（化工过程机械专业论文）异型挡板絮凝反应器的流场分析、模拟与效果强化研究.pdf

中文摘要 搅拌反应器广泛的应用于许多工业过程中，反映器内的流场特性是对搅拌反 应器进行优化设计的重要组成部分。但实验室研究并没有与工业设计保持一致。 实验室研究更多的侧重于理论分析，而工业设计则是采用专业软件对搅拌装置进 行模拟优化。为了与实际生产相结合，本实验对反应器内扰流装置进行了系统改 进，研究了四种挡板，采用激光多普勒测速仪对反应器内流场进行测量及分析， 搅拌行业专用软件m i x s i m 对流场进行模拟，并对实际四种挡板进行了絮凝实 验。 应用l d a 测量发现各种挡板产生的平均速度范围一致，均处于0 2 0 r i g s ， 但不同挡板形成的流场内速度主要分布范围不同，普通挡板和半圆挡板集中在 0 1 o 6 5 m s ，带孔挡板集中在0 2 - - , 0 7 5 m s ，正弦挡板集中在0 4 5 - - 1 0 m s ；均 方根脉动速度值也发生了变化，正弦挡板主要集中在0 1 3 - - - - 0 2 3 m s ，普通挡板 和半圆挡板主要集中在0 0 7 5 - - , 0 1 6 m s ，带孔挡板主要集中在0 1 0 0 2 0 m s ：测 量的湍动能值中普通挡板和半圆挡板集中在0 0 2 0 8 4 5m 2 s 2 ，带孔挡板集中在 0 0 8 - 1 1 2 5m 2 s 2 ，正弦挡板集中在0 4 0 5 一2 0m 2 s 2 。 通过模拟发现整个流场内的最大速度发生在包含挡板的两个交插平面上，最 大速度达到了2 0 5 m s ，在竖直剖分平面内速度存在增大、减小、增大再减小的 趋势；产生的最大湍动度方面正弦挡板比普通、带孔、半圆三种挡板分别提高了 3 8 、1 4 、0 8 ，所需要的轴功率则分别降低了6 1 、5 0 、4 7 。 为了考察实际絮凝效果，本课题做了不同快搅速度、快搅时问、慢搅速度、 慢搅时间四组条件实验，对比不同条件下最优效果，正弦挡板的絮体含水率比普 通、带孔、半圆三种挡板分别提高了0 3 - 2 5 、1 - - - 3 3 、0 2 1 9 ，上清液 浊度分别降低了1 1 5 - - - 5 9 、8 9 3 9 3 、1 6 4 9 。 关键词：絮凝反应器激光多普勒测速仪m i x s i m a b s t r a c t m i x i n ge q u i p m e n ti sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s s e s t h ef l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nr e a c t o r sa r ea l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fm i x i n gr e a c t o r o p t i m i z e dd e s i g n ，b u tt h ed e s i g ni nl a b o r a t o r yi sn o tc o n s i s t e n tw i t hi n d u s t r i a ld e s i g n l a b o r a t o r yd e s i g nf o c u s e so nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n di n d u s t r i a ld e s i g nu s u a l l yu s e s p r o f e s s i o n a ls o f t w a r et oo p t i m i z et h em i x i n gd e v i c e s t oc o m b i n ea c t u a lp r o d u c t i o n , t h es t u d yi m p r o v e st h eb a f f l e si nt h er e a c t o r f o u rk i n d so fb a f f l e sw e r ed e s i g n e d , l d va n dm i x s i mw e r eu s e dt om e a s u r ea n da n a l y z et h ef l o wf i e l di nt h er e a c t o r t h ep r a c t i c a lf l o c c u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e t h em e a nv e l o c i t yr a n g ei na l lr e a c t o r si sc o n s i s t e n tf r o ml d am e a s u r e a uf r o m 0t o2 0m s ，b u tt h ef o c u sa r ed i f f e r e n t t h ec o m m o na n ds e m i c i r c l eb a f f l er e a c t o r s a r ef r o m0 1t oo 6 5m s ，t h ed r i l l e db a f f l er e a c t o ri sf r o m0 2t o0 7 5m s ，t h es i n e b a f f l er e a c t o ri sf r o mo 4 5t o1 0m s ；f o rr m s t h es i n eb a f f l er e a c t o ri sf r o mo 13t o 0 2 3r i g s ，t h ec o m m o na n ds e m i c i r c l eb a f f l er e a c t o r sa r ef r o m0 0 7 5t o0 16m s ，t h e d r i l l e db a f f l er e a c t o ri sf r o m0 1t o0 2m s ；f o rt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y , t h ec o m m o n a n ds e m i c i r c l eb a f f l er e a c t o ra r ef r o m0 0 2t o0 8 4 5m 2 s 2 ，t h ed r i l l e db a f f l er e a c t o ri s f r o m0 0 8t o1 12 5m 2 s 2t h es i n eb a f f l er e a c t o ri sf r o m0 4 0 5t o2 0m e s 2 t h em a x i m u ms p e e di so nt h et w os u r f a c e sw h i c hc o v e rt h eb a f f l e s ，a n di ti su p t o2 0 5r n s t h ec u r r e n ti nt h es u r f a c ei si n c r e a s e 、d e c r e a s e 、i n c r e a s ea n dd e c r e a s e t h e m a x i m u md i s t r i b u t i o no ft u r b u l e n ti n t e n s i t yw h i c hi sg e n e r a t e db ys i n eb a f f l er e a c t o r e n h a n c e3 8 、1 4 、0 8 a n dt h en e e d e ds h a f tp o w e rr e d u c e6 1 、5 0 、4 7 r e s p e c t i v e l y i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef l o c c u l a t i o ne f f e c t ，w ed od i f f e r e n te x p e r i m e n t a t i o n s w h i c hi n c l u d er a p i ds t i r r i n gs p e e d 、r a p i ds t i r r i n gt i m e 、s l o ws t i r r i n gs p e e d 、s l o w s t i r r i n gt i m e c o m p a r e dw i t ho p t i m a lr e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h er a t eo fw a t e r c o n t e n ti nt h es i n eb a f f l ee n h a n t e0 3 - 2 5 、1 3 3 、0 2 1 9 a n dt h et u r b i d n c s s r e d u c e11 5 - 5 9 、8 9 - 3 9 3 、1 6 - 4 9 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ： f l o c c u l a t i o n r e a c t o rl d vm s i m 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 含为获得一天津大学一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。 学位论文版权使用授权书 月届日 本学位论文作者完全了解一天津大学一有关保留、使用学位论文的规定。特授权一天津大学 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) 签字日期： 叼年 歹月侈r 如酉 签字日期：刁年月f 乡日 签字聃。叩年月f 乡日 刖吾 悬浮于流体中的固体颗粒在重力作用下与流体分离的过程称为沉降，但对于 分散度较高的物系，因为布朗运动所引起的扩散作用不利于沉降的进行，所以扩 散成了沉降的阻碍因素。粒子越小，这种影响就越显著。当沉降速度与扩散速度 相等时，物系就达到平衡状态，这种现象称为沉降平衡。 1 9 1 0 年，贝林根据上述思想推导出了一个公式，并进一步证实了这个公式的 正确性：若n l 表示在x l 高度截面内的粒子浓度，n 2 表示在x 2 高度截面内粒子的 浓度，p 表示颗粒密度，p o 表示分散介质密度，r 表示粒子半径，g 表示重力加速 度，l 表示阿佛加德罗常数，则在沉降达平衡时，胶体粒子的浓度随高度的分布 符合以下公式： v41 土l r = e x p 一 万广一p o ) g l ( x , 一五) 去】 ( o 一1 ) v 2 j瓜 此式被称为高度分布定律。球形粒子在液体中的沉降速度可由s t o c k s 公式求出： ， v = g 宰，2 ( p 一扁) ( o 一2 ) y 刁 式中v 为微粒的沉降速度，t 1 为液体的动力粘度系数，其他符号同式( 0 1 ) 。这 说明球形粒子在介质中下降的速度与球体半径的平方成正比，与液体的粘度系数 成反比。当颗粒物粒径在0 0 5 一0 1 m m 以上时，借助自然沉降的方法可以使之与 分散介质分离而被除去。而粒径小于上述值的颗粒物，由于其沉降速度极慢，单 靠其本身重力，自然沉降已无实际意义。在此情况下须破坏其聚合稳定性使微粒 相互聚合变大，从而实现微粒与介质的分离。 液体分散介质中的微粒由于布朗运动和沉降速度极小而具有沉降稳定性，而 微粒因表面电荷相互排斥而具有聚合稳定性，由上述分析可知，欲破坏体系的沉 降稳定性，需首先破坏其聚合稳定性，聚合稳定性的破坏会导致体系沉降稳定性 的破坏。聚合稳定性的破坏一般可通过两种机理：一种是通过克服微粒间静电斥 力后由v a nd e r w a a l s 力引起微粒的相互聚结长大，这被称为凝聚；另一种是由线 型的高分子化合物在微粒间“架桥”联接而引起微粒的聚结，这被称为絮凝。絮 凝是指通过所添加的高分子药剂的吸附架桥，将不稳定状态的悬浮颗粒或胶体结 合成较大聚集体的过程。常规的混凝过程主要偏重于对浊度的去除，一般中药中 产生浊度的物质主要是小于1 0 岫的颗粒物，这些颗粒在中药中保持悬浮的分散 状态。根据式( 1 2 ) 计算，直径l o g m 拘粉砂在水中下沉1 m 水深约需l o o m i m 而 当直径缩d x l o 倍变为l 岬时，其理论沉降时问将变为1 0 0 0 0r a i n 。这些微小颗粒由 于受到周围水分子的热运动冲击，还具有不同程度的布朗运动特性，阻碍了它们 的下沉运动，往往使之在相当长的时间内，保持在稳定状态。因此不能靠自然沉 降的方法把这些微粒从中药中去除，絮凝则成为有效实用的过程。另外中药中所 含的淀粉、蛋白质、粘液质、鞣质、色素、树脂、树胶被看作是无效成分，其存 在会使固体制剂服用量增大，液体制剂( 如口服液、注射剂) 的澄清度不好，糖 桨中含有大量蛋白质易霉坏等。为克服这些问题，在中药制剂的生产过程中，需 要对药物的提取液进行净化以去除杂质，保留药材中的有效成分，减少服用量。 常用的分离纯化方法有水提醇沉法、超滤法、高速离心法、大孔吸附树脂法和絮 凝澄清法等。相比这些技术，絮凝技术具有设备投资少、处理效果好、易于操作、 管理简单等优点，适用于中药制剂澄清过程。而药剂类产品生产工艺中的关键步 骤即在其提取液的澄清工艺上，原工艺采用醇沉法，醇沉法是利用中药中的部分 有效成分既溶于醇又溶于水的性质，采用醇沉除去部分不溶于乙醇的组分如蛋白 质、淀粉等。它可以有效地去除提取液中的许多杂质，提高澄清度。但近几年对 该工艺的药剂学研究发现它对药品的有效成分和疗效有一定的影响，存在不少缺 陷：有效成分的损失：如甙元、香豆素、内酯等在水溶液中含量很低的物质以 及对免疫有重要调节作用的多糖易被除去，醇沉过程中这些成分极易沉淀，从而 影响药品的疗效；醇沉过程中因络合条件的改变，极易导致微量元素损失； 水提液经乙醇处理时，除去了大量高分子化合物，使水提液本身的自然胶体稳定 体系被破坏，导致醇沉后的药液在贮存中易沉淀和粘壁；在醇沉中大量使用酒 精，在回收中一般损耗酒精量至少3 0 以上，且必须购置专门设备，大大增加了 固定投资，耗能耗物，生产周期长，劳动强度大，已无法满足日益扩大的国内与 国际的市场需求。本课题主要是以养阴清肺糖桨中的原料水提液为处理对象，探 索设计一种具有新型结构的高效低耗的絮凝器，并初步探索其操作参数以便更好 的探索生产实践，以达到缩短养阴清肺糖桨的生产周期，降低其生产成本的目的， 为今后中药生产现代化的工业化进程提供有益的参考资料。 第一章文献综述 1 1 搅拌 第一章文献综述 搅拌是化工生产过程常见的单元操作装置中的重要组成部分，通过搅拌可以 加快两种或两种以上具有不同性质的物质问的传质速度，达到减小边界层厚度、 强化传质、加速传热及快速均匀混合的目的。因此搅拌设备在诸多领域有着广泛 的用途，特别是在制药、精细化工、染料、油漆等产品的生产中应用更为广泛。 通过搅拌能使物料产生流动、分散、细微化，从而可以增加接触面积，降低界面 阻力，以促进传质过程的进行。搅拌能增加传热速率，提高传热系数，促进传热 过程。在激烈的温度变化和浓度变化的场合，通过搅拌充分混合，可以消除局部 过热和局部反应，防止较多副产物的生成。在固一液系统中搅拌可防止颗粒沉降， 促进固体颗粒的溶解。在吸附和结晶过程中，搅拌能增加表面吸附作用，以及析 出均匀的结晶等。总之搅拌操作与反应、传热、吸附、溶解、结晶等单元操作均 有密切的关系。 搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌槽三部分组成。槽体的形式通常是立 式圆筒形的，筒体上部和下部装有碟形或椭圆形的封头，对于一些具有特殊要求 或特殊工艺的设备其槽体也可采用卧式。立式槽在常压下操作时，为降低成本可 采用平底槽，在某些情况下可以敞口操作。此外还有一些特殊形状的搅拌槽如锥 形槽等。通常搅拌槽的中心线与搅拌轴的中心线是重合的，但也有两轴线互相垂 直、互成一夹角、互相平行等不重合的情况，分别称之为侧进式、斜进式和偏置 式搅拌设备。有时搅拌轴上可装有多个叶轮。不同槽体、叶轮和附件的组合使实 际应用的搅拌设备的形式多种多样。 搅拌装置是以传动装置带动搅拌轴以所需的转速进行转动，并保证搅拌轴获 得所需的扭矩。绝大多数的搅拌设备中，搅拌轴只有一支，且搅拌叶轮以恒定的 速度向一个方向回转。然而也有一些特殊的搅拌设备，为获得更佳的搅拌效果， 在一个搅拌槽中使用多个叶轮，有时还让叶轮进行复杂的运动。如复动式、往复 式、行星式、组合式、双轴卧式等。 搅拌设备上附件很多，对搅拌效果产生影响的主要有四种，即挡板、导流筒、 夹套和内置传热管。安装挡板有利于控制槽内液体的流动，消除不良混合区，强 化混合和促进固一液悬浮、气一液和液一液分散。导流筒主要用于推进式和螺杆 式叶轮的导流，可严格控制流形，防止短路，获得高速涡流和高倍循环，也能强 第一章文献综述 化传热和分散过程。传热夹套是一个在反应器筒体外面能形成密闭空间的容器， 在用液体传热介质时，为强化传热效果，可在水的入口处安装促使水进行湍动的 扰流喷嘴或在夹套空间设置螺旋导流板。当槽直径较大时可采用半管夹套。当需 要的传热面较大，使用夹套还不能满足传热要求时，或反应器内壁衬有橡胶等隔 热材料而不能采用夹套传热时，可采用内置传热元件传热。最常见的内置传热元 件是盘管，导流简也往往作为内置传热元件使用。在某些情况下直立的内冷管还 可作为挡板使用。然而在国内外文献中对搅拌设备上附件的研究成果记录较少， 更多的是通过对搅拌桨的研究，改变反应器内流场，从而达到特定工艺要求。 1 1 1 国外新型桨的研制现状 搅拌桨的形式、结构参数和操作参数对搅拌过程和效果都有着极其重要的影 响。一套设计优良的搅拌桨在满足过程要求的前提下，其能耗和成本都会降低； 而设计不良的搅拌桨不仅能耗大、成本高，有时还不能满足过程要求的需要，难 于生产出合格的产品。为此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r p r c h e m 公 司研制的m a x f l o 桨，该桨比传统的圆盘涡轮桨传质系数提高4 0 ，功耗降低了5 0 蟛z j ；美i 雪l i g h t n i n 公司研制的a 3 1 5 桨，适用于气液传递，持气量比圆盘涡轮桨 高8 0 ，功耗降低4 5 ，产量提高1 0 - - 一5 0 ，而产生的剪切力为一般桨的1 4 1 】； 另外，还有德国e k a - 1 0 公司研制的i n t e r n o i n g 桨，法国r o b i n 公司的h p m 轴流桨等 p 】【4 】。除了对广泛应用的桨叶的改进，还有很多针对特殊要求的桨型，如日本近 期研制的板式桨，其适用的黏度范围很广，对液位波动的适应性液很好；国外出 现的典型的径向流搅拌桨r u s h t o n 桨等，这些精心设计的桨叶针对特定的工艺要 求，能够达到最佳的搅拌效果和节能效果。 1 1 2 国内新型桨的研制现状 国内搅拌桨的开发起步较晚，约始于2 0 世纪8 0 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n # f 弓i 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，出现了改进型自混式圆盘涡轮搅拌器( 简称s d n 、c b y 桨、l a 桨、m t 桨 和m 桨等【5 j f 6 】【7 】【8 】：( 2 ) 注重对搅拌桨流场和性能的研究。通过从n p f 弓i 进或自编 的软件，对搅拌桨流场进行模拟或图象处理，通过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【9 】【10 1 。为了充分发挥每个 单型桨的优点并避免其缺点，出现了组合桨。国外做法是将两种或者三种不同性 第一章文献综述 质的搅拌装置组合在一个釜中，对其搅拌作用进行有机地结合，形成高效节能的 搅拌器。这些桨各具特色，不同搅拌桨分轴或同轴安装，分别单独驱动或用一个 电机同步驱动，搅拌方向相异，搅拌速度不同，在工作过程中采用匀速。这些高 效搅拌器的研制公司主要有瑞士的f r y m a 公司、b r g l i 公司、美国的l i g h t n i n 公司掣1 1 】，这些公司在科技先进程度和市场占有率上均处于国际领先水平。国内 有关组合桨的开发，以浙江大学和华东理工大学联合反应工程研究所的研究工作 较为突出。他们已经研制和实验出了双轴异桨组合搅拌桨、螺带一透平组合搅拌 桨、正交双层三角桨一单螺带桨、正交双层三角桨一内外单螺带桨等桨型。通过 对这些组合桨的研究，发现组合桨比单一类型的桨具有一定的优势1 2 】【1 3 】【1 4 】。但 是，这些组合桨只是对各个单一桨进行简单的组合，没有考虑如何采取适宜的手 段对它们的结构和尺寸进行有机地融合，以最好地发挥它们的组合性能，这正是 国内搅拌器所要努力的方向。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。 实际生产过程中，絮凝设备及工艺在诸多领域有着广泛的用途，特别是在制 药、精细化工、染料、油漆等产品的生产中应用更为广泛，在这些实际应用的设 备中也存在着很多值得我们借鉴和思考的理论及方法。 1 2 国内外絮凝设备及工艺的研究现状 在絮凝工艺方面，欧美和日本等国，特别是美国，在5 0 年代前多使用往复式 隔板絮凝池。到7 0 8 0 年代逐渐较多采用机械搅拌絮凝。水处理研究工作者们总 结出了推流絮凝与完全混合絮凝的两种基本理论，并逐渐澄清了水力絮凝与机械 絮凝的可行性与适用性。 近年来，美国和日本多数水厂采用卧式机械絮凝装置，有些水厂还采用水平 式与周流推进式装置，日本有些水厂采用可调节的阻流板来改善水力絮凝池的反 应条件，均取得良好的效果【15 1 ，西欧及北欧的水厂也比较多的采用机械絮凝装置。 此外，国内外在絮凝反应工艺观念上也发生了重要转变，以现代化工业反应形式 代替传统混凝土构筑物形式，进行强化水质净化处理，做到简化工艺流程，做到 高效药剂与高效反映工艺设备的相互协调，以达到最优化处理效果。 絮凝反应器形式较多，主要分为两大类【1 6 】：水力搅拌式和机械搅拌式。近十 几年来国内外常用的絮凝反应器有：隔板絮凝池、网格絮凝池、折板絮凝池及机 械絮凝池等；目前国内外应用较广、絮凝条件较好的工艺有网格絮凝池( 水力) 和 格栅絮凝池( 机械) 等。 第一章文献综述 1 2 1 回转式隔板絮凝池 回转式隔板絮凝池回转角度分9 0 度和1 8 0 度两种【1 7 1 ，其絮凝机理遵循g t 原则 ( c a m p 和s t e i n 认为在紊流条件下，速度梯度可以用( e t g ) o j 计算，e t 为单位水 体中总能量耗散率的空间平均值，p 为水的绝对粘度) 。由此得到单位体积水体中 两种颗粒每秒的碰撞次数： n = 3 4 强伤( + r 0 3 ( 日) o 。5 ( 1 - 1 ) 该类型反应池的优点是：1流态呈推流式，水流速度及g 值沿流程递增， 有利于絮体的成长和长大；29 0 度转角比1 8 0 度转角阻力小，絮凝效果好，出水 浊度底，药剂用量少。缺点是：絮凝时间长，絮凝池容积大，且当水量变化时， 絮凝效果不稳定，特别是该种絮凝池不适用于小型水处理厂，因为水量过小时， 廊道过窄或过浅，不利于絮凝池的建造、管理和维修。 1 2 2 网格絮凝池( 水力) 如果能在絮凝池中大幅度的增加紊流微涡旋的比例，就可以大幅度的增加颗 粒碰撞频率，有效地改善絮凝效果。网格絮凝池【1 8 】是在水流通道上设置多层小孔 眼格网，其作用主要有三点：( 1 ) 水流通过网格的区段是速度激烈变化的区段， 也是惯性效应最强、颗粒碰撞率最高的区段；( 2 ) 小孔眼网格之后紊流的涡旋尺 度大幅度减少，微涡旋比例增强、离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次 数；( 3 ) 限制了凝聚颗粒的不合理长大，增加了颗粒的密实度，避免了轻、细颗 粒的形成。 1 2 3 折板絮凝池 折板絮凝池【l 蛳是在隔板絮凝池的基础上发展起来的。根据水量的大小可设计 成单通道或多通道。整个絮凝池的设计一般分为三段，每段的絮凝池容积可大致 相等。其中，第一段布置异波折板，第二段布置同波折板，第三段布置平板。水 流流经絮凝池时，在第段产生缩放流动。第二段产生曲折流动，第三段产生直 线流动。水流产生的紊流程度由大到小，水流质点问产生碰撞的几率由大到小， 从而使得絮凝g 值也由大变小，以满足絮凝体增大结大要求。折板絮凝池提高 了絮凝池的容积利用率和能量利用率，有效地改善了水流中速度梯度的分布状 况，使其更趋于合理。因此，这种絮凝池的絮凝效果好，絮凝时间短，水头损失 小；缺点是安装维修比较困难。故此种絮凝池目前一般多应用于中小规模的水处 理厂。 第一章文献综述 1 2 4 格栅絮凝池( 机械) 传统的机械搅拌絮凝池的主要缺点在于混合区域的不均匀性性。t o i i l i 、 s t a n l e y 、s t a n l e y 和s m i t h 发现：搅拌桨桨叶区的紊流速度比平均紊流速度要大得 多，同时发现组合桨桨叶在容器壁壁面方向上产生一种冲击式流态，在这些区域 发现存在大的剪切力，这些大的剪切力会引起絮凝颗粒的破碎，使得反应器内的 絮凝与所期望的絮凝最佳效果相距甚远。为此l e u e m 等人运用密实的栅格来 代替桨叶进行水力搅拌，在垂直栅格较小速度下可以得到同样的平均速度梯度， 并且当用的栅格数较多时，能在更为平稳的混合环境中产生絮凝长大的最佳g 值，而且颗粒碰撞频率高，絮凝体破碎率低，在处理反应器中的水力变化上具有 更好的稳定性能。 不同形式絮凝池的组合运用是我国水处理工艺的一大特色。实践证明，不同 形式的絮凝池串联使用，可以取长补短，充分发挥每一种絮凝池的优点，提高絮 凝效果，降低工程造价，如往复隔板与回转隔板的组合。絮凝初期，絮凝体较小， 不易破碎，故在絮凝池前段用往复隔板；絮凝后期，絮凝体已结大，容易破碎， 故在絮凝池后段，采用回转隔板，避免水流做1 8 0 度大转弯j 再如，当水量较小 时，若只采用隔板絮凝池，由于絮凝池的前部分隔板间距过小或深度过浅，造成 建造和维护困难或占地面积太大。此时，可将穿孔旋流絮凝池与回转隔板絮凝池 组合运用，前段采用穿孔旋流絮凝池，避免了隔板间距过小或水深太浅的矛盾， 后段采用回转隔板，由于流速降低，隔板间距不会太小或水深不会太浅，不会给 施工和维护管理带来麻烦，同时也避免了穿孔旋流絮凝池水流上下左右频繁转弯 对后期絮凝产生的不良作用。 通过以上分析我们发现，在实际絮凝过程中，尤其应用在水处理方面絮凝工 艺已经比较成熟，对于设备中搅拌桨桨型的研究也比较系统，尤其一些具有实力 的国内外大公司的介入，使得人们对各种搅拌桨形成的流场认识比较成熟，对不 同功能的新型搅拌桨的开发进展也很快，但是很少有涉及搅拌装置中的辅助设备 一挡板的研究。本实验主要改变絮凝反应器中的扰流装置，从而在不改变流场内 主要流型的基础上对反应器内流场进行强化，来提高实际絮凝的反应效果。为了 节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到具体 的指导作用，在实验进行前我们通过专用搅拌软件m 【) ( s 口m 对不同扰流装置的 流场进行了具体的模拟，并应用激光多普勒测速仪对流场内不同的位置点进行了 速度、脉动速度等测量，从而指导模拟过程中不同系数的调整。在模拟得出的规 律指导下进行实际絮凝试验，反过来验证模拟效果，从而为最终的工业化应用服 务。 第一章文献综述 1 3 激光多普勒 1 3 1 激光多普勒测试技术简介及现状： 在化学工业中经常遇到流体( 包括气体和液体) ，因此对流体性质的研究是化 学工程领域的一个重要内容。多年来，人们一直应用机械探头来测量流体的速 度，例如皮托管、热线和热膜风速仪等。由于这些测量仪器为接触式测量，都 要在流体中插入一个物体，造成对流体的干扰，并且这些仪器对流体中的粒子含 量非常敏感。因此使用范围受到限制，特别是在恶劣的环境中( 例如火焰) ，常常 难以使用机械探头测量，需采用非接触式测量。激光多普勒测速仪即是一种新型 的非接触式测量仪器。激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y ，简称l d v ) ， 又称激光风速测量技术、激光多普勒风速测量技术( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ， 简称l d a ) 、激光测速技术、光学测速技术，是近些年发展起来的。最早应用激 光多普勒技术原理测量流体速度的是y e h 和c u m m i n s 。1 9 6 4 年他们使用6 3 2 8 n m 的氦氖激光器，测量了流过水管的流体层流速度分布，其结果与理论的抛物线 分布符合。由于l d v 相对于传统的皮托管和转子流量计等速度测量仪器，是一 种非接触测量手段，具有不干扰流体流动、空间分辨率高、动态响应快等优点，在 化学工程，特别是在流体力学领域获得了广泛的应用。很多化工设备涉及到流体 的流动，而流体的流动状况对设备的效率有很大影响。研究流体流场，对改进设 备及设备的扩大化有重要意义。l d v 的出现，尤其是与c f d ( 计算机流体力学) 相 结合，为化工设备的研究提供了新的手段。d o n g 等人【2 0 j 利用l d v 测量了直径为 2 0 e r a 的无挡板搅拌釜内的流场；a l b e r t 等人【2 1 坝0 量了斜桨叶搅拌釜内的流场并将 测量结果用于校核数学模型；s c h f e r 等人【2 2 】利用l d v 进行了三维流场的测量； r u t h e r f o r d 等人【2 3 】测量了透平桨搅拌釜内的流场；a r m e n a n t e 等人【2 4 】测量了斜桨透 平搅拌釜内的层流并将实验结果用于计算流体力学槽的边界条件；h o c k e y 等x 1 2 5 j 利用l d v 比较了不同桨型对搅拌釜内流场的影响；j a w o r s k i 等人【z 6 j 用l d v 研究了 不同搅拌桨动力消耗情况；d u c u s t e 等人【2 7 】贝0 利用l d v 研究不同搅拌釜体积下不 同桨型的速度场。总之，利用l d v 测量搅拌釜内的速度场，既深入了解了搅拌釜 内流体流动情况又为计算流体力学模拟提供了依据。虽然利用l d v 钡i j 量技术可以 准确获取搅拌槽中丰富的信息，如时均速度场、湍流强度场、雷诺应力场、剪切 速率场，并可进一步计算得到宏观特征参数如排量和功耗等，但是l d v 是在一段 时间内某一测点处进行测量，因此所测速度是时均定量值，再通过对搅拌槽中每 一点的测量从而得到整个流场，所以l d v 仅仅能提供一些重要参数，而不能从本 质上认识混合与流动，无法改变目前依靠经验来放大的现状，并且l d v 是一种光 第一章文献综述 学仪器，它只能在光学透明容器内进行测量，液体内不能有高浓度的气泡和悬浮 固体，同时l d v 是典型的单点测量仪器，即使使用微机自控的激光测速仪，每次 也只能测量一点，要想获得一个搅拌混合设备的流场信息，就需要测量几十到几 百个点，由于这些测量不能同时进行，因此l d v 不利于研究非稳态流动。 1 3 2 激光多普勒测速仪的测速原理 激光多普勒测速法是利用运动粒子散射光的多普勒效应测量粒子速度。该方 法是以测量流动中的粒子速度来近似当时当地的流体质点速度。波传播多普勒效 应是指单色波的频率在静止和运动参照系中的差别。当由一个静止的激光光源发 出单色光照射在一个运动微粒上时，微粒接收到的光波频率与光源频率会有差 异，如果用静止的光检测器来接收运动微粒的散射光，那么光波频率和光检测器 接收到的光波频率之差即为多普勒频移【2 8 】【2 9 】。频率为岛的激光通过分光镜分为两 束光s 卜s 2 。对光束s l 进行光频调制，发生频移后光束s 】的频率为岛+ ( 的频率高 于多普勒频移f d ) 。光束s 】被运动速度为v 的粒子所散射，散射光s 1 的频率为岛+ f d 。同时，另外一个光束s 2 也沿着散射光方向射向雪崩二极管( a p d ) ，两束光 在静止的a p d 表面进行混频。a p d 接收到的电信号频率就是两束光的频差f a f = f o + f s f d - - f o = f s f d( 1 - 2 ) 设v 为粒子的运动速度，九为激光的波长，0 、a 分别为激光入射光、散射光 与粒子运动速度方向的夹角，则 厶：v ( c o s o _ - c o sa)(1-3) 即， ， v = 二尘l f 1 - 4 ) ( c o s 目一c o s a ) 累计一定时间内a p d 输出的脉冲个数，从而得到多普勒频移f d ，物体运动速 度v 的大小也就能相应计算出来了，其运动方向通过比较f - 与f s 的大小来判别。 此外，在大多数情况下使用多普勒激光测速仪需要在流体中施加人工粒子才 能测量速度，所选粒子的大小、浓度、反光性及其投放方式等都将对测量的精度 和采样的速度有很大的影响。有关具体的粒子特性及要求将在第二章中进行详细 说明。 第一章文献综述 1 3 3 激光多普勒速度坐标变换 图1 - 1 激光多普勒试验装置图 z 本实验装置为三色六光束后向接收式，如图1 1 。由激光器发出的激光经光 分离器中的色散棱镜、布拉格盒分成三色六束光，它们依次的波长为4 7 6 n m 的一 对紫光、4 8 8 n m 的一对蓝光、5 1 4 5 r i m 的一对绿光，在每对光中有一束光加有f o = 4 0 m h z 频移( 如图1 2 ) ，以确定流动方向。在光学发射收集头由一条蓝光和 一条绿光重合为一束混合光，l d v 的三维通道就是由这三组分离的五条光束构成 ( 如图1 2 ) 。由运动粒子散射光产生的多普勒信号f d 并不带有方向性，所以加 频移后使测量每个速度分量的两束同色光产生4 0 m h z 频差，由干涉条纹理论分析 知，光束会产生方向从高频到低频的干涉条纹移动。如果运动粒子逆向而动，实 际测得的多普勒信号为l = f d + 局；反之，运动粒子顺向而动，贝i j f d = f d 一而。因 此，实际运动粒子若沿低频光束流向高频光束，即逆条纹移动方向，则速度为正 值，否则速度为负值【3 0 】，如图1 3 、1 - 4 。 紫光有频移 有颏移绿光 蓝绿混合光无频移 有频移蓝光 光无频移 f f f o = 4 0 n - l z v 。 一厶五 0 vl i e ：一 & 门( 口，2 ) 图1 2 光学发射头1 3 无频移v f 关系图1 4 有频移v f 关系 实际测量过程中，测试方向为x 方向，三维坐标移动系统由初始位置沿z 方 向移动。两束紫光位于水平平面内，用于测量运动粒子的水平分量即y 方向分量 第一章文献综述 v 绿= v y ( 如图1 5 ) ，且垂直于蓝、绿、混合光组成的垂直平面，实际测量值为 射流的切向速度分量；蓝、绿、混合光在同一个x - z 平面内，用于测量运动粒子 的两个非正交速度分量v 绿和v 蓝( 如图1 6 ) ，0 1 为绿光测得速度分量与x 轴夹角， 0 2 为蓝光测得速度分量与x 轴夹角。经过非正交到正交的坐标变换，得到正交系 下速度v 的流向速度分量v ) 【、经向速度分量v z 。 坐标变换矩阵如下： 阡 无频移紫光 有频移紫光 ， ( 1 5 ) 0 1 ； 多夕 卜龇 v t 图1 - 5 水平面速度分量图1 - 6 垂直面速度分量 1 4c f d 模拟 1 4 1c f d 软件简介 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称，是 专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分析 并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测反应器性能，并通过 改变各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解 问题产生的机理，指导实验，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果 的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于 现有流动理论的商用c f d 软件。而计算流体分析也已经变成了一种非常流行和实 坠帕。删一帕 s 一( i 一( 一一。删一一 羔。禹 第一章文献综述 际的分析搅拌容器的方法，它可以提供整个容器的详细信息，如速度、湍动能、 能量耗散率等，通过对c f d 模拟产生的大量数据的详细分析，可以揭示流动行为， 溶液的流动循环模式和旋转结构，为工业搅拌容器的设计提供更多的方法。从 1 9 8 2 年h a r v e y t 3 l 】第一次将计算流体力学引入到搅拌槽内二维流动场的预报开始， 对搅拌槽内流动特性的数值模拟研究迅速地发展起来。虽然其应用时间还不算 长，但是却给搅拌混合的研究注入了新鲜的血液。人们对搅拌混合这种古老的单 元操作过程的研究尚未形成完整的理论体系，主要还是依靠一些经验的手段，如 基于单位体积功，雷诺数或叶端线速度等放大准则一直仍在使用。实践证明，按 上述原则设计优化的搅拌器有许多不是处于最佳状态，因而造成浪费。随着新产 品及新技术的发展，对过程中流体的混合效果、传热及传质提出了更高的要求。 传统的经验放大设计方法的可靠性越来越受到人们的质疑。因此，对搅拌反应器 的设计优化迫切需要建立更加可靠的放大准则。c f d 方法正是适应这种趋势而发 展起来的一种新的设计工具。 1 4 2c f d 软件研究现状 在早期搅拌罐c f d 模拟中主要是采用黑箱模型的方法，这种方法需要输入试 验测量数据作为边界条件，这些模拟方法并不考虑搅拌桨几何形状对流场的影 响，而是将包括搅拌桨在内的区域作为黑箱，不对其进行模拟，而将这一区域边 缘的速度作为边界条件对其外部流场进行模拟，这些边缘的速度一般通过l d v 或p 测得。由于黑箱模型必须输入初始参数条件，而这些参数条件的输入又依 靠对反应器的测量，需要建立大量模型，并进行几个周期的实际测量，非常消耗 人力、物力和财力，随着人们对c f d 技术的逐渐掌握，c f d 模型逐渐发展了动量 源法，多重参考系法( m u l t i r ef e r e n c ef r a m e ) 和滑移网格法( s l i d i n gm e s h ) 等技术， 不再依靠实验数据。尤其是近年来非结构化网格技术的发展，使人们能够描述复 杂的几何形状，极大的促进了c f d 的发展。数值模拟己经成为一种独立和有效的 研究工具。由于数值模拟可大大减少实验工作量和缩短实验周期，并能提供实验 方法所不能获得的详尽信息，因而越来越受到人们的重视。 国内的研究者在搅拌槽内流场的c f d 数值模拟方面取得了一定的成绩。北京 化工大学侯栓弟【3 2 】对低粘、湍流域中c b y 桨的三维流场进行了数值模拟；浙江 大学于鲁耐刀j 成功计算了锚式搅拌器和刮壁式搅拌器的二维流场；北京化工大学 马青山1 3 4 】对单层c b y 等搅拌桨及多层搅拌桨的流场进行了模拟：北京化工大学 周国忠【35 】使用c f d 软件对搅拌槽内非牛顿流体的湍流流动进行了数值模拟，并将 计算结果与实验结果进行了对照，还根据混合过程的原理，在c f x 软件的基础上 开发了混合过程计算程序，从c f d 的角度对单层和多层涡轮搅拌桨在搅拌槽内的 第一章文献综述 混合过程进行了研究；周国忠还利用c f d 软件提供的各种条件，对搅拌槽内的三 维流动场进行了详细的基础数值研究，研究物系为水，使用的搅拌桨为标准六直 叶涡轮，其重点考察了桨叶区处理方法，湍流模型，网格数量和差分格式对计算 结果的影响，通过对叶轮附近速度与湍动能分布的研究发现，以上诸因素对速度 分布的影响主要体现在最大径向、切向速度上；滑移网格法计算结果比多重参考 系法略大；r n gk - 模型计算结果优于标准k - 模型；模型随着网格数量的增加， 计算结果更接近实验测量结果；二阶差分的计算结果较其他差分结果，包括三阶 的q u i c k 格式的计算结果更加准确；对速度分布的预报并不是阶数越高越好； 对于湍流动能，所有计算结果均较实验值偏低等。随着计算机运算能力的提高， 应用大涡模拟和直接数值模拟的方法来研究搅拌槽内的流场己经逐步开展起来， 并将逐步取代现行的方法，实现对计算结果准确性的提高。 1 4 3 应用c f d 研究的优势 用c f d 方法研究搅拌槽内的流体力学信息，与实验方法对比有以下两个明显 的优点：第一，在计算条件可以保证的条件下，用c f d 方法研究基本不受搅拌槽 规模、形式及操作条件的限制，具有良好的通用性；第二，用c f d 方法可以获取 搅拌槽内详尽的流体力学性能，不仅包括宏观特性，还包括各种微观结构特性等。 随着流体力学理论及计算技术的发展，近年来，采用c f d 方法对搅拌槽内的流体 力学性能进行研究也有了较快的发展。为了更加准确、更加方便的获得整个流场 的详细信息，在基于c f d 内核的基础上，人们开发了搅拌行业专用的设计软件 一m i x s i m ，为了更好的实现实验室试验与实际生产的结合，本试验采用了这套软 件。 1 4 4m i x s i m 软件介绍 m i x s i m 是专业应用在搅拌容器中流体动力学模拟的分析工具，它有着容易