) 、p l ) 、p l ) 其中儿是液体粘度( p a s ) ，儿是液体密度( k g m 3 ) ，却是固体和液体的密度差， 略是悬浮粒子直径( m ) ，x 是固体浓度，j 是无因次几何因子详见附录中的表1 。 r d 一4 h o ，例4 1 ( z s s c ) 协， 六直叶涡轮：s = ，一。( 争 12 ( z t z 了c + c ：t 。， p b t c 。一t s 。，：s = z z ，( 等) 。”( 。，。7 c + ) c z ， ( 2 ) 固体分布【1 5 1 固体分布要解决的问题是搅拌桨在多大速度下可以是固体均匀的分布在搅 拌釜中。大直径的倾斜叶片涡轮比小直径涡轮，在较低转速和能量输入时，更能 达到固体相的均匀分布。如果需要很高程度的均匀悬浮，就应该使用小时轮，因 为大叶轮的能量需求不容易满足。罐的出口位置影响排出料浆的浓度。如果出 天津大学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 口在罐壁面中心位置时，出口浓度= 主体浓度。使用每单位质量的功率为常数作 为放大的规则。为了达到均匀悬浮【i ”，叶轮转速= 1 1 1 5n j s ( 3 ) 固一液混合过程搅拌桨的选择【l 训 对于n j s 来说最合适的搅拌桨是功耗最小的搅拌桨，不同于均相液体混合物 的混合，在固液混合过程中几乎所有类型的搅拌桨的搅拌效果都是一样的，那 么评判一个搅拌桨比另一优越的标准是什么昵? 是搅拌釜釜底的形状，具体选择 标准见表2 5 。 表2 5 固一液混合过程搅拌桨选择的一般原则1 9 1 t a b l e 2 5g u i d ef o ri m p e l l e rs e l e c t i o nf o rs o l i d l i q u i dm i x i n gd u t i e s 任务釜底形状搅拌桨原因 固体悬浮平底大直径p b t径向流曲线 固体悬浮凹底 小直径p b t 或h y d r o f o i l 轴向流超线 固体分布平底或凹底大直径p b t 或复合搅拌桨釜内流动好 三、气液混合 气液混合器和固一液混合器一样通常用于提高相间传质，不同的是它是从气 相向液相传质，也可能是从液相向气相传质。生物发酵中两者都包含，氧气从空 气中传递到液体中使微生物发生呼吸作用，然后把产生的二氧化碳排出液体 2 0 】。 在固一液混合中传质面积决定于固体颗粒的大小和数量，同样在气液混合中传质 面积决定于气泡的大小和数量并且和混合釜中的搅拌强度无关【2 “。在气一液混合 中有三个重要的设计参数：载气功率、气体分率和传质系数。 载气功率 2 2 1 ( 昝岛( 甜( 掣厂 ( 2 1 2 ) 其中乃是通气后的搅拌功率( w ) ，纹是气体流量( m 3 i s ) ，观是表面张力( n m ) ， 相互作用常数n = ( 一0 2 5 ) ( 一0 5 ) ；户( - 0 2 ) ( 一0 3 ) ；k z = 0 5 1 。 气体分率【2 3 】：= 哎( 告 。( ”。广 c z 一- ， 其中螂g 是表面气速( m s ) ，相互作用常数a = 0 2 0 5 ；p = 0 6 0 9 ；k ：0 2 o 6 。 传质系数口4 ，：t = f 軎 8 。广 c ：- 。， 萁中k ，屉液相传质系数( m s ) ，a 县气湘的比表而积( m 2 m 3 ) 相百作用常新 天津大学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 a = 0 | 4 o 9 5 ；口2 0 1 ；k o = ( 1 1o ) 1 0 。 气泡尺寸口5 ，：九= 。，s ( 砑芳軎斋 5 ( 筹 o ”+ 。， c z t s ， 其中是气体粘度( p a - s ) ，卢c 是液体粘度( p a s ) 。 ( 1 ) 低粘牛顿型流体中的气体分散 2 6 1 在湍流区域，给定每单位体积的输入功率和表面气体速率，假若气体分散良 好，不管采用何种叶轮，传质系数砬口和气含率总是不变的。大直径涡轮比小叶 轮在分散一定量气体时耗费的功要少。对于小叶轮，溢流点对气流速率的变化更 加敏感。向上倾斜的叶片涡轮对于气体分散很有效。 ( 2 ) 中粘度流体中的气体分散 在过渡流区域( 1 0 3 r e 2 1 0 4 ) ，和湍流区域一样采用相同的规则选择叶轮。 气含率和传质系数随着液体粘度的增加而减小。 ( 3 ) 在高粘度流体中的气体分散【2 7 1 在5 0 r e 2 1 0 4t 2 ) ，c c d t 和r d t 处理更大气体量 中粘度牛顿型流过渡流，同上 同上 体间的气体分散1 0 3 r b 1 0 4 高粘度牛顿型流过渡流，同上或双圆盘和p b t同上 体间的气体分散 5 0 r e l o o 层流区域里的气层流，无 流体流速低不能 体分散 r e 5 0 达到较好的分散 高粘度非牛顿型 过渡流， e k a t oi n t e r m i g 对于一定的e ，传 流体的气体分散1 0 3 r e 2 1 0 4 质系数虹d 高 四、传热p 0 1 需要混合的化学过程常常需要向液体放热或从液体吸热。在一些过程中只需 要将液体加热或冷却到一个预设的温度，并在间歇循环中控制它。但是在其他过 程中热量是由于放热或吸热的化学反应而产生或消失的。这种热量必须移除或补 充以恒定液体温度从而保持化学反应进行的最佳反应条件。用于促进传热的搅拌 桨设计的概念和其他混合过程十分类似，主要有：流动，搅拌釜中能产生很好的 流动是十分重要的，这样才能使釜中液体最大限度与传热面接触，均相液体混合 物混合中的大量设计规则在这里也适用：表面积，混合过程中的液体与换热液体 问的接触面应该尽量大，从而得到最大的换热率；动力，混合过程中的液体与换 热液体间的温差越大，换热率越大。 混合过程中的传热通常有在搅拌釜外安装夹套和在搅拌釜内放置一系列内 盘管两种方式，换热介质流过夹套和内盘管，热量就通过换热面传递给混合过程 中的液体。 ( 1 ) 混合过程侧传热 ( i ) 牛顿液体在湍流或过渡流区( 3 l j 努赛尔数。：箪 尤 贿：竿咄。( 譬 。 半胎 7 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 天津人学硕士学位论文第二章混合的基本理论 其中，是过程侧传热系数( w ( m 2 k ) ) ，k 是导热系数( w ( m k ) ) ，是 质量热容( k j ( k g k ) ) ，f ，是过程侧液体在釜壁处的粘度( p a s ) ，k l 、a 、声、y 是参数其数值依赖于搅拌桨的类型、搅拌釜的几何尺寸、传热面积和流动区，经 典的数值是k l l = o 3 1 0 ，a = 0 6 7 ，p = o3 3 ，y = 0 1 4 。 ( i i ) 拟塑性液体在湍流或过渡流区f 3 2 1 传热率由釜壁或内盘管的面积控制，粘度对传热系数的影响： 引 协18 ) 式2 - 1 8 表明传热系数随壁面处的粘度。的减小而变大，在牛顿流体中改变壁面 粘度的唯一方法是改变传热面的温度，但是在拟塑性液体中流体的粘度还受在搅 拌釜中该区域滞留的液体的剪切率的影响。基于这种原因处理拟塑性液体的传热 设计的规则与处理拟塑性液体混合的规则是一样的。搅拌桨应该产生很大的扭距 并具有大直径的叶片。 ( i i i ) 牛顿流体在层流区 在层流区大直径的封闭式搅拌桨要用于传热，这时的传热系数包括总传热系 数都受限于接近釜壁的边界层的厚度。这时过程侧的传热系数的计算与湍流区是 一样的，可以用式2 1 7 计算，只是这里白严0 3 1 0 ，a = o 6 7 ，口= o 3 3 ，y = o 2 4 。 ( 2 ) 换热介质侧的传热系数 ( i ) 夹套传热 努赛尔数：n u = o 0 2 7 r e 0 8 p r o ” ( 2 - 1 9 ) 其中：n u = h s d 。k ( 2 2 0 ) r e = d e u p s 终 ( 2 2 1 ) p r = 凰c 。k ( 2 2 2 ) 眈是当量直径( m ) 等于流动面积润湿周长( m ) ，h 。是换热介质侧的传热系数 ( w ( m 2 k ) ) ，p 。是换熟介质侧液体的密度( k g m 3 ) ，m 是换热介质侧液体的粘 度( p a s ) ，g 是换热介质侧液体的质量热容( k j ( k g k ) ) 。 ( i i ) 内盘管传热 湍流溉。乩唧只03 3 饰01 4 卜s 剀沼：， r e 2 1 0 0 ：州岗0 8 0 3 3 。r 0 1 4 ” 池：4 ， 天津大学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 其中：f l r = , l l ，办。l 是反i 匝器的刷长( m ) 。 ( 3 ) 总传热系数 总传热系数u 可以从下式计算得到，其中k 是导热系数( w ( mk ) ) ： 内躲百1 = 万1 + i d c o h 封- 吃 沼2 s ， 其中盔是构成内盘管的管直径( m j ，r d 是污垢热阻( k - m 2 w ) ，x 是管壁厚 引m ) m 旗韵雠舣瓤5 描 2 6 ) l d l 蟪吉2 古+ 妻+ 击+ 咯 ：， 经典的污垢热阻r d 的值见表2 7 。 表2 7 经典的污垢热阻数据 3 4 】 物系污垢热阻( k m 2 w ) 水0 0 0 0 5 有机物 0 0 0 0 5 盐水0 0 0 0 5 腐蚀性溶液0 0 0 1 碳氢化合物o 0 0 l 设计者需要知道换热面积4 ( m 2 ) ，过程侧假设初始温度和温度降已知，换 热量： g = 陋，0 ，一t f ) ) ， 换热介质侧假设流率和入口温度已知，换热量：q = ( 们，b ，一，) ) 。 总换热量： g = u a a t s w 其中： 。葡i n i 墨l ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) tj 2 2 t p 。l t 5 i ，a t 2 。t p rts 。f ( 4 ) 传热过程搅拌桨的选择 在传热过程中通常用两种搅拌桨进行操作。在高粘度系统中使用桨叶边缘非 天津大学硕士学位论文 第二章混合的基本理论 常接近釜壁的h e l i c a l 和锚式搅拌桨：在低粘度系统中使用p b t 和h y d r o h o i l 搅拌 桨，并使用均相液体混合物混合中的搅拌桨选择原则进行选择。具体选择原则见 表2 - 8 。 表2 8 传热过程搅拌桨选择的原则 混合物系 流动区搅拌桨原因 h y d r o h o i l 对于一定的s ，中低粘度传热 3 0 0 r e 1 0 0 d = 耽 牛顿流体r e 高混合好 中低粘度传热 3 0 0 r e 0 1 的原则。输出功率尸均可用式2 1 计算， 只是当混合物系式易混合液体混合物式，其中的p l 是液体密度；当混合物系是 固液混合时其中的比，是悬浮液的平均密度。 第六步是根据前五步的设计所得到的数据，结合设计要求来判断所得的搅拌 设备是否符合要求。如果设计要求中没有明确指出搅拌设备所要达到的技术指 标，通常的作法是再选择其他搅拌桨进行类似的计算，然后选择混合时间最短、 搅拌功耗最小、混合费用最低的的搅拌桨作为设计结果。 以上六步就是一般混合设备设计的必备步骤，可以看出如果仅仅依靠手算， 工作量是很大的，而且必须是精通混合理论的学者才可能完成。而中小型化工企 业的工程师要独立完成以上设计步骤是十分困难的，比如对于气液混合过程要 选用什么搅拌器，要应用哪些方法计算这个简单的问题，这些工程师要回答起来 还是又很大难度的。所以要使这些工程师能很方便的进行搅拌设备的设计，对于 中小型化工企业是十分有意义的。 天津大学硕十学位论文 第二章洮台的基本理论 2 3 小结 本章介绍了机械搅拌釜设计的基本理论、设计步骤和每步所用的参数，为后 面搅拌釜设计软件的程序编写提供了理论基础和设计模型。从本章的介绍可以看 出搅拌釜的设计过程是比较复杂的，仅仅依靠手算是费时又费力的工作，所以开 发一种应用于搅拌釜设计的软件是十分必要的。 天津大学硕士学位论文 第三章搅拌釜设计软件 第三章搅拌釜过程设计软件m i x e r l 0 的开发 通过上一章我们可以得到这样一个信息，在计算机技术飞速发展的今天，如 果我们还是使用手工计算来完成搅拌釜的设计，那无疑是一种错误的选择。为了 缩短搅拌釜设计的周期，使更多的普通的工程师能更容易的进行搅拌釜的设计， 我们必须开发一种计算机辅助设计工具，以满足这些要求。 3 i 文献综述 3 1 i 专家系统介绍 搅拌设备使用历史悠久，在化学、食品、造纸、石油、水处理、冶金等工业 中均有广泛的应用。但搅拌设备的设计目前仍然处于比较落后的人工设计阶段， 它的自动化设计问题迟迟未能解决。其主要原因在于以下几个方面： 1 ) 搅拌设计理论不健全。从混合搅拌设备设计角度看，关于特定搅拌系统设 计的数据、公式文献上是非常多的，但这些数据和公式杂乱、分散、不系统，一 般只适用于某特定条件，通用设计则很难利用这些数据和公式。 2 ) 搅拌设备无严格统一的标准。搅拌设备种类繁多，尺寸跨度很大，难以实 现标准化。搅拌新技术的发展、新型搅拌器的不断出现，也使标准化困难。 3 ) 影响设计的因素众多且相互制约；例如，对于搅拌器的选型，既要分析搅 拌操作目的对搅拌器的要求，同时还要考虑动力消耗的问题；既要满足经济需要， 又要满足安全的要求。 4 ) 大多数设计依赖于经验，对于同一设计过程，由于设计者的经验不同，会 有不同的设计结果。在设计中，可能有几种形式的搅拌器适合同一种搅拌操作， 而同一种搅拌器也可用于几种搅拌过程。此时设计者往往根据实践经验，选择习 惯应用的桨型。 由于以上所述的各种原因，使得搅拌设备设计中的许多问题不能利用传统的 数学手段进行分析、建模和求解，大大限制了计算机在搅拌设计中的应用。近年 来，专家系统( e x p e r ts y s t e m ，k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m ) 的发展为计算机介入搅 拌设计提供了新的思路。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能【3 6 】( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 领域中的一个 天津大学硕士学位论文 第三章搅拌釜设计软件 重要分支。所谓专家系统，实际上是以知识库为核心进行问题求解的计算机程序， 即基于知识的智能系统。它和通用问题求解系统的区别在于专家系统强调在某一 专业领域中积累大量具有启发性的知识，包括实际范例以及该领域专家们所具有 的经验和规律。这些知识构成知识库，系统在知识库的基础上发展其专门领域的 知识使系统达到模拟专家的程度。 专家系统中知识可分为五大类型口7 j ：客观事实、确定的规则与过程、启发性 知识、基本原理、求解问题的全局策略。在实际设计中，这五大类型知识具有各 自的使用方式。客观事实、启发性知识及基本原理是关于问题的不同表现形式，