（化工过程机械专业论文）大双叶片搪玻璃搅拌器的实验研究与数值模拟.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 搪玻璃搅拌反应釜由于其独特的耐腐蚀性、不粘性、绝缘性等优点以及高性 价比，目前广泛应用于具有强腐蚀环境的化学反应设备上。由于反应物料的多样 性以及反应过程的多变性，国内传统的搪玻璃搅拌器( 桨式、叶轮式、锚式和框 式) 已不能完全满足新技术、新工艺的要求，开发新型搅拌器势在必行。本论文 提出了大双叶片式搅拌器，并通过其与国内四种搪玻璃搅拌器的分析和比较，进 行了相关的实验研究与数值模拟。 实验研究在巾3 7 5 m m 的搅拌釜中进行，对大双叶片式搅拌器及四种搪玻璃 搅拌器的搅拌功率、混合时间及混合效率数进行研究比较，并考察粘度、转速及 几何构形等因素的影响。实验研究表明，综合考虑单位体积的搅拌功率和混合时 间，大双叶片式搅拌器混合效率数c 。最小，混合效率最高。 数值模拟以实验的搅拌器为对象，通过计算流体力学( c f d ) 软件建立大双 叶片式搅拌器及四种搪玻璃搅拌器的流体力学模型来研究所产生的流型，结合实 验研究结果，对5 种搅拌器的流场和速度场进行了分析和比较。模拟结果表明， 从流场和速度场来看，搅拌性能最好的是大双叶片式搅拌器。 关键词：搪玻璃大双叶片式搅拌器实验研究数值模拟 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n gt oi t su n i q u em e r i t sa sc o r r o s i o np r e v e n t i o n ，c l e a n ，i n s u l a t i o na n dh j 【曲 c o s tp e r f o r m a n c e ，g l a s s l i n e ds t i r r e da u t o c l a v e s a r ea p p l i e dt oc h e m i c a lr e a c t i o n e q u i p m e n t sp r o v i d e dw i t ht h ec o n d i t i o no fs t r o n gc o r r o s i o ne x t e n s i v e l yj u s tn o w f o r m u l t i p l i c i t ya n dv a r i a b i l i t yo f r e a c t i o np r o c e s s e s ，d o m e s t i ct r a d i t i o n a lg l a s s l i n e d a g i t a t o r sc a n ts a t i s f yt h et e c h n i c sr e q u i r e m e n ta tt h ep r e s e n td a y , an e wt y p ea g i t a t o r c a l l e dl a r g e - d o u b l e - b l a d ei m p e l l e rw a sb r o u g h tf o r w a r d t h et h e s i sa n a l y z e da n d c o m p a r e dt h ei m p e l l e r sw h i c hi n c l u d e dt h en e wo n ea n dt h ed o m e s t i cf o u rg l a s s - l i n d a g i t a t o r s ，a n dc a r r i e do u te x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i th a sb e e nc a r r i e do ne x p e r i m e n tr e s e a r c ht of i v ek i n d so fi m p e l l e ra tt h es t i r r e d t a n k3 7 5m mi nd i a m e t e r , a n dh a sb e e ni n v e s t i g a t e do np o w e rc o n s u m p t i o n ，m i x i n g t i m e ，m i x i n ge f f i c i e n c yn u m b e ra n dt a k e ni n t oa c c o u n t t h ei n f l u e n c eo ff a c t o r ss u c ha s v i s c o s i t y , r o t a t i o n a ls p e e d ，e t c t h ee x p e r i m e n ts h o w s ：c o n s i d e r i n gm i x i n gp o w e r a n d m i x i n ge f f i c i e n c ys y n t h e t i c a l l y , t h el a r g e d o u b l e b l a d ei m p e l l e rt h a ta u t h o rg e to u th a s t h em i n i m u mm i x i n ge f f i c i e n c yn u m b e rc ea n dt h eb e s tm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c t h ei n s i d ef i e l do ft h es t i r r e da u t o c l a v ew a si m i t a t e dw i t hc f ds o f t w a r e t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m b i n e dw i t hr e s u l t o fe x p e r i m e n tr e s e a r c h ，f i v e k i n d so fi m p e l l e r sw e r ec o m p a r e da tf l o wf i e l da n dv e l o c i t yf i e l d ，a n da c c o r d i n gt o t h ef l o wf i e l da n dv e l o c i t yf i e l d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h e l a r g e - d o u b l e b l a d ei m p e l l e rh e l dt h eb e s tm i x i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：g l a s s l i n e d ，l a r g e - d o u b l e - b l a d ei m p e l l e r , a g i t a t o r , e x p e r i m e n tr e s e a r c h ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 浙江大掌硕士学位论文 引言 搪玻璃是工业生产中一种重要的无机材料，能高度防腐是它的主要性能，另 外具有耐压、耐温、不粘性、绝缘性、隔离性、表面光洁、性价比高等特性。搪 玻璃设备这种耐压与耐腐蚀性结合于一体的独特性能，极大地扩展了设备的适用 范围，使其应用于化工、石油、农药、医药、冶金、食品等各个工业部门。在众 多的化学反应条件下，搪玻璃设备不但能够替代价格昂贵的不锈钢制容器，而且 广泛应用于那些不能使用不锈钢制容器的腐蚀条件中。 考虑到目前国内传统的搪玻璃搅拌器只有锚式、框式、叶轮式和桨式四种， 型式单一，而且粘度适用范围小，随着科学技术的不断进步，目前已经不能满足 某些新工艺的需求。因此开发新型的搪玻璃搅拌器以扩大粘度适用范围，节省能 耗，减少材料，降低成本，改善搅拌性能，就显得尤为迫切。 大双叶片式搪玻璃搅拌器是作者在综合考虑搅拌效率和粘度适应性后，参考 以往新型搅拌器结构的基础上提出来的。实验结果表明，由于大双叶片式桨独特 的双层结构，当以搅拌的综合性能指标即混合效率数为标准进行评价时，对比国 内传统的四种桨型，其搅拌性能最佳；由于其具有上下两个遍及全槽的轴向自循 环流，而不是传统搪玻璃搅拌器通过桨叶与槽壁或底部碰撞而形成的轴向流，其 流场更为合理。鉴于大双叶片式桨较高的混合效率、良好的流场，相信将很快应 用在中、低粘度的搪玻璃反应设备上。 本论文通过实验研究，对大双叶片式与国内四种搪玻璃桨型的搅拌性能作了 评价，通过数值模拟对流场和速度场进行了分析，以期为大双叶片式搅拌桨在工 业中的应用提供基础数据。 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 搪玻璃设备 1 1 1 搪玻璃设备简介【“2 】 搪玻璃设备是一种具有耐腐蚀玻璃衬里的钢制化工容器，其钢制罐体确保了 承压能力，罐内涂搪的玻璃衬里又使其具有可靠的耐腐蚀性能，适用于在压力状 态下使用易燃、易爆且有毒的介质，是化工、制药等行业广泛使用的一种压力容 器。 搪玻璃设备制备是将高含硅量的瓷釉喷涂于设备铁胎表面，经高温焙烧，使 瓷釉熔化密着于胎体表面而制成。因此它具有良好的耐腐蚀性和金属强度的双重 优点，可以避免金属离子污染物料，防止变质变色，其表面光滑、耐磨，具有一 定的热稳定性，是一种先进的耐腐蚀的设备。搪玻璃设备广泛应用于化工、医药、 染料、农药、有机合成、石油化工等工业生产中的反应、蒸发、浓缩、合成、聚 合、皂化、氯化等过程。搪玻璃设备的特点：耐腐蚀性：能耐各种浓度的无机酸、 有机酸、有机溶剂及弱碱的氩腐蚀，是不锈钢和工程塑料不能比的。耐热性：允 许在0 到2 0 0 使用，( 耐温度急变) 冷冲击1 1 0 热冲击1 2 0 。耐冲击性： 搪玻璃层性质较脆，因此其耐机械冲击性能小，应尽量避免硬物冲击。绝缘性： 搪玻璃层具有良好的绝缘性，厚0 8 2 m m 的玻璃层在2 0 k v 高电压下不会被击 穿而导电。 1 1 。2国内搪玻璃设备发展现状 5 0 年代初搪玻璃设备在我国刚刚起步，设备主要是围绕石化、石油、轻工 等行业，以防腐为目的，并具有耐压、耐温、光洁等特性进行生产，可替代部分 不锈钢、金属制品，特别是价格昂贵的钛材，在一些石化企业是其他材料不可代 替的防腐产品，市场需求前景较好【3 1 。 国内搪玻璃产业从八十年代进入旺盛发展期，搪玻璃设备进行大量的升级换 代，产品规格、品种逐渐增加，产量已居世界首位。国内一些搪玻璃设备见图 1 1 。搪玻璃搅拌器的基本形式有四种，就是化工行业推荐应用的桨式、叶轮式、 锚式和框式【3 j ，见图1 - 2 。随着化工生产技术的改造、更新，对搪玻璃设备尤其 是对1 万升以上规格的搪玻璃设备需求越来越多。从近几年来的趋势来看，产品 规格向大型和超大型发展。目前我国化学行业需要的质量好、耐腐蚀性强的3 万升以上的设备都依赖进口，进口产品价格往往是国内同类产品价格的8 倍以 浙江大学硕士掌位论文 上，因此研发搪玻璃反应罐刻不容缓【4 】。 目前中国有1 3 0 余家搪玻璃企业，年产能力达7 万吨，是世界上其它所有国 家年生产总量的2 3 倍。中国虽是搪玻璃设备生产大国，但是搪玻璃设备平均的 图1 1 国内一些搪玻璃搅拌设备 墓墓 桨式叶轮式 锚式框式 图1 2 国内四种基本搪玻璃搅拌器 价格还不及国外同类产品价格的1 5 ，主要原因是产品质量不高，而导致质量不 高的最主要原因是技术。目前，中国搪玻璃整体制造技术，尤其是搪玻璃设备制 造的关键一瓷釉技术，大致只相当于国外2 0 世纪五六十年代水平，与国外先进 水平至少相差5 0 6 0 年。除整体制造技术、工艺与企业管理、营销等水平与国外 有较大差距外，市场竞争无序、低水平重复建设、大量违法返修设各以低价充斥 市场、恶性竞争等，都影响了整个行业健康发展。有少数号称具有先进技术的生 产企业，不过是注意了产品外观质量，并没有真正掌握国际高水平的核心技术。 随着国内外石油化工，特别是精细化工、医药、农药、染料、食品等工业的 浙江大掌硕士掌位论文 迅速发展，国内外对搪玻璃设备的需求越来越大，尤其是对超大型、高性能设备 的需求与日俱增，而中国目前这些搪玻璃设备主要依赖进口1 5 1 。 对于搅拌设备来说，目前国内传统的搪玻璃搅拌器主要可以归纳为桨式、叶 轮式、锚式和框式四种基本桨型。下面主要以国内两家比较著名的搪玻璃设备生 产企业为例来介绍。 1 1 2 1 北京北搪化工设备厂 北京北搪化工设备厂被中外同行称为亚洲第一大工业搪瓷厂。 北搪厂成立于5 0 年代初，是国内最早生产搪玻璃设备的厂家之一。拥有中 国搪玻璃设备规模最大、耐腐蚀能力最强的制造生产装置，以制造搪玻璃设备为 主并具有“中国5 0 0 家最大机械工业企业”称号。该公司定位于：不仅是国内第 ，还向世界努力。通过技术改造和引进先进设备建立了搪基地，特别是引进的 瓷釉技术，已经达到和接近世界先进水平。如北搪厂的微晶瓷釉、9 9 一i 的大型搪 玻璃釉等有重大的突破。目前刚引进匈牙利l a m p a r t 先进搪玻璃制造技术， 发展更上一步。 北搪厂的搪玻璃搅拌器主要有基本的锚式、框式、叶轮式、桨式以及组合式， 组合式即叶轮式和桨式的组合。 1 1 2 2 苏州法德尔搪玻璃设备制造公司 苏州法德尔由美国法德尔公司和苏州玻璃设备厂共同投资建立。法德尔公司 是目前世界上最大、最先进的搪玻璃设备制造商，已有1 0 0 多年的历史，在美国、 墨西哥、巴西、苏格兰、德国拥有全资生产工厂。苏州搪玻璃设备厂具有3 0 多 年的历史，是国内搪玻璃行业的骨干企业，用户遍及全国及海外。 法德尔公司拥有法德尔全套的先进技术，包括产品设计、制造和搪艺等。公 司的浇铸件、锻压件接管、卡子和铁胎，具有极高的搪烧质量。其中的搪烧技术 和瓷釉能提高产品对不同化学介质抗腐蚀的能力。 法德尔搪玻璃搅拌器为特殊需求推荐了最佳的混合系统，搅拌系统具有省 时、省力等优点，搅拌器包括锚框式搅拌器，其适合径向流、高粘度及低液位操 作；桨式，适合于混合流和窄容器：叶轮式，适合高径向流、多效能和配挡板； 推进式搅拌器，适合高轴向流、低粘度及相对速度快；圆盘式搅拌器，适合径向 流、高剪切及气体分散；浮头式搅拌器，适合于径向流和高粘度( 见图1 3 ) 。 对于那些要求较高转速的工艺场合，设计部门、工厂往往选用不锈钢搅拌设 备，但由于不锈钢设备制造成本大，而且不能有效地克服晶间腐蚀，这些不利因 素阻碍了生产发展，法德尔为此研制了高转速( 1 3 0 3 1 5 转分) 的搪玻璃搅拌器， 浙江大学硕士学位论文 目前已应用于加氢工艺等要求转速高，又存在c r 、s 谚一有晶间腐蚀的工艺场合。 其中电子调频高转速( 4 0 3 1 5 转分) 搪玻璃反应罐已申请了国家专利。 如每止 图1 3 法德尔推进式、圆盘式、浮头式搅拌器 搪玻璃高转速搅拌器一般不宜选用框式锚式等回转直径大的搅拌桨，而是以 桨式、推进式等为主。几年来，高转速搪玻璃搅拌器已在江苏、上海、浙江、山 东、北京等地应用，均获得成功。 1 1 3国外搪玻璃设备发展现状【6 叫 国外生产搪玻璃搅拌设备主要有：法国德地氏公司、德国法蒂尔公司、日本 神钢凡公司以及美国法德尔公司的产品代表着世界领先技术水平。 1 1 3 1 法国德地氏公司及其g l a s l o c k 产品 于1 6 8 4 年创建于法国的d e d i e t r i c h 公司已成为世界范围内为制药和化工行 业生产搪玻璃设备的领头人。它在法国和美国拥有现代化制造工艺和设备，运用 高质量控制程序对不锈钢和碳钢容器进行3 0 0 9 瓷釉的喷涂。d ed i e t r i c h 制造整 个系列的不带夹套，带一般夹套和半圆管夹套的反应器、储罐、接收器、塔、干 燥搅拌器以及n u t s c h e 过滤器，尺寸范围超过1 4 0 m 3 。 在德地氏的搪玻璃搅拌器这一块最著名的是它的g l a s l o c k 搪玻璃搅拌器， 是世界上唯一带有可调节和可移动的，适用多种需求的搪瓷搅拌器，带可拆卸， 角度可调式搅拌桨。它的优越性体现在： 多用途工具一可根据工艺过程选择最佳方案。 极特殊的混合能力一反应效率高。 手工装卸简单。 搅拌桨易于更换( 不必移动动力装置) 。 减少备件存量一一套搅拌桨适合于不同反应过程的反应釜中。 g l a s l o c k 搅拌桨形式主要有平式搅拌桨，水翼式搅拌桨以及激浪式搅拌桨。 浙江大掌硕士学位论文 ( 1 ) g l a s l o c k 水翼式搅拌 桨具有强泵送效果，流线型 桨叶，较高的轴向动力，能 量消耗低，适用于热传递、 化学反应以及颗粒悬浮。如 图1 4 所示为水翼式搅拌桨 实物图。其中左图为单层的 水翼式搅拌桨，右图为双层 的水翼式搅拌桨，多层搅拌 具有更好的混合效果，而且 搅拌桨的角度以及形状在 图1 4g l a s l o c k 水翼式搅拌桨每层可以不同。 ( 2 ) g l a s l o c k 平式搅拌桨为适用多种需求的可调搅拌桨。如图1 5 所示为 各角度形式的桨叶：两翼倾斜角为3 0 。适合于结晶；角度为6 0 。的适合于多种反 应釜，调制、混合、热传递，颗粒悬浮，能对探管引入气体产生较好的混合效果； 角度为9 0 。的主要用于气体吸收，气液反应等。如图1 6 所示为平桨式搅拌器。 图1 5 三种角度形式的g l a s l o c k 平式搅拌桨 平桨式搅拌器剖面 双层6 0 。平式 平桨式搅拌器混合模拟双层多角度 图1 6 平式搅拌器系列图 浙江大掌硕士学位论文 1 1 3 2 日本新型双翼式搪玻璃搅拌器 日本生产设计的这台搪玻璃搅拌器具有不同特色 的上下翼，称为双翼式搅拌桨，如图1 7 所示。 上下翼特征： ( 1 ) 宽大的下翼其宽度占了容器直径的6 0 。 ( 2 ) 翼下部边缘略倾斜，增加容器底部的吐出力。 ( 3 ) 翼的下部被切割成梯形状，能增加槽底向上 的吸收效果。 ( 4 ) 翼的上沿略微弯曲，能提高槽壁的吐出力。 图1 7 双翼式搅拌桨 ( 5 ) 上翼的梯形长度约是下翼的3 倍。 ( 6 ) 显得缩小的上翼上部抑制了由上翼产生的过度吐出流量，并且促进了 由下翼产生的循环流量。 总之，综合的上下翼吐出力能很好地促进大型循环流的流动并且能够分散槽 底部的滞留物。如图1 7 所示为其结构图。 双翼式搪玻璃搅拌桨的主要特征： ( 1 ) 适用于很广的粘度范围：独特的b e n d l e a f 曲线形状表明了在操作 状态下，粘度的变化对混合效果的影响不大。这种操作适合于各种不同物料。 ( 2 ) 大幅度缩短完全混合时间：条件和方位都均一的流体形式使其确立了 稳定的上下循环流动，这种流体形式不被不同外部条件所影响，并且这种上下循 环流动跟其它的搅拌器相比大大地缩短了完全混合时间。 ( 3 ) 均一的固体分散性：搅拌槽底部产生的强烈吐出流动和搅拌翼的吸收 效果，在搅拌器低回转速率、低动力下使得固体的均一分散性得以实现，并且能 防止有滞留物在槽搅拌翼下。 ( 4 ) 在低功率下有效率地混合：由于搅拌翼回转速率的变化能通过稳定吐 出流体力，从而直接和有效地形成整个循环系统。其混合性能要比其它搅拌器好。 ( 5 ) 粒子破坏减少：由于其独特的流体形式能够使固体的粒子破坏达到最 小化程度，因此粒子的剪切应力区会消失。 1 1 3 3 其它国外搪玻璃搅拌设备 图1 8 所示为一些国外搪玻璃搅拌设备，( 1 ) 日本神钢凡公司g m p 应用的清 洁系列搪玻璃不锈钢搅拌容器，主要应用于食品制药行业等外部条件频繁变化和 急速转变的场合，特别能适用于- 3 7 。c 的温度情况；( 2 ) 美国法德尔公司生产的带 锥形底的双层组合式搪玻璃搅拌桨；( 3 ) 德国法蒂尔公司最新推向市场的带三叶 浙江大学硕士学位论文 轮层搪玻璃搅拌桨最小容积搅拌罐：( 4 ) 法国德地氏公司的搪玻璃搅拌容器。 ( 2 )( 3 ) 图1 8 其它国外搪玻璃搅拌容器 ( 4 ) 1 1 4 国内外发展情况及技术对比 近年来，国外愈来愈重视对搪玻璃设各可靠性的研究，加强了搪玻璃设备失 效原因和腐蚀机理的分析与研究工作。如美国法德尔公司给出了其生产的搪玻璃 设备的正常使用寿命为5 7 年，日本八光产业株式会社给出其设备的正常使用寿 命在腐蚀速度为o 1 m m a 的情况下为2 5 年，在腐蚀速度为o 2 m i i l a 的情况下为 1 2 年。 同时国外比较重视对搪玻璃设备零部件结构的改进，这样不仅最大限度地方 便了用户，同时也提高了设备的附加值。国内长期以来一直存在着重视主机、忽 视配件的现象，这也是国内产品在国际市场上受到冷遇的一个原因。 从对产品使用的了解和国外资料的分析看，这个行业都有一个共同的问题， 即搪玻璃设备产品的爆瓷损坏现象。问题在于其爆瓷的概率和多少，从而可看出 技术水平的优劣。粗略估计我国搪玻璃设备产品爆瓷率不低于3 。日本的搪玻 璃行业爆瓷破损率一般不超过1 ，法国迪特利希对己损坏的设备进行统计，7 0 是用户安装不当或机械损伤，3 0 是损坏。 原苏联的搪玻璃设备产品损坏情况：产生于化学腐蚀、介质造成釉腐损的不 超过3 ，由于机械作用损伤的为4 8 ，因温度差异冲击造成的为2 5 。由于爆 瓷损坏的为2 4 。八十年代初，日本的搪玻璃设备产量为1 6 0 0 0 吨，到八十年代 末已经降为6 0 0 0 吨年产量左右，质量高，价格也上去了，效益仍很显著【1 0 】。 国内外搪玻璃产品最大容积比较： 开式搅拌容器：9 m 3 ( 美国、法国) ，5 m 3 ( 中国) ： 闭式搅拌容器：8 0 m 3 ( 日本) ，6 8 m 3 ( 美国) ，4 5 m 3 ( 法国) ，2 0 m 3 ( 中国) 。 曲 江大学硕士掌位论文 国内企业在关键零部件的加工9 5 都是采用传统操作铆焊的方式进行，而国 外1 0 0 都是铆焊机械或数控机床进行加工。尤其在封头管口加工中，国内都是 采用手工气割挖孔和嵌入式焊接的形式，而国际上都是采用冲压和拉伸成型机械 或数控机床进行加工的。在焊接工艺过程中，国际上主焊缝全部采用的是自动焊 机械操作，管口采用单面焊双面成型工艺，而国内大部分都靠传统的加工方式。 国内在重腐蚀这个范围，一般地承诺6 个月，而法德尔的保质期为1 2 个月。 在这里介绍几种国外最新的搪玻璃搅拌器零部件： ( 1 ) 将传统的夹套改为半管式，增加了换热面积，提高了热效率，目前国 内的应用说明节能的效果很好。如淄博太极工业搪瓷有限公司生产的螺旋型半管 夹套容器，具有较高的热传递效率，能提高夹套里介质的流速，高速流动的介质 还能有效地防止夹套内表面的结垢，适用于夹套内高压力，降温的冷却工艺等。 另外还可以在搅拌器外部表面装上感应线圈，使简体直接受感应加热，这样不仅 扩大了加热范围，还更利于精确控制反应温度。 ( 2 ) 将搅拌器的叶片变为冷缩配合式。这种配合式搅拌适用于在闭式罐内 进行安装，与介质相接触的所有表面均搪玻璃，通过冷缩叶片端插入插孔内，每 一个叶片都可以单独取下来，并且可选择不同角度及型式的叶片。这样，当需要 更换搅拌器或需要变化叶片形状时，只需更换叶片即可，而无需更换搅拌轴。同 时，这种搅拌器对大规格的设备来说整机安装时也较方便。 ( 3 ) 上卡的材料为锻钢，下卡为高强螺纹钢。卡子表面进行防锈处理，用 户不需再次涂漆，卡子安装好后用一圆钢环固定在容器的开孔上，便于检修时的 折卸与安装。 ( 4 ) 对传统的温度计套管进行了改进，在容器上设置温度传感器。传感器 的玻璃层中埋有对温度变化较敏感的热电偶，避免了用传统的温度计测量温度滞 后的现象，同时它还可以使某些用人工测温较困难的情况变得容易起来。 ( 5 ) 此外，搪玻璃设备上还配置了电、气功阀门和检修孔自动开闭装置， 从而大大方便了用户。 1 1 5 我国搪玻璃设备发展趋势【n j 我国搪玻璃设备近1 0 年来发展较快，但与国外工业发达国家相比，仍有较 大的差距，国内许多工作仍属刚刚起步阶段，因此要使我国搪玻璃设备尽快赶上 国际水平，仍需做大量的工作。 开发和研究搪玻璃新产品( 包括搪玻璃釉与零部件) ，并尽快使新产品在形 成一定的生产批量后规格化、标准化和系列化，以满足不断发展的工业需求。 加强搪玻璃设备可靠性方面的研究工作，填补国内在此方面的空白，提高我 浙江大学硬士学位论文 国搪玻璃设备在国际市场上的声誉。举一个例子比如作为搅拌容器主焊缝的上接 环与夹套组装环焊缝因结构原因不便做无损检测，因此对该焊缝的焊接质量更需 加强控制以得到可靠的保证。 改造现有搪玻璃设备用烧成炉窑，逐步实现烧成炉的规格大型化、控制自动 化和结构轻型化，为尽快实现我国搪玻璃设备的规格大型化创造条件。 加强跨行业、跨部门的多方合作，组织对重大课题攻关，如开发搪玻璃专用 钢等，使我国搪玻璃设备的制造水平有一个较大的提高。 由于反应的物料多种多样、反应的过程千变万化，国内传统的四种搪玻璃搅 拌器( 桨式、叶轮式、锚式和框式) 显得型式单一，而且粘度适用范围小，随着 科学技术的不断进步，目前已经不能满足某些新工艺的需求。因此开发新型的搪 玻璃搅拌器以扩大粘度适用范围，节省能耗，减少材料，降低成本，改善搅拌性 能，成为了国内搪玻璃搅拌器发展的主导方向。 搪玻璃设各产品的稳定性和可靠性很重要，是衡量行业水平的重要内容，是 行业当前发展的燃眉之急，应当讲我们的搪玻璃设备技术比国外先进水平有相当 大的差距，但解决这些问题需要依靠扎实的科学技术基础理论的实践，应当讲又 是一个很难的课题，引进消化国外先进技术当然需要一定的时间和资金，但也是 一条捷径。 1 1 6我国搪玻璃搅拌器基本型式【1 2 “， ， 金 型 径向流 = r 匕fc o ：，、f 亡h船 厩窬 勖 轴向流切向流 图1 9 不同桨型流场图 流场的分析对于搅拌器设计和使用有着重要的作用，不同的桨型对应不同的 浙江大掌硕士学位论文 流场，上图是径向流搅拌器( 如六直叶圆盘涡轮、平桨式、叶轮式) 、轴向流搅 拌器( 锚式框式) 以及切向流搅拌器的流场图。 如上图所示，径向流搅拌器的流场是双循环流，流体在叶轮出口处产生强烈 的径向运动，在槽的底部和上部各产生一个循环区；轴向流搅拌器的流场普遍认 为是简单的“单循环”流动形式，即流体从叶轮流出，在槽底碰撞转向后沿槽壁 向上流动，流经整个槽体后，最终沿轴向向下流回叶轮区。 1 1 6 1 桨式搅拌器 桨式通常仅有二枚叶片，是搪玻璃搅拌器中最简单的一种。根据叶片的垂直 或倾斜安装可分为径向流型和轴向流型。桨式主要用于排出流是必要的场合，由 于在同样的排量下，轴向流搅拌器的功耗比径向流低，故轴向流搅拌器使用较多。 由于结构简单，即使叶径大，造价也不高，故往往用于大叶径、低转速的场合， 对于液体粘度不是太高，或者对混合的要求不是太高的场合，桨式搅拌器由于其 造价低往往被选用。其主要用途：在液一液系用于防止分离和使温度均一；在固 一液系，多用于防止固体沉降。就平直叶和折叶两种相比较而言，由于折叶桨式 搅拌器的叶片与旋转平面形成夹角，因此在旋转时产生的轴向流要大于平直式， 其宏观混合效果要更好些。在搪玻璃工业实际生产中，会遇到釜深液高的情况， 此时单层桨式搅拌器难以搅拌均匀，通常采用的方法是装几层桨叶，相c g _ - - 层桨 叶间成9 0 。角交错安装，如本文实验桨式结构。由于桨式搅拌器制造和更换方 便，因此常用于化工生产中有防腐蚀和金属污染要求的工况。 1 1 6 2 叶轮式搅拌器 分为齿片式、推进式与涡轮式叶轮，搪玻璃工业通常应用涡轮式叶轮。径向 流涡轮旋转起来把液体从轴向吸入而向与轴垂直的方向排出，从而功率消耗大， 剪切力强，又具有排出能力。因此其适用于既要有强的剪切又要有一定循环流量 的场合：另一方面，轴向流涡轮使液体沿与轴平行的方向排出，使其进行有效的 轴向循环。 通常弯曲叶径向流涡轮的叶片是用钢板弯曲制成的，有些场合用压扁的圆管 来制作弯曲形时片，并且为了能使叶轮能贴近罐底的封头安装，将叶片略向上翘， 叶片有二叶、三叶和四叶的，其中以三叶的用得最多，习惯上常将此类叶轮称为 后掠式叶轮。三叶后掠式叶轮还被称为法武都拉式( p f a u d l e r ) 叶轮，因为它是 法武都拉公司开发的，它常与指形挡板配合用于混合、传热、悬浮、气体吸收和 乳化。搪玻璃工业一般应用此种叶轮式居多。 用压扁的圆管制得的后掠式叶轮，与叶片数、叶径和叶片宽度相同而用钢板 浙江大掌硕士学位论文 制成的弯曲叶涡轮相比，以同样转速搅拌同样的低粘度液体时，搅拌功率要低 2 0 左右，且后掠式叶轮的n p n q d 值也比相应的弯曲叶涡轮低，既其功耗中用 于产生排量的比例大于弯曲叶涡轮。新型的悬浮聚合反应器中几乎都使用后掠式 叶轮。 1 1 6 3 锚式与框式搅拌器 锚式、框式叶轮属于同一类，这些叶轮的桨径对槽径之比d d 较大，一个特 点为搅拌外缘与槽壁间隙很小，搅拌物料不易产生死区，通常在低速下运行，在 搅拌低粘度液体时不产生大的剪切力，因此它不适用于液一液和气一气分散。另 一方面，这些叶轮在槽内移动的流量大，水平回转流占支配地位，不具有良好的 混合均一性，然而在槽壁附近的流速比其他叶轮大，能得到大的传热膜系数，故 常用于传热、晶析等操作。另外，由于其叶径较大，且与罐底贴近，也常用它来 搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。还有它也常用于高粘度流体的搅拌，然而随流体 粘度的增高，罐内的流动减少，由传动装置传入的能量作为叶轮和流体的摩擦消 耗掉的比例增大。从搅拌效果来看，在叶片近旁有液体的交换，而在轴附近则存 在几乎不起搅拌作用的部分。 1 2 搅拌实验研究 在设计搅拌设备时，搅拌器搅拌功率、排量、混合速率及混合效率是最重要 的参数。常用功率准数n o ，排出流量准数n 口d 和混合时间t 。来表征搅拌器的搅 拌特性。由于搅拌器对流体的搅拌所作的功都消耗在对流体进行剪切和促使流体 循环两方面，故n d n q d 是表征消耗于剪切和循环的能耗的比值的参数，n p n q d 越大表示消耗于剪切的比例越大。 1 2 1 搅拌功率特性 搅拌功率是工业混合设备设计的重要参数，它直接影响到搅拌装置所需的电 动机功率、变速箱以及搅拌轴的设计等。搅拌功率按下式进行计算： p 。p 3 d 5 ( 1 - 1 ) 由于密度p 、转速n 和叶轮直径d 很容易求得，故计算功率的关键是求得 功率准数n p 。 。丢 ( 1 - 2 ) “9 d 3 d 5 由( 1 - 2 ) 式可见，n d 是一个无因次数群，它表示输入的功率消耗在施加于受搅 浙江大学硕士学位论文 拌液体的力。 对单层桨搅拌功率的研究已经比较充分，包括搅拌器本身的几何形状和尺 寸、内部构件和操作参数等对搅拌功率的影响，有较多的关联式可供参考( 永田 进治，1 9 8 4 年) 。对多层桨搅拌功率的报道较少。简单地认为多层桨的功率准数 是单层桨的叠加，即单层桨的功率准数乘以层数并不是合适的。h u d c o v a ( 1 9 8 9 年) ，a r m e n a n t e l l 4 】( 1 9 9 2 年) 利用在搅拌轴上安装多个扭矩传感器，分别测量 了不同位置搅拌器的功率准数，发现在通气状况下，下部搅拌器所消耗的功率比 上部的大。毛德明【15 j ( 1 9 9 7 年) 详细地研究了双层径流桨，双层斜桨和双层组 合桨在不同层间距下功率准数的变化，并结合流场流型对变化规律进行了解释。 关于假塑性流体的搅拌功率的计算在搅拌层流区有很多方法，其中广泛采用 的是m e t z n e r l l 6j ( 1 9 5 7 年) 的经验方法。即以牛顿流体的功率准数和雷诺数的关 系为基础，从设想非牛顿流体消耗的搅拌功率等于牛顿流体的搅拌功率出发，获 得相对应的非牛顿流体的表观粘度，从而确定搅拌槽内的平均剪切速率，。和转 速n 的关系并得到了经验关联式： ，。= k s n ( 1 - 3 ) 式中k 。为m e t z n e r 常数，对一定的搅拌器一槽结构型式为常数。 需要注意的是，在层流域假塑性非牛顿流体与牛顿流体的n 。r e 曲线是重 合的，但在过渡域，两者并不重合，假塑性流体的值要小。因此，对假塑性流体 决定电机功率时，用牛顿流体的功率曲线可以给出保守的数值。 1 2 2 搅拌混合特性【”】 从七十年代以来，o t t i n o 、b o u r n e 、b a l d y g a 、李希等人，对混合机理进行了 一系列的研究，一致认为混合过程是由团破碎达到宏观混合和分子扩散达到微观 混合两个既相互联系，又有区别的过程构成，块团破碎可增加扩散表面，为加快 分子扩散提供条件，分子扩散是块团破碎混合的进一步深化，由宏观混合向微观 混合转化。因此，在搅拌槽内，为了达到均一混合，要求： ( 1 ) 大的剪切强度以细化微团尺寸； ( 2 ) 良好的循环能力，特别是轴向循环能力，使不同流体得到充分的交换， 剪切均匀； ( 3 ) 搅拌的速度脉动以促进流体交换频率，加快混合速度。 因此剪切、循环及速度脉动是影晌混合速度的三大要索，在搅拌槽是要尽 量强化这个量以提高混合速度。 对于不同的混合体系，要求采取不同的措施提高混合效率： ( 1 ) 低粘流体：由于经常处在湍流状态，分子扩散速度较快，块团破碎就 浙江大学硕士学位论文 成为混合的决定因素，象涡轮、三叶后掠式、复动式等桨就可以达到 要求的混合效果； ( 2 ) 高粘流体：流动常常处在层流区域，分子扩散相对较慢，减少扩散距 离、增大扩散面积是加快混合的关键，常用于高粘混合的桨有锚式、 螺带、自清洁等桨； ( 3 ) 假塑性液体：特别是对宾汉塑性液体，所受剪切力以及粘度分布不均， 混合困难，这时要螺带、多层桨叶和大直径桨等以增加循环量； ( 4 ) 高粘度粘弹性液体：因有w e i s e n b e r g 效应，使搅拌器的轴向排量减 少，对混合不利。 在评价搅拌器的混合性能时，除了要知道搅拌器的混合速率外，还必须知道 搅拌器的能量消耗和剪切性能等方面的数据。永田、王凯【1 8 l 等通过对层流域和 过渡流域的混合性能的研究，建议用c 1 、c 2 、c 3 、c 4 四个无量纲数来综合评价 搅拌器的混合性能。 c 1 = n 吼 ( 1 - 4 ) c 2 = 臼( 只叩) “2 ( 1 - 5 ) 1 c 3 = i j j 面 ( 1 - 6 ) ( 只叩) “2 c 。= c ；= ( 叩) = h ：吒叩 ( 1 - 7 ) 他们的物理意义是：c 。是达到规定混合程度时搅拌器要转的转速，c l 值越 小，表明混合速度越大；c 2 是达到混合速度时，流体所受到的剪切量；c 3 是搅 拌器转一圈流体所受到的剪切量；c 4 是表示在一定的流体粘度和混合时间下， 搅拌器所需的单位体积混合能。由于c 4 综合反映了功率消耗与混合时间的影响， 因此常作为比较混合效率的指标并称为混合效率数。c 4 的值越小，说明混合效 率数越高，而在流体粘度和混合时间相同的情况下，两种搅拌器的c 。之比也反 映了他们在能耗之比。 1 2 3 搅拌剪切特性 流场研究表明，无论采用何种桨型，高剪切速率均出现在叶轮区排出流中， 而占搅拌槽绝大部分体积的循环区中剪切速率明显较低。 以往由于只能以搅拌转速或叶轮端部的线速度描述搅拌槽内的剪切作用。这 种方法在本质上是定性的，并不具备流体动力学上的定量意义。m e t z n e r 和o t t o ”】 曾提出一种计算平均搅拌剪切速率的方法，然而它只适合于层流，而且计算的只 是叶轮区的平均剪切速率，而非搅拌区内流体的平均剪切速率，对于手册上没有 浙江大学硕士掌位论文 提供m e t z n e r 常数的特殊叶轮，该方法无法使用。 石油大学的张劲军运用流体的体积平均能量耗散率与剪切率的关系，从搅拌 过程的能量耗散出发，提出搅拌轴功率计算搅拌槽内流体平均剪切速率的方法。 该方法可弥补m e t z n e r - - o t t o 方法的不足，不受叶轮类型及搅拌槽内流体流态的 限制。 对于牛顿流体与幂律流体，搅拌槽内流体的平均搅拌剪切率，。，分别为： ，。，= 4 e ( 卢v ) ( 1 - 8 ) ，。，= “叫p ( k v ) ( 1 - 9 ) 式中p 搅拌的轴功率，w ； v 一搅拌槽内流体的体积，m 3 ； “动力粘度，m p a s ； k _ 一幂律流体的稠度系数，m p a s “； n 幂律方程的流动特性指数。 这样，只要知道搅拌槽内流体的体积、流变参数及搅拌的轴功率，便可计算 搅拌槽内流体的平均剪切率。对于牛顿流体和幂律流体以外的其他流体，也可参 照使用。 1 3 数值模拟 1 3 1c f d 简介【2 0 1 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是2 0 世纪6 0 年 代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已相 当成熟。随着c f d 的深入研究，其准确性、可靠性、计算效率得到大幅度提高， 已经从简单的定性分析发展到定量计算可以部分或完全代替实验装置。基于这些 原因c f d 在一般工程设计中己得到广泛应用。当前新设备的设计和现有设备的 改造越来越依赖计算机的预报。尽管计算方法并不能取代实验测试，但对其依赖 可显著降低。通过数值模拟，可以充分认识流动规律，方便评价、选择多个设计 方案，进行优化设计，并大幅减少实验室和测试等实体试验研究工作量。在降低 设计成本、缩短开发周期以及提高自主开发能力等方面，计算流体力学都可以起 到重要的作用。实验方法将逐步退化为验证并确立计算流体力学程序正确性与可 靠性的一种手段。 1 3 2c f d 在搅拌器中的应用 c f d 在搅拌器中的应用可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，近年来c f d 技术的发 一1 5 浙江大学硕士学位论文 展都可以从对搅拌器的应用中体现出来。搅拌器中的流动场是非常复杂的，流动 变量的变化，尤其是湍流参量的变化有时达到2 到3 个数量级，因而对搅拌器性 能的影响是非常重要的。而建立在传统方法上的放大准则，象单位体积功，搅拌 雷诺数，叶端线速度等，都是基于全场基础上的，忽略了局部的变化，因而在摹 写情况下这些准则的准确性会受到质疑，有时甚至会与实际情况相矛盾。对搅拌 器的研究迫切需要c f d 技术的支持，它可以提供搅拌器设计和放大的详尽信息。 从数值模拟的观点来说，模拟搅拌器所面临的挑战是由液面、槽壁和挡板、 搅拌器和搅拌轴所围出的流动域的形状是随时间变化的，这是与化工过程中其他 反应器的一个差别。为了解决运动的桨叶和静止的挡板之间的相互作用，许多研 究者提出了各种不同的解决方法。这个过程就c f d 技术不断发展、完善的过程。 这些方程主要有：“黑箱”模型法【2 1 吲，动量源法【2 4 “吲，内外迭代法 2 2 , 2 6 - 2 7 ，多 重参考系法( 2 8 】，滑移网格法【2 9 3 0 l 等。 “黑箱”模型法是使用最早、应用最为广泛的一种方法。缺点在于通用性差， 计算之前必须提供搅拌器区边界上包括湍动量在内的数据。从本质上限制了c f d 的进一步发展。多重参考坐标系和内外法均是稳态的计算方法。多重参考系法的 计算结果只是各个子计算域的稳态近似，适用于搅拌器与挡板之间的相互作用较 弱的情况。内外法由于目前大多数商业软件还未提供相应的模块，故使用该法需 要用户具备一定的编程基础。 滑移网格法【3 ”是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的基于流场为非稳态思想的 一种方法。由于该法可以真实可靠地模拟搅拌器和挡板之间的相互作用，故非常 适用于两者相互作用显著的场合。目前大多数c f d 软件包都提供了滑移网格法。 a r m e n a n t e 、k r e s t a 、r 柚a d e 【3 2 埘1 等人分别对有挡板或无挡板的直叶涡轮和 斜叶涡轮进行了模拟，s a h u 等人采用黑箱模型利用分区建模的方法对轴流桨搅 拌罐进行了模拟。近年来，国外许多学者开始采用滑移网格方法模拟流场。他们 都是通过对比模拟数据和实验数据验证模拟的可靠性【3 7 1 。 国内一些高校也在进行着这方面的研究。北京化工大学的侯栓弟、王英琛、 施力田等人【3 “l j 对斜叶涡轮、六直叶涡轮、螺旋桨、长薄叶c b y 螺旋桨用黑箱 模型方法进行了模拟，近年来，北京化工大学周国忠【4 2 】、钟丽【4 3 】等人、北京石 油化工学院吴立志【4 4 】和华东理工大学孙会、潘家祯对六直叶涡轮，北京化工大 学马青山等人【4 5 础1 、浙江大学王嘉骏对多层桨和华东理工大学程刚等人 4 9 】对双 向组合桨以及天津大学的薛兆鹏【2 0 】对结晶器搅拌器和未作君【5 0 】对生物搅拌槽利 用滑移网格法进行模拟。但模拟简单，与工业的实际运用有很大的差距，比如目 前工业上用的搅拌槽大多均为椭圆底或球形底，而模拟过程简化为平底，并且实 验验证方面做的不多。 浙江大掌硕士掌位论文 1 3 3c f d 软件简介 目前市场上流通的商业c f d 软件较多，比较著名的有美国c h a m 公司等推 出的t e a c h 系列及f l o w 3 d ，美国f l u e n t 公司推出f l u e n t 系列，以及英 国a e a 公司推出的c f x 和s t a r c d 。国内也有一些课题组开发出试用软件， 如：t e a m 和f a c i 等。另外还有一些用于专门领域模拟的软件，如f l u e n t 公司开发的m i x s i m 专用于搅拌槽的模拟。 f l u e n t 由美国f l u e n t i n c 1 9 8 3 年推出，是继p h o e n i c s 软件之后的第 二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含有结构化、非结构化网格两个版 本。在结构化版本( f l u e n t ) 中有适体坐标的前处理软件，同时也可以导入 p a t