（热能工程专业论文）新型喷气式搅拌反应器混合过程的研究.pdf

o at h e s i si nt h e r m a l e n g i n e e r i n g s t u d y o nm i x i n gp r o c e s si nn e w t y p e j e t - - g a ss t i r r e dr e a c t o r b ys o n gx i a n g p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gt i n g a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 夕 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：箍徉平 e t 期：7 7 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：扬强牟平 签字日期：3 e0 7 7 ，f i 两年口 导师签名： 签字目期矽。7 - 7 - 弓 夕 j 炒 毒 产 东北大学硕士学位论文 摘要 新型喷气式搅拌反应器混合过程的研究 摘要 现代钢铁生产流程中，普通铁水预处理工艺成为最大限度降低钢中硫含量，生 产高洁净度钢的关键工序之一。课题组在综合颗粒镁脱硫和k r 法脱硫技术的基础 上，提出了“原位法机械搅拌脱硫”的新思路。即以m g o 镁基脱硫剂取代颗粒镁， 在铁水中原位生成金属镁蒸汽，靠惰性载气喷吹带入铁水熔池并在机械搅拌的作用 下使其分散在熔池内，从而达到提高镁脱硫效率的目的。 本文围绕“原位法机械搅拌脱硫”的新思路，对新型喷气式搅拌反应器的混合 过程进行研究。首先采用电导率法测定了搅拌、喷吹、喷吹加搅拌三种不同工艺下 反应器内流体的混合时间。然后使用f l u e n t 等软件对于不同转速、不同浸入深度、 不同偏心度以及不同桨叶的流场、浓度场以及混合时间进行数值模拟，并将模拟值 与实验值相对比，其模拟值与实验值吻合较好。最后在搅拌的基础上喷吹气体，通 过改变转速、气流量相关参数，进一步研究气液两相流的混合过程。本文研究主要 取得结论如下： 无论在喷吹还是喷吹加搅拌时，加大气流量，都可以缩短混合时间。对于单喷 吹加大气流量，缩短混合时间更为明显；无论在搅拌还是喷吹加搅拌时，增大转速， 都可以缩短混合时间。但当转速增加到一定程度，混合时间不再发生显著变化。 在单独搅拌时，改变浸入深度对搅拌槽局部流场、浓度场影响较大，对整体混 合时间的影响不大，浸入深度并不是越大越好；改变偏心度对搅拌槽局部流场、浓 度场影响较大，对整体混合时间的影响不大，随着偏心度的增加混合时间逐渐增长； 增加搅拌桨翼长或翼厚，都可以有效地缩短混合时间。 在喷吹的同时进行搅拌，转速越大，液面形成的漩涡越大，气体在搅拌桨周围 聚集的越严重，越不利于气体在熔池中的分散；气流量越大，液面形成的漩涡越小， 气体到达液面的时间越短，液面越不稳定。 关键词：铁水脱硫，c f d ，数值模拟，流场，浓度场、混合时间，气液两相流 i i ； 东北人学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nm i x i n gp r o c e s s i nn e w t y p ej e t - g a s s t i r r e dr e a c t o r a bs t r a c t i nm o d e ms t e e lp r o d u c t i o np r o c e s s e s ，m o l t e ni r o np r e t r e a t m e n th a sb e c o m eo n eo f t h ek e yp r o c e d u r e sw h i c hc a ng r e a t l yr e d u c et h es u l f u rc o n t e n ti ns t e e l ，t h e r e b y h i g h l y c l e a n s t e e lc a nb em a n u f a c t u r e d o u rt e a mp r e s e n t st h en e wi d e aa b o u t d e s u l f u r i z a t i o nw i t hi n s i t um e c h a n i c a ls t i r r i n gm e t h o do nt h eb a s i so fd e s u l f u r i z a t i o nb y s i n g l eb l o wg r a i nm a g n e s i u ma n dk rm e t h o d t ob em o r ee x a c t ，t h ei n n e rg a s e sc a r r y t h em a g n e s i u mv a p o rf o r m e di n - s i t ei nm o l t e ni r o nb ym a g n e s i u m b a s e dd e s u l f u r i z a t i o n ， b u b b l ed i s p e r s e da n dd i s i n t e g r a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fm e c h a n i c a ls t i r r i n g ，t h e n c e i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f d e s u l f u r i z a t i o nb ys i n g l eb l o wg r a i nm a g n e s i u m t h ep a p e rr e v o l v e sa r o u n dt h en e wi d e aa b o u td e s u l f u r i z a t i o nw i t hi n 。s i t u m e c h a n i c a ls t i r r i n gm e t h o d ，d e t a i l e d l ys t u d y i n gt h em i x i n gp r o c e s so fj e t 。g a ss t i r r e d r e a c t o r f i r s ta n df o r e m o s t ，c o n d u c t i v i t ym e t h o dh a sb e e nu s e dt om e a s u r em i x i n gt i m e u n d e rt h r e ed i f f e r e n tk i n d so fp r o c e s s e s i na d d i t i o n ，p a r a m e t e r ss u c ha st h ef l o wf i e l d ， c o n c e n t r a t i o nf i e l da n dm i x i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n ts p e e d sa n de c c e n t r i c i t yo ri m m e r s i o n d e p t ha r ec o m p u t e db yf l u e n ts o f t w a r e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si nt h es a m ev e i na r ew e l l c o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l yw h e ni n je c t i n ga n ds t r i n g ，w eh a v er e s e a r c h e d t h em i x i n gp r o c e s so fg a s - l i q u i d m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： n om a t t e rw h e t h e rt h e r ei s s t r i n go rn o t ，m i x i n gt i m ew o u l dd e c r e a s ew h i l et h e i n c r e a s eo fg a sf l o w s m i x i n gt i m ei ss h o r t e n e dm o r eo b v i o u s l yu n d e rs i n g l eg a s i n je c t i o n m o r e o v e r , r e g a r d l e s so ft h eg a si n je c t i o n ，m i x i n gt i m ed e c r e a s e sw i t hr o t a t e s p e e c hi n c r e a s i n g t h ec h a n g eo fm i x i n gt i m e ，h o w e v e r ，i sn ol o n g e ro b v i o u sw h e nt h e s p e e di su pt oac e r t a i np o i n t u n d e rs i n g l es t i r r i n g ，i n c r e a s i n gi m m e r s i o nd e p t ho re c c e n t r i c i t yc a nc o n s i d e r a b l y c h a n g et h e l o c a l f l o wa n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d n o n e t h e l e s s ，t h ee f f e c to fi m m e r s i o n d e p t ha n de c c e n t r i c i t yo nm i x i n gt i m ei s n o to b v i o u s ，w h i c hd o e sn o ta sf o l l o wt h a tt h e g r e a t e rt h ei m m e r s i o nd e p t ho fi m p e l l e rt h eb e t t e rt h er e s u l t m i x i n gt i m ei sl o n g e rw i t h t h ee c c e n t r i c i t yi n c r e a s i n g i n c r e a s i n gl e n g t ha n dt h i c k n e s so fp a d d l e ，m i x i n gt i m ei s i i i 毒1 l l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s h o r t e r t h er e s e a r c ho fg a s - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o ws h o w st h a tt h es i z eo fv o r t e xi n c r e a s e s a n dm o r eg a sg a t h e r sn e a r b yt h es t r i n gs h a f tw i t hi n c r e a s i n gs p e e d w i t ht h ei n c r e a s i n g g a sf l o w ，t h es i z eo fv o r t e xd e c r e a s ea n dg a sr e s i d e n c et i m ei nt h et a n ki ss h o r t e r t h e l i q u i dl e v e li sm o r eu n s t a b l e k e yw o r d s ：h o tm e t a ld e s u l p h u r i z a t i o n ，c f d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o wf i e l d ， c o n c e n t r a t i o nf i l e d ，m i x i n gt i m e ，g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ， a ， 东北人学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论一1 1 1 铁水脱硫预处理技术进展与现状2 1 1 1 铁水脱硫预处理技术进展2 1 1 2 铁水脱硫预处理技术现状4 1 2 反应器中混合时间的研究进展6 1 2 1 混合时间的实验测量7 1 2 2 混合时间的c f d 模拟8 1 3 计算流体力学在搅拌反应器中的应用现状9 1 3 1 搅拌反应器流动场的c f d 模拟9 1 3 2 搅拌反应器两相流动的c f d 模拟1 0 1 4 本文研究的主要目的和研究内容1 l 第2 章反应器混合n , - t n 的实验研究1 2 2 1 实验装置及设备1 2 2 2 混合时间的测定1 4 2 3 实验结果的讨论1 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 1 单纯搅拌相关参数对混合时问的影响1 5 2 3 2 单纯喷吹气流量对混合时间的影响1 8 2 3 3 喷吹加搅拌相关参数对混合时间的影响1 9 2 3 4 不同搅拌方式混合时间的比较2 l 2 4 本章小结2 2 第3 章反应器混合时间的数值模拟2 3 3 1 数值模拟及数据处理软件的概况2 3 3 1 1g a m b i t 软件介绍2 3 3 1 2m i x s i m 软件介绍2 3 3 1 3f l u e n t 软件介绍2 4 3 2 计算方法2 6 3 2 1 计算模型的建立2 6 3 2 2 湍流模型2 7 3 2 3 混合时间的计算方法2 8 3 2 4 边界条件及数值解法2 8 3 3 结果与讨论2 9 3 3 1 不同转速下混合时间的数值模拟2 9 3 3 2 不同浸入深度下混合时间的数值模拟3 3 3 3 3 不同偏心度下混合时间的数值模拟3 7 3 3 4 不同桨型混合时间的数值模拟4 0 v i 东北人学硕士学位论文 目录 3 4 小结4 4 第4 章气液两相流混合过程的数值模拟4 5 4 1 计算方法4 5 4 1 。1 计算模型的建立4 5 4 1 2 边界条件及数值解法4 6 r 4 2 结果与讨论4 7 广 4 2 1 流场的数值模拟4 7 4 2 2 气一液混合过程的数值模拟4 8 4 2 3 不同气流量的数值模拟4 9 4 2 4 不同转速的数值模拟5 2 4 3 小结5 2 第5 章结论5 4 参考文献5 5 致谢5 9 v i i ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 铁水脱硫是实现现代化炼钢厂优化生产工艺流程即：铁水预处理顶底复合 吹炼转炉钢水炉外精炼全连铸和热送热轧的工艺路线的重要环节。特别是 在钢铁市场面临市场激烈竞争的形势下，用户对产品质量，品种的要求不断提高。 硫作为一种有害元素( 特殊要求钢种除外) ，不仅对最终产品的内在质量和机械性能 具有显著的影响，而且也增加转炉冶炼的负担和铸坯产生热裂的危险性。因此，许 多炼钢厂即使生产普通碳素钢，也要求入炉铁的含硫量 o 0 2 0 。又如德国某厂为 我国北海油f f l 酸性输气管生产的3 6 2 8 4 m m 的x 6 5 钢板，其平均含硫量为o 0 0 0 8 ( 质量百分数，标准差为0 0 0 0 1 5 。这说明了铁水脱硫是生产纯净钢的需要，也 是市场和企业发展的需要【lj 。 冶金过程中的普通铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前进行的各种提纯处理， 它包括铁水脱硫、铁水脱硅、铁水脱磷。铁水预脱硫是生产低硫量、高洁净度钢的 关键环节。随着科学技术的高速发展，对钢铁材料的要求日趋严格，特别是海洋石 油，化工，汽车等工业的发展，均需要低硫，甚至超低硫的高品质钢材。铁水炉外 脱硫作为钢铁生产的一道工序，其优势主要在以下方面： ( 1 ) 铁水脱硫预处理发挥了渣吸收硫能力的潜力，可提高高炉的生产率； ( 2 ) 发展铁水脱硫预处理更重要的是可得到含硫很低的铁水，为生产优质钢提供 必要条件； ( 3 ) 铁水炉外脱硫相对高炉，转炉，炉外精炼等工序而言，其脱硫成本最低； ( 4 ) 发展铁水脱硫预处理后，扩大了转炉冶炼的钢种范围，使转炉能够冶炼汽车 板、海洋平台板、造船板、不锈钢等新钢种； ( 5 ) 脱硫预处理的应用也进一步保证了连铸工序生产顺行和连铸坯的质量； ( 6 ) 铁水脱硫预处理可以缩短转炉、精炼工序的冶炼周期。 铁水脱硫预处理生产线使用的处理容器转炉铁水罐是釜式反应器的一种。目前 对于反应器的选型和设计还强烈地依赖经验和实验，对其优劣很难用理论预测，特 别是对于能耗和生产成本，只能在一定规模的生产装置上进行对比后才能分出高低。 另外人们对反应器的放大规律至今仍无足够的认识，缺少理论的指导，因此只能采 用实验和专家的经验的方法进行设计，然后通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的 传质、传热和混合，这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力，而且设计周 东北大学硕十学位论文第1 章绪论 期很长。 目前，实验比较常用的方法主要是根据相似原理建立物理模型，用有机玻璃代 替耐火材料制作反应器，用水代替钢水。这样在物理模型中可以对气泡的行为、循 环流和熔池的混合等过程，甚至对升温过程的传热规律进行观测，从而获得从现场 无法获取的信息。物理模拟中，由于可缩小装置的比例，使实验费用得以大大降低。 同时，近年来计算流体力学方法( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 越来 越受到了人们的重视，在反应器设计和优化中得到了越来越广泛的应用。与实验的 方法相比，c f d 方法不仅可以节省大量的科研经费、具有较小设计周期，而且可以 获取反应器中的速度场、温度场、浓度场，不仅对混合设备的优化设计具有十分重 要的经济意义，而且对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。c f d 方法的应 用将对搅拌设备的开发带来革命性的变化【2 】。 本文以课题组自主开发新型喷气式搅拌反应器为研究对象，在已有的研究基础 上对其进行了c f d 的系统研究，并与实验数值进行对比，验证了c f d 对喷气式搅 拌反应器进行流动和传质特性研究的可行性，通过本研究能为反应器的进一步设计 和改善研究提供c f d 研究思路，也可以作为实验研究和进一步模拟的基础。 1 1 铁水脱硫预处理技术进展与现状 1 1 1 铁水脱硫预处理技术进展 铁水预处理指铁水进入炼钢之前所进行的某种处理，可分为普通铁水预处理和 特殊铁水预处理，普通铁水预处理有单一脱硫、脱硅、脱磷和同时脱磷脱硫等；特 殊铁水预处理有脱铬、提钒、提铌和提钨等。铁水炉外脱硫技术从本世纪3 0 年代开 始应用，6 0 年代蓬勃发展至今，在国外己趋成熟在实际生产中大量应用，处理工艺 方法种类繁多，约六类1 6 种，先后发明的工艺有：摇动法、机械搅拌法；吹气搅拌 法，有新日铁的p d s ( 底喷) 法和c l d s ( 顶喷) 法；钟罩压入法，主要有美国j a n e s l a u g h l i n 公司的镁焦法和其它镁系脱硫法；喷吹法，有原西德t h y s s e n 的a t h ( 斜插 喷枪) 法和新日铁的t d s ( 顶喷) 法；炉外铁水沟连续脱硫法等。 7 0 8 0 年代以降低成本、提高质量和开发品种为主的新工艺、新技术得到广泛 研究和迅速应用，连铸和炉外精炼技术发展很快。在西欧6 0 年代后期，日本7 0 年 代在对铁水预处理研究工作的基础上，于7 0 年代后期用于生产，8 0 年代在发达国 家获得广泛应用，日本川崎公司千叶和小岛两厂于1 9 8 8 年建成全部铁水处理系统。 铁水预处理己成为钢铁生产中必不可少的工序，是完善钢铁生产工艺最有效的技术 - 2 - ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 之一，是生产低硫磷( 【s 【p 】不大于0 0 1 5 ) 和超低硫磷钢( s 】 p 】不大于0 0 0 5 ) 的必 要手段，是实现经济炼钢的必要前提。大规模生产，7 0 年代采用k r 机械搅拌法与 喷吹法的预脱硫已能将铁水 s 】降n 9 5 ，而复合喷吹法约为8 0 ，混合 喷吹法脱硫效率不稳定。 ( 2 ) 处理时间短。纯镁喷吹预纯处理时间为5 m i n - 8 m i n ，而复合喷吹法约为 5 东北大学硕十学位论文第1 章绪论 1 0m i n 。 ( 3 ) 处理温降小。纯镁喷吹处理过程温降平均为8 1 2 ，而复合喷吹法温降 约为8 1 4 。 ( 4 ) 铁损低。纯镁喷吹的平均铁损为7 1k g t ，而复合喷吹法为1 0 - - - 1 2k g t 。 虽然纯镁铁水脱硫工艺有很多优点，但仍然存在需要解决的问题：一是纯镁铁 水脱硫因使用的脱硫剂量较其他工艺少得多，产生的渣量也少得多，因此脱硫产物 的铁水渣全部扒掉很困难。二是镁的汽化形成大量的镁蒸汽气泡，镁蒸汽的大气泡 停留时间短，气液接触时间短，导致镁的利用率降低。三是，喷吹镁脱硫的动力学 条件差。 为此，本课题组在综合k r 法和金属镁颗粒喷吹脱硫技术的基础上，提出了“原 位机械搅拌法铁水炉外脱硫的新思路【8 1 。即以m g o 镁基脱硫基取代金属镁0 1 ， 在铁水中原位生成金属镁蒸汽，在惰性气体的带动下喷吹进入铁水熔池，在机械搅 拌的作用下细化和分散镁蒸汽气泡，从而达到提高镁脱硫效率和镁利用率的目的。 因此，为了实现“原位机械搅拌法铁水炉外脱硫”的新思路，必须开展三方面的研究。 一是原位法产生镁蒸汽的脱硫剂的研制；二是气泡微细化和分散；三是新型喷气式 搅拌反应器的混合过程。本文主要研究第三个问题，即“新型喷气式搅拌反应器均 混过程的研究”。 1 2 反应器中混合时间的研究进展 混合过程是化工生产过程中一个非常重要的单元操作过程，它直接或间接影响 到最终产品的性能。混合过程是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散3 种扩散机理 的综合作用。主体对流扩散把不同物料以较大团块的形式混合起来，然后通过这些 大的团块界面之间的涡流扩散，把不均匀的尺度迅速降低到漩涡本身的大小。但主 体对流扩散和涡流扩散不能使物料达到完全均匀的分布( 真溶液) 状态，分子尺度 上的均匀混合只有通过分子扩散才能达到。为了研究问题的方便，人们根据尺度的 不同，把混合过程分为宏观混合和微观混合过程。宏观混合对应于反应器尺度上的 均匀化过程，微观混合过程指的是分子尺度上的均匀化过程。宏观混合增大了分子 扩散通道的面积，减少了扩散的距离，因此提高了微观混合的速度。宏观混合通常 用混合时间来表示，它是表征搅拌设备内流体混合状况的一个重要参数，是评定搅 拌设备效率的重要指标，也是搅拌设备设计和放大的依据之一【1 1 1 。混合时间的研究 进展主要包括实验测量方法和数值模拟两个方面。 6 ， 东北人学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 1 混合时间的实验测量 测量混合时间的实验方法通常是在反应器的某一位黄处加入示踪剂，利用合适 的传感器测量示踪剂的浓度随时间的变化。示踪剂在整个反应器内分散与反应器中 的物质混合，最终得到均匀的浓度分布。混合时间定义为达到一定均匀程度所需要 的时间。所加入的示踪剂可以是化学物质、电解液或感温材料。目前，用于测量混 合时间的方法主要有电导率法、光学法、温差法、激光感应荧光法、电阻x 射线层 析摄影法、液晶温度记录法和x 射线计算机层析成像法等。 电导率法是较为常用的方法。此方法是在体系达到稳定搅拌状态后，瞬间加入 少量的电解质，同时利用电导率仪测定反应器中某个位置或几个位置处电导率随时 间的变化，从而得到响应曲线来确定混合时间。国际上通常采用9 5 规则，即当示 踪剂浓度达到最终稳定浓度的9 5 1 0 5 时，该时刻即为混合时间。电导率法测 量比较方便，因此得到较广泛的应用。但该方法缺点是选择探针的位置、尺寸和个 数都有主观性，会影响所测量的混合时间的数值，因此在利用电导率法测量混合时 间时，需要综合考虑以上诸多因素的影响。同时，电导电极对槽内的流动状态也有 一定的影响。 光学法是向反应器中加入一种与反应器内的液体发生有颜色变化的化学反应 的示踪剂，通过目测或摄影技术来记录颜色变化的过程，最终确定混合时间的数值。 该方法从整体上考察了混合时间，测量方法简单，近年来许多研究者都采用此方法 考察混合时问。但由于该方法只能在透明的反应器中进行，不能应用于工业尺度的 反应器。 温差法是向反应器内的液体中加入少量热流体，利用热电耦测定反应器中某一 位置或几个位置处温度随时间的变化，从而得到响应曲线最终确定混合时间。该方 法受到热电耦位置和个数的影响，同时热电耦的插入也会改变反应器中流体的流型。 激光感应荧光法是向搅拌槽中加入一荧光指示剂作为示踪剂，在搅拌槽- - n 用 一激光片光源照射，示踪剂会由于浓度的变化而在激光照明的薄片内发出不同强度 的光，整个过程可以利用数码相机捕捉，最后通过分析图片来确定混合时间。该方 法具有光学法类似的特性，同样只能用于透明的反应器中，不能用于工业搅拌槽的 诊断实验。 电阻层析图像法是在测量平面上产生一个二维或三维的电阻率分布曲线。实验 过程中需要在反应器中某一截面处放置多个电极，然后在对电极之间通入电流( 一 般为5m a ) ，可以测量其它电极的电压，所测电压值代表了搅拌槽中电导率的分布 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 情况。然后分别在其它电极对通入电流进行重复实验，最终得到所测量平面上电导 率分布曲线，从而确定混合时间。该方法的缺点是仪器费用较高。这主要是由于在 反应器中需要放置很多电极。同时，由于对每两个相邻电极都需要实验，整个实验 过程耗时较长，不易测量快的混合过程。 液晶温度记录法的原理是热敏液晶处于不同的温度状态下显示不同的颜色。先 将热敏液晶混合在液体中，然后加入一个热的脉冲，热脉冲的混合过程就使得槽内 不同位置的液晶显示不同的颜色。然后通过目测或摄像，分析得到混合时间。此技 术克服了温差法采用传感器的缺点( 如需要同时多点测量、耗时、干扰流场等) 。此 方法也要求反应器透明，在工业上应用困难，而且测定的精确度强烈依赖于温度的 标定( 液晶颜色显示与温度信息之间的关系) ，同时准确解释液晶的图像也是一个非 常复杂的过程。 计算机层析成像法需要从4 个方向进行光照射得到反应器中的浓度场。利用平 行单色光照射反应器中的液体( 已染色) ，就可以得到一个二维图像。对所得图像进 行分析即可确定混合时间。与光学法和电阻层析图像法相类似，该方法也只能用于 透明反应器中，且不能应用到工业反应器中。此外，通过加入一定量具有放射性的 液体示踪剂( 如锝9 9 、钠2 4 等) ，通过监测示踪剂浓度的分布来研究混合过程。这 类液体示踪剂灵敏度高，可以在百万分之一数量级上进行测量，在工业上只需要很 少量的示踪剂就可以得到基本的动态响应。由于加入量非常小，更接近理想脉冲， 不影响加入点位置处的流动状态，也不影响反应器内流体的物理性质，而且在苛刻 条件下也不会蜕变。但该方法的缺点是放射性物质的获取比较困难，对含放射性实 验材料的废弃物的处置要求比较严格。 1 2 2 混合时间的c f d 模拟 釜式搅拌槽反应器广泛应用于石油化工、生物化工、制药、高分子材料、环保 等工业过程，这些过程往往伴随有化学反应及传热，液相混合速率决定了搅拌反应 器内的浓度及温度分布，从而影响有关化学反应的速度、选择性及操作的稳定性等， 混合时间则是混合速率的主要表征。 混合时间的测试方法较多，较为常用的方法有电导法、脱色法、热电偶法等。 随着搅拌反应器c f d 技术的发展，利用数值模拟方法来计算混合时间应用比较广 泛，利用c f d 方法可以方便地获得搅拌反应器内局部混合信息并可以节省大量的研 究经费，而且可以获得实验手段所不能得到的数据。 - 8 - ， 东北人学硕十学位论文第1 章绪论 在国内外，也做了不少搅拌反应器混合时间的模拟，n o o r m a n t l 2 1 对单层搅拌槽 内的混合过程进行了实验研究和数值模拟，其示踪剂响应曲线与实验结果趋势一致， 但在细节上有较大差别。s c h m a l z r i e d t 1 3 】也计算了一搅拌反应器的三维浓度场分布， 并利用文献数据进行了验证，认为其结果与湍流模型密切相关。周国忠等4 j 在c f x 软件的基础上开发了混合过程的计算，并在流场计算的基础上对单层涡轮桨搅拌槽 内的混合过程进行了初步的数值研究。而张国娟等【l5 j 利用f l u e n t 软件考察了涡轮桨 搅拌槽内的混合过程，实验与模拟结果吻合较好。另外，王正等【l6 】也利用c f d 的 方法得到了搅拌槽中的混合时间。随着研究者对c f d 方法的研究不断深入，近几年 出现了利用大涡模拟( l e s ) 的方法来考察混合时间。h a r t m a n n 等1 7 1 和y e o h 等【1 8 】 用大涡模拟的方法对r u s h t o n 桨搅拌槽内的混合过程，获得了较好的结果。m i n 等【l 刿 分别用标准k 模型和l e s 方法模拟了槽径为0 4 7 6m ，搅拌桨为三窄叶翼形c b y 桨搅拌槽内的混合过程。目前的混合时间的计算方法大都是选择一个或几个代表性 的监测点来确定混合时间。张庆华等【2 0 】提出了一种新的混合时间定义方法，即体积 分数法来表征搅拌槽内整体的混合状况，将混合时间定义为示踪实验中达到最终平 均浓度( 偏差5 以内) 的流场体积达到一定体积分数所需的时间，利用c f d 方法 得到了整体混合时间。该方法定义的混合时间考察了整个搅拌槽内的混合状况。 1 3 计算流体力学在搅拌反应器中的应用现状 1 3 1 搅拌反应器流动场的c f d 模拟 近年来对搅拌反应器内单相流的流动场的c f d 研究较多，对单相流场的数值模 拟研究已经比较成熟。通过c f d 数值模拟得到的流场信息与实验数据已经有比较好 的一致性。 在国内方面，对搅拌反应器的c f d 模拟也取得了一些成绩，侯栓弟【2 1 1 对低粘 湍流域中c b y 桨的三维流场进行过数值模拟，于鲁强【2 2 1 等成功计算了锚式搅拌器 和刮壁搅拌器的二维流场；马青山【2 3 1 对单层c b y 搅拌桨及多层搅拌桨的流场进行 了模拟；周国忠【2 4 1 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搅拌桨在搅拌槽内的 混合过程进行了研究。 在国外方面，对搅拌反应器的单相流模拟也呈现多样化，g r k a s a t 2 5 1 等在 f l u e n t 软件上计算了一种固液反应器内液相流场以及混合过程，a o y io c h i e n g f 2 6 】 9 东北大学硕十学位论文第1 章绪论 等人运用c f x 对带有多级搅拌桨而且中间空隙比较小的搅拌槽进行进单相流场的 c f d 模拟，并计算出该反应器的混合时间，与实验结果吻合较好；w k e l l y 等【2 7 】 运用c f d 方法成功预测了带有单轴搅拌桨的搅拌反应器内的流场，并与实验中用 l d v 法测得的流场相比较，取得了较好的一致性。 1 3 2 搅拌反应器两相流动的c f d 模拟 随着计算机技术及c f d 的发展，近年来国内外对搅拌反应器两相流的研究也取 得了不少成果。王振松等【2 8 】利用c f d 软件c f x 对搅拌槽内固液流场进行了数值模 拟，文中使用标准k 一模型计算了清水与固液两相的流场，考查了槽内的流场的分 布对固体颗粒悬浮状况的影响。宋月兰等【2 9 j 采用计算流体力学( c f d ) 的方法对三层 新型组合桨气一液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行 了数值模拟，数值模拟采用了欧拉欧拉方法，数值模拟结果与实验值吻合良好，同 时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律。研究结果表明， 欧拉欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气液两相流的流动状况。万富滨1 3 0 j 等通过 c a d 软件建立了立式中心搅拌器实体模型，采用计算流体动力学( c f d ) 方法对搅拌 器内流场油水两相流进行了数值模拟，得出其密度分布、迹线图和固液交界面的压 力场分布等。对固体结构划分有限单元网格后将固液壁面压力值通过形函数转化为 单元节点的集中力，进而运用有限元法对搅拌器进行强度分析，为搅拌器结构尺寸 设计提供定量依据。 在国外方面m o r u d 和h j e r t a g e r 3 1 】用标准k e 湍流模型、两流体模型进行了二 维模拟。他们通过添加源与汇项来模拟搅拌桨和挡板。测量与模拟的整个气含率和 相对功率需量随气速变化情况对照也较为合理( 预测为2 0 4 0 ) 。预测的靠近搅拌 桨的平均气相速度与实验值吻合很好，但在其他区域则高估了速度值。定性的周向 速度轮廓线与实验值吻合很好。g o s m a ne ta 1 3 2 j 使用了黑箱法模拟了搅拌釜气液和 液固流。他们使用两流体模型、k 湍流模型，模拟结果与r e v i l l 和i r v i n e l 33 j 数据 相比所测气含率要低1 0 5 0 。l a n e 和s c h w a r z 3 4 】应用c f x 软件模拟了搅拌釜气液 两相流。搅拌转速为1 8 0 r p m ，通气量q = 0 0 0 1 6 4 m 3 s 。采用3 d 计算域，用多重参 考座标法( m r f ) 描述搅拌桨和挡板的相对运动，用两流体模型计算流场。考虑了 气泡的聚并、破裂。将模拟的结果同实验对比，获得了与实验结论相致的气体分 布，局部气泡大小变化趋势，但是没有从定量上得出相一致的数据。 1 0 ， 东北大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 4 本文研究的主要目的和研究内容 现代钢铁生产流程中，普通铁水预处理工艺成为最大限度降低钢中硫含量，生 产高洁净度钢的关键工序之一。随着钢材对含硫量要求的进一步提高，对铁水预处 理方法也提出了改进的要求。课题组在综合颗粒镁脱硫和k r 法脱硫技术的基础上， 提出了“原位法机械搅拌脱硫 的新思路。即以m g o 镁基脱硫剂取代颗粒镁，在 铁水中原位生成金属镁蒸汽，靠惰性载气喷吹带入铁水熔池并在机械搅拌的作用下 使其分散在熔池内，从而达到提高镁脱硫效率的目的。 本文围绕“原位法机械搅拌脱硫”的新思路，对新型喷气式搅拌反应器的混合 过程进行研究。新型喷气搅拌式反应器是向铁水包的溶钢中吹入惰性气体同时，旋 转搅拌桨，搅拌槽内产生了异常强烈的乱流场，在搅拌混合的同时，使比溶融的金 属密度更小的第二相( 气体，液体，颗粒状固体等) 分散到溶液中，使反应界面大 幅度增加，从而实现促进脱硫反应，缩短脱硫时问，提高脱硫效率，减少脱硫剂的 使用量。 本课题通过实验和数值模拟的方法，对新型喷气式搅拌反应器在不同转速、浸 入深度、偏心度等参数下的流场、浓度场以及混合时间进行研究，为进一步研究和 确定最佳工艺参数提供参考依据，主要包括以下三个部分： 采用电导率法测定了搅拌、喷吹、喷吹加搅拌三种不同工艺下反应器内流体的 混合时间。考察转速、浸入深度、偏心度、气流量等因素对混合时间的影响。 使用f l u e n t 等软件对于不同转速、不同浸入深度、不同偏心度以及不同桨叶的 流场、浓度场以及混合时间进行数值模拟，并将模拟值与实验值相对比。 在搅拌的基础上喷吹气体，使用f l u e n t 等软件对于不同转速、不同气流量时的 气液两相流进行模拟，进一步研究气液两相流的混合过程。 、 东北大学硕士学位论文 第2 章反应器混合时间的实验研究 第2 章反应器混合时间的实验研究 2 1 实验装置及设备 本实验依据根据相似原理建立物理模型，实验装置如图2 1 所示。以3 0 0 吨的 铁水包为原型，具体尺寸见表2 1 ，按照l ：1 0 例用有机玻璃来制造铁水包模型， 采用水来模拟钢液，以空气模拟喷吹的惰性气体。用水代替钢水，因为水容易获得， 亘旦型竺塑查鲤重麴墼逸疆巴垣笾鉴盟塑巡! 在搅拌桨的下端可以安装喷嘴，作 为气体出口。 1 一空气压缩机，2 一胶皮管，3 一搅拌桨，4 一溶池，5 一探头，6 一喷嘴， 7 一电导率仪，8 一p 4 计算机，9 一气泡，1 0 一转子流量计 图2 1 实验装置示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cv i e wo fe x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n t 5 a n p5 铆 图2 2 搅拌桨图示 f i g 2 2s c h e m a t i cv i e wo fs t i r r i n gi m p e l l e r 1 2 - 包底直径m m 包高m m 液面深度m m 喷枪插入深度m m 喷枪平面位置 喷嘴处压力m p a 气体流量小m 3 h l 喷嘴直径m m 3 9 4 2 3 4 3 8 5 1 6 9 4 8 0 0 离包底3 0 0 、6 0 0 中心 0 3 8 1 3 4 8 3 6 6 3 4 8 图2 3 中心搅拌图示 j 图2 4 偏心搅拌图示 f i g 2 ，4s c h e m a t i c v j e w 。f e c c e n t r i c s t i 咖 - 1 3 、 东北大学硕士学位论文 第2 章反应器混合时间的实验研究 本实验使用的标准桨如图2 2 所示，实验装置实际尺寸如图2 3 、2 4 所示。 2 2 混合时间的测定 对宏观混合特性研究较多，在设计搅拌设备时，叶轮搅拌功率、排量和混合速 率及混合效率是最重要的信息。常用功率准数，排出流量准数，循环流量准数和混 合时间来表征叶轮的搅拌特性。 混合时间是表征搅拌反应器内流体混合状况的一个重要参数，是评定搅拌器效 率的重要参数，是搅拌反应器设计及放大的重要依据之一。可以这样评定一个搅拌 器的效率：在功率输入一定的条件下混合时间的长短，或者在指定时间内达到指定 的搅拌程度所消耗功率的多少。事实上，对于任何混合问题，