（化学工程专业论文）新型卧式搅拌装置特性研究与设计开发.pdf

中文摘要 高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化是当前蒸馏过程中的难题。由 于该类物系的分离需要塔釜温度很高，且往往存在着流动性差、停留时间过长， 易造成局部过热而碳化或膨化等问题，使用常规的再沸器将造成分离收率降低， 排出的废渣多。本文旨在开发一种适用于高粘度、高凝固点、强热敏性物料的新 型带自清洁功能的再沸器，并对该新型再沸器进行流体力学模拟研究，设计制造 出了一台样机。 采用非结构化网格技术及多重参考系法和滑移网格法对卧式单轴搅拌装置 在不同转速、不同桨翅数及不同物料下的流场特性、功率特性、停留时间特性和 传热及温度分布特性进行了模拟研究。结果表明当桨翅多、转速高、粘度大时， 釜内流体容易形成“圆柱状回转区”；讨论了假塑性非牛顿流体的剪切稀变对流 场的影响。另外，通过对各种条件下的搅拌功率进行模拟计算，得出满釜条件下， ， 功率准数、雷诺数、翅数及搅拌桨级数满足关联式坼。r e 2 ：( 4 3 1 + 2 8 5 m ) k s 。 通过p a t c h 法在入口处加入示踪剂，在出口处检测示踪剂浓度得到了各种条件下 的停留时间分布曲线，并对各种影响因素进行了讨论，利用混合雷诺数与流动雷 f ，d 。r 4 6 诺数的l - 七值对当量全混釜数进行了关联得出：刀= 8 9 i 昙! i 。针对卧式单轴 l k e ， 搅拌装置传热特性的研究获得了在1 1 r e 2 0 且3 0 0 0 0 p r l3 0 0 0 0 时，总的传热 关联式：n u = 5 9 2 r e o 3 2p r o 3 3 。o 1 5 。 应用动网格技术计算分析了卧式双轴搅拌装置的流场特性、功率特性和传热 特性，发现卧式双轴结构消除了桨翅数较多时易在搅拌器附近产生的“圆柱状回 转区”的问题。与单轴时小漩涡不同，在搅拌翅之间形成较大漩涡，促进了壁面 处物料和内部物料之间的传热和传质。卧式双轴搅拌装置中任意一轴的功率准数 以及总的功率准数均近似满足。r e 足。针对卧式双轴结构，获得了1 1 r e 2 0 且3 0 0 0 0 p r 1 3 0 0 0 0 时，总的传热关联式为n u = 2 5 5r e 0 6 1 p r n 3 1k 。啦h 。 通过对卧式双轴搅拌设备各种结构的运动关系的几何分析、三维建模和 s o l i d w o r k sc o s m o s 运动干涉检验，发现影响搅拌翅之间发生运动干涉的主要 因素为：两轴的转速比、轴间距、桨叶数量、桨叶直径和桨叶厚度。从而设计获 得了各种合理的结构，加工制造出了一套搅拌翅数为8 ：2 ，级数为5 的卧式双轴 搅拌装置。 关键词：热敏性物料c f d 卧式搅拌装置搅拌功率停留时间运动干涉检验 a b s t r a c t t h es e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no ft h em i x t u r ew i t hh i g hv i s c o s i t y , h i g hf r e e z i n g p o i n ta n ds t r o n gh e a t s e n s i t i v i t yi sq u i t eah a r dp r o b l e m w i t hc o n v e n t i o n a lr e b o i l e r s ， t h e r ea r el o t so fp r o b l e m s ：h i g hr e b o i l e rt e m p e r a t u r ea n dp o o r l yf l o w , t o ol o n g r e s i d e n c et i m e ，l o c a lo v e r h e a t e d ，i n c r e a s e dc a r b o n i z a t i o na n dp o o r l yh e a tt r a n s f e r t o s o l v et h ep r o b l e m ，an e wt y p eo fr e b o i l e ri sn e e d e dt od e v e l o p t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e ri st os t u d yo nf e a t u r e so fh o r i z o n t a ls t i r r i n g ( s i n g l e d u a ls h a f t s ) d e v i c e sa n dt o d e s i g nt h er e b o i l e r t h r o u g ht h eu n s t r u c t u r e dg r i dt e c h n o l o g y , m r fa n ds g , t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ， p o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s i d e n c et i m e ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h eh o r i z o n t a ld e v i c ew i t hs i n g l ea x i sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t m o r ep r o p e l l e rw i n g sa n dh i g h e rs p e e da n dv i s c o s i t yi se a s i e rt of o r ma ”c y l i n d r i c a l r o t a r ya r e a ”i na d d i t i o n ，t h ei m p a c to fs h e a r - t h i n n i n go ft h ep s e u d o p l a s t i cf l u i dt o f l o wi sd i s c u s s e d w h a t sm o r e ，w i t hc a l c u l a t i n gt h es t i r r i n gp o w e ru n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n s ，t h er e l a t i o n s h i pa sf o l l o wi so b t a i n e d ：p r e = 等( 4 31 + 2 s s m ) 赶”1 t h r o u g hp a t c h i n gt r a c e rt ot h ee n t r a n c ea n dd e t e c t i n gt h et r a c e rc o n c e n t r a t i o ni nt h e e x i t ，r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v e su n d e rk i n d so fc o n d i t i o n sa r er e c e i v e d a v a r i e t yo ff a c t o r sa r ed i s c u s s e d t h r o u g hc o r r e l a t i n gt h ee q u i v a l e n tn u m b e ro f p e r f e c t l ym i x e dt a n k sw i t ht h er a t i oo ft h ea x i a lr e y n o l d sn u m b e ra n dt h em i x i n g r e y n o l d s n u m b “t c o m e st o t h er e l a t i o n s h i p - 8 9 【鲁1 f o r h o r i z o n t a l d e v i c ew i t hs i n g l e - a x i s i ti so b t a i n e dt h a tw h i l et h e1 1 r e 2 0a n d3 0 0 0 0 p r 13 0 0 0 0 ，t h eo v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n s h i p ：n u = 5 9 2r e o 3 2p r 0 3 3 矿。o1 5 w i t ht h e a p p l i c a t i o n o fd y n a m i cm e s h ，t h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c s ，p o w e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh o r i z o n t a ld e v i c ew i t hd u a l a x i s a r ea n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h es t r u c t u r eo fd u a l - a x i sp a d d l ee l i m i n a t e dt h e ”r o t a t i n g c y l i n d r i c a lz o n e ”t h ew h i r l p o o l sf o r m e di nt h ed u a l - a x i sd e v i c eb e t w e e nt h ef i na n d t h ea x i a la r el a r g e rt h a nt h eo n e si nt h es i n g l e a x i sd e v i c e t h e s el a r g ew h i r l p o o l s p r o m o t et h eh e a tt r a n s f e ri nt h ed e v i c e t h ep o w e rn u m b e ro fs i n g l ea x i sa n dt h et o t a l p o w e r n u m b e ro fd e v i c ei nt h eh o r i z o n t a lb i a x i a ls t i r r i n gd e v i c em e e ta p p r o x i m a t e l y t ot h ef o r m u l a ：n 。r e = k 。f o rt h eh o r i z o n t a ld e v i c ew i t hd u a l a x i s ，i ti so b t a i n e d t h a tw h i l et h e1 1 r e 2 0a n d3 0 0 0 0 p r 13 0 0 0 0 t h eo v e r a l lh e a tt r a n s f e r c o r r e l a t i o nf o r m u l ai sn u = 2 5 5r e o ，6 1p r 0 3 1k 。o 1 4 t h r o u g hg e o m e t r i ca n a l y s i so fm o v e m e n t 3 一dm o d e l i n ga n di n t e r f e r e n c et e s t i n g w i t hs o l i d w o r k sc o s m o so fh o r i z o n t a lb i a x i a ls t i r r i n gd e v i c e s ，t h em a i nf a c t o r so f i n t e r f e r e n c ea r ef o u n d ：t h es p e e dr a t i oo ft h et w os h a f t s ，a x l es p a c eo ft h et w os h a f t s ， t h en u m b e r , t h i c k n e s sa n dd i a m e t e ro fb l a d e s f i n a l l y ，r e a s o n a b l es t r u c t u r e sa r e d e t e r m i n e d ，a n dah o r i z o n t a lb i a x i a ls t i r r i n gd e v i c ew i t hf i v es t a g e sa n dw i n gr a t i o s 8 ：2i s m a d e u p k e yw o r d s ：h e a t s e n s i t i v em a t e r i a l ，c f d ，h o r i z o n t a ls t i r r i n gd e v i c e ，s t i r r i n g p o w e rc o n s u m p t i o n ，r t d ，i n t e r f e r e n c et e s t 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，也不包含为获得苤鲞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： ，p 禾 签字日期： z 。护7 年月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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： 刎象 导师签名： 岛独 签字日期：z 一口7 年月五日签字日期：幺鲴尸年多月2 日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 课题的背景 第一章文献综述弟一早义陬琢怂 本课题源于针对高粘度、高凝固点、强热敏性物料的带有卧式搅拌装置的再 沸器的开发。苯酚双氧水羟基化反应产物( 羟化液) 的分离与二元酚产品的纯化， 是高粘度、高凝固点、强热敏性难分离复杂物系的一个最为典型的例子【1 1 ，二元 酚和焦油的凝固点高，粘度大，二元酚在输送分离过程中处于高温的时间越长， 越容易热解转化成焦油，而焦油组分的热敏性强，当被加热到2 5 0 以上时，其 中的某些组分便发生了结构上的变化，组分之间也可发生化学反应，温度过高还 会出现碳化、膨化现象1 2 j 。为了达到良好的分离效果，需研制开发适用于热敏性 物料分离的短程快速蒸发系统和设备，针对于该类物系的再沸器的开发是分离系 统的重要组成部分。 沸腾传热设备是化工过程中常用的一种设备，在化工过程中，装于蒸馏塔底 部用于汽化塔底产物的换热器通常称之为再沸器( 也称之为重沸器) 。大多数的再 沸器为管壳式换热器。根据实际生产中不同的需要，沸腾过程既可以发生在壳程， 也可以发生在管程。加热介质通常是蒸汽，也可以是载热的其他流体。由于沸腾 传热系数是换热温差的强函数，因此，再沸器的蒸发率受换热温差的影响很大。 在有充分的换热温差的条件下，通过调节温差的大小，便很容易获得所需要的蒸 发量。在这种情况下，再沸器的近似设计将不会产生什么问题。然而，为了有效 地利用能源，要求再沸器能在较小的温差条件下和不稳定的加热介质的操作条件 下工作。随着能源的短缺( 从长远来看，这是总趋势) ，可利用热源的温度越来越 低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也 就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。其目标总 括起来就是，在给定换热量的条件下减小换热器尺寸，提高现有换热器的性能， 减小流动工质的温差，或者降低泵功率。最近，随着工艺装置的大型化和高效率 化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。再沸 器作为一种换热器也具有其独特的发展，同时针对高粘度、高凝固点、高热敏性 物料的再沸器也亟待发展，如焦油的粘度很大，在精馏过程中，由于塔釜温度较 高，使塔釜内物料炭化、焦化严重，精馏后如不及时清洗，物料冷却后即结块， 再清洗则很困难，严重时还可以使塔釜报废1 3 】。 1 1 1 常规再沸器 常规三种类型再沸器为立式热虹吸式、卧式热虹吸式、釜式，见表1 1 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表i - 1 三种类型的再沸器的比较【4 】 一 ! 垒垒! 星! ：! 堡垒里巳翌i ! q 里垡坐翌星垒卫星! q ! ! 曼! q 卫星堡 一 各种特性立式热虹吸式卧式热虹吸式釜式 对于流体易结垢且粘度高，塔是间歇操作，或是从再沸器中引出物料，加热 介质温度不确定，操作过程不稳定等情况，均不宜应用热虹吸再沸器。然而釜式 再沸器传热速率低，工艺流体侧的结垢严重，对于高粘度物料，尤其同时具有高 粘度、高凝固点、强热敏性特点的重质焦油，操作状态下物料的粘度较大，流动 性差，而换热管间隙又小，部分物料很容易滞留在换热管间；在釜内停留时间过 长，局部过热，加剧碳化或者膨化( 发泡后变成固体) 现象，降低传热效果，甚 或堵塞设备，使操作无法正常进行。可见，常规再沸器无法较好的满足生产要求， 亟待开发适用于高粘度、高凝固点、高热敏性物料的新型再沸器。 1 1 2 高粘度流体再沸器的发展 大多数的再沸器为管壳式换热器，传统的管壳式高粘度流体换热器采用光滑 管设计制造，其壳程传热及流动效能低，壳程传热阻力占总热阻的8 0 以上，且 流动阻力损失较大，提高壳程流体的传热膜系数和降低流动阻力是提高高粘度流 体换热器效能的技术关纠5 1 。螺旋折流板是一种传热及流阻性能优良的支撑结 构，王良1 6 j 等研究发现，螺旋折流板对高、低粘度流体的传热强化均适合。陈世 醒【7 】等研究发现，对于高粘度流体相同流量下单位压降的壳程对流传热膜系数， 螺旋折流板约为弓形折流板的1 5 倍。b e r g l e s 8 j 等系统地对不同螺旋角的换热器 性能进行了研究，认为螺旋角为4 0 0 时换热器的传热与流阻性能最优。由于加工 的困难，螺旋折流板一般采用铜作为材质，设计思想是将折流板分成4 块，形成 螺旋流道分块螺旋折流板虽然容易制造，但壳程相邻折流板间存在三角死区，流 体流向仍为横纵向混合流，安装、运输及使用场合受到限制。作者克服上述缺点 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 和困难，设计制造了钢质整体螺旋折流板。管壳式换热器的强化传热应该是传热 管表面及支撑结构的配合强化，低肋管曾在流体换热中得到广泛应用。 尽管以上各种改进方法增强了高粘度流体再沸器的传热效率，但是对于高凝 固点、热敏性物质仍存在易结垢、易堵塞的问题，不能达到高效传热和连续稳定 的要求。 1 1 3 适于热敏性及易结垢物料的加热技术及设备 适于热敏性物料分离的设备及操作方法较多，除采用常规蒸馏方法外，还有 萃取精馏、结晶、水蒸汽蒸馏等，但真空精馏法为分离热敏物系的主要方法之一。 适于热敏性物料分离的蒸馏设备有板式塔、填料塔、分子蒸馏塔和膜式塔等。塔 釜在蒸馏过程中是受热强度大，物料容易发生热破坏的地方，因而塔釜再沸器是 分离热敏性物料的关键所在，一般优先采用低压降、短停留时间的膜式蒸发器， 以减轻物料的热破坏。近年来热敏性物料加热技术方面取得了一些新进展j ： 1 ) 外降膜蒸发：采用外降膜技术可利用管外广阔的空间，因二次蒸汽与液 膜逆流，减小了压降，改善了温度分布，并可省去汽液分离装置。 2 ) 在管内降膜蒸发中引入蒸汽：在不提高热膜传热温差的情况下，传热系 数可提高1 2 - - 2 5 ，液膜厚度可降低l o - 2 0 ，使液膜的停留时间缩短1 0 2 0 。 3 ) 表面多孔管降膜蒸发：表面多孔管应用于降膜加热蒸发中，可减小过热 度，而且多孔管表面液膜雷诺数很低时即已湍流，加强了传热。 4 ) 载气蒸发：加热面附近液体过热度降低，可减轻热敏性物料变质和抑制 加热壁面上结疤，同时还因载气的引入，增强了液体循环速率和气含量，增加管 内湍动，强化了传热。 5 ) 搅拌薄膜蒸发：搅拌薄膜蒸发器( 刮膜薄膜蒸发器) 中液膜薄，传热系数 高，热通量大，而且物料在蒸发器内的停留时间短分离效率和产品收率高，近来 在化工、染料医药、食品等热敏性物料的蒸发、浓缩、结晶等方面应用日益广泛， 但设备结构复杂，且加工精度要求高，操作费用高。 1 9 8 9 年杨志才等研制开发出塔底分批出料蒸馏塔，可缩短生产周期、节省 能量。1 9 9 3 年李柏春等人在循环釜式间歇蒸馏的基础上提出分离热敏性物料的 新精馏方法，该方法采用卧式多层薄液层蒸发釜以降低物料在塔釜的停留时间， 并在精馏过程中加人惰性气体来降低精馏温度。可见，针对于连续化的精馏系统， 适用于热敏性物料分离的短程快速蒸发再沸器有待进一步研制开发。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 4 新型卧式搅拌再沸器的开发 本课题拟开发新型卧式搅拌再沸器，再沸器内部采用具有自清洁功能卧式搅 拌结构，转轴、叶片和釜体外设置着有进口和出口的夹套，夹套内通入热媒，形 成具有自清洁功能的再沸器。再沸器中的搅拌结构加速物料循环和搅拌，使物料 受热均匀，强化传热效果，传热面积大并具有自除垢功能力，以阻止物料在传热 面结焦、结垢，保证系统的连续稳定运行。对于单轴结构叶片可以刮净与釜体内 壁之间的粘结物料，对于多轴结构，叶片与叶片之间以及叶片与釜体内壁和隔板 之间可以相互刮净粘结在其上的物料，强力的混合和捏合作用能有效地破碎结焦 物质，液相物质在釜内能多次被更新表面；同时随着轴的转动，叶片会产生螺旋 式轴向运动，高粘度、高凝固点液体物料在受热部分汽化的同时被推动送出再沸 器，被送出的物料可实现一次受热，也可以进行循环再进入再沸器，进行二次或 多次受热汽化，这将取决于物料的特性和分离要求。物料即使在经过再沸器后变 成固体或粉末，也可以被推出设备，保证设备安全连续运行。 1 2 适用于高粘度流体的搅拌器类型 1 2 1 立式搅拌设备 立式搅拌设备按照结构形式分为：立式单轴搅拌设备和立式双轴搅拌设备。 立式单轴搅拌设备因搅拌桨设计形式、搅拌槽底部形状、搅拌桨安装高度以及 搅拌槽高径比等因素不同而有所区别。常用搅拌桨形式有：螺带桨、锚式桨、框 式桨、e k a t o 桨等，共同特点是桨径大小与设备直径接近。搅拌槽的底部形状有 平底、椭圆底、蝶形底等。立式单轴搅拌设备因结构简单而在石油炼制行业及催 化剂生产行业中应用广泛。立式双轴搅拌设备【1o j 又包括同轴异速搅拌设备和双轴 异速搅拌设备。同轴异速搅拌设备通常为立式圆柱形，中心由两套搅拌轴组成， 如图1 1 所示。一套轴上固定着半径较小的中心分散桨高速旋转：另一套轴上固 定着锚式桨、螺带桨或框式桨等近壁式搅拌桨低速旋转。近壁桨保证全槽流体运 动不会停滞，中心桨将流体撕拉成愈来愈薄的流体层。随着搅拌的进行，高速区 和低速区不断交换，从而达到整槽流体混合均匀的目的。对于复杂的混合过程， 可依照流体黏度变化的情况，适当调节两轴转速，甚至在某些情况下可以仅用高 速桨进行搅拌，低速桨作为挡板以满足不同混合过程的需求。双轴异速混合设备 通常由两个不同心的轴构成，两轴上各自安装搅拌桨，如图1 2 所示。两搅拌 桨处于不同液面高度，通常均为小直径分散桨，如涡轮桨、斜叶桨等，或者采用 近壁式大直径桨与小直径分散桨结合的形式，使其既有形成全槽宏观流的低速搅 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 拌器( 一般为锚式桨) ，又有形成微观湍动涡流的高速搅拌器，两桨叶同时作用 从而使槽内流体达到良好的混合状态。目前该类混合设备在油漆、油墨等行业应 用广泛。 图1 1 同轴异速搅拌设备 f i g1 - 1c o a x i a lm i x i n ge q u i p m e n t 1 2 2 卧式搅拌设备 图1 - 2 双轴异速搅拌设备 f i g1 - 2b i a x i a lm i x i n ge q u i p m e n t 卧式搅拌设备按照结构形式分为：卧式单轴搅拌设备、卧式双轴搅拌设备等。 卧式单轴搅拌设备因结构简单，在橡胶、塑料、建筑、食品等工业中应用广泛， 其转子形式主要有：z 型、e 型、圆盘型、螺带型、双旋型等。 图1 3 日本三菱公司卧式双轴搅拌设备 f i gl 3m i t s u b i s h i sb i a x i a lh o r i z o n t a lm i x e r 图1 4l i s t 公司卧式双轴搅拌设备 f i g1 - 4l i s t sb i a x i a lh o r i z o n t a lm i x e r 卧式双轴搅拌设备通常具有多种形式，如偏心圆盘、椭圆盘、t 形叶片等。 卧式双轴设备特别适用于高黏、超高黏和粉体物系的混合，转动时两轴上的搅拌 构件之间以及它们与混合器壁之间相互刮擦从而具有自清洁功能，有利于实现聚 合反应连续化。近年来这种搅拌设备越来越受到人们的关注，可以用于多相态变 化体系而且具有高剪切力，在许多聚合反应工业过程中应用广泛。如图1 3 所示 为日本三菱重工公司生产的卧式双轴搅拌器【1 1 i ，搅拌构件为椭圆盘状，两搅拌轴 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 由调速马达驱动作同向旋转运动，桨叶表面、桨叶端部与器壁之间及桨叶端部与 搅拌轴之间间隙较小，使得搅拌器具有自清洁作用。如图1 4 所示为瑞士l i s t 公 司生产的卧式双轴搅拌机i l2 1 。两根轴中的一根为主搅拌轴，上面有许多被捏合杆 连在一起的盘片，捏合杆略有倾斜，使物料在进行径向混合的同时能受到一个轴 向的输送力；另一根是清洁轴，该轴装有一排倾斜的捏合框。清洁轴以3 倍于主 搅拌轴的转速进行旋转，通过两轴上的元件相互啮合，从而使搅拌器具有自清 洁功能卧式双轴t 型搅拌器【l3 】也是一种常见的高黏度搅拌设备。它具有部分自 清洁功能，且构造简单，双轴上装有t 型叶片，两轴作同向旋转，釜体有效反应 体积大，在合成间规聚苯乙烯工业中应用广泛。 针对于开发具有搅拌作用的再沸器，宜采用卧式结构，对于卧式单轴结构， 叶片可以刮净与釜体内壁之间的粘结物料，在壁上装自清洁装置；对于双轴结构， 叶片与叶片之间以及叶片与釜体内壁和隔板之间可以相互刮净粘结在其上的物 料，强力的混合和捏合作用能有效地破碎结焦物质，液相物质在釜内能多次被更 新表面；同时随着轴的转动，叶片会产生螺旋式轴向运动，因而推动高粘度、高 凝固点液体物料在受热部分汽化的同时，被送出再沸器，被送出的物料可实现一 次受热，也可以进行循环再进入再沸器，进行二次或多次受热汽化，这将取决于 物料的特性和分离要求。物料即使在经过再沸器后变成固体或粉末，也可以被推 出设备，保证设备安全连续运行鉴于卧式双轴的以上优点，因此本文拟对卧式搅 拌设备的特性进行研究与设计开发，通过c f d 对其流场、功率、停留时间、传 热等特性加以研究。 i 3c f d 在搅拌器设计中的应用 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 ，c f d ) 是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，这门学科己经趋于成熟。通过数值模拟， 可以充分认识流动规律，评价和优化设计方案，大幅减少实验测试研究的工作量， 从而降低设计成本、缩短开发周期、提高自主开发能力。随着c f d 应用研究的 不断深入，其准确性、可靠性、计算效率得到大幅度提高，己经从简单的定性分 析发展到定量计算，部分或完全替代了实验装置。目前，实验方法己经开始逐步 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。 对于搅拌设备流场的测量往往只能获得一些局部的信息，而且流场测量的试 验装置一般比较昂贵，试验过程比较费事。不能是搅拌槽内的流动混合的具体过 程可视化，因此往往采用c f d 方法对试验过程进行数值模拟，使槽内的实际现 象可视化，给人们一种清晰的认识。近年来，随着c f d 技术的发展，利用数值 模拟的方法获得搅拌槽内的流动与混合信息已经成为现实。利用c f d 方法可以 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 节省大量的研究经费，而且可以获得许多试验手段所不能得到的数据。c f d 将 对搅拌设备的开发带来革命性的变化。 早在8 0 年代，很多学者就对搅拌的流场进行计算模拟尝试【悼1 7 】。19 9 4 年以 来，对于搅拌的计算模拟开始走向成熟，t a n g u y l l 8 】、p e d r o s a 1 9 1 等分别对锚式桨 搅拌槽进行了模拟研究，指出了模拟功率的误差大小、影响功率消耗的因素、流 场速度分布状况等。2 0 0 2 年，a l e x o p o u l o s 2 0 】模拟了叶片的排出性能和平均湍流 能，并研究了搅拌速率、粘度、叶片直径和搅拌槽的大小对模型参数的影响。2 0 0 6 年，i r a n s h a h i 2 1 】对e k a t o 桨搅拌槽进行了数值模拟，指出e k a t o 桨的混合效率介 于双螺带与锚式桨之间。k a m i n o y a m a f 2 2 2 3 j 、c a m p o l o t 2 4 j 分别研究了立式单轴涡 轮桨搅拌槽内的流体流动情况、搅拌功率大小及其影响因素、混合时间消耗情况 等，并通过实验方法验证了数值方法的准确性。c h u t z l 2 5 1 对立式六直叶涡轮桨搅 拌槽做了类似的研究，并对宏观及微观混合效率、流体微元的拉伸、p o i n c a r e s e c t i o n 的定义等编制了相应的与f l u e n t 兼容的程序。k e l l y 2 6 】对立式单轴大直径 水平桨搅拌槽也做了相应的模拟研究，明确了搅拌槽内流动死区分布情况。 a c h a r y a 2 。7 】采用“动网格”法，对同轴异速搅拌槽消耗功率情况进行了模拟研究， 与实验结果得出了一致的结论。k u k u k o v f i 2 8 1 ( 2 0 0 5 ) 和j a h o d a 2 9 】( 2 0 0 7 ) 通过模拟研 究机械搅拌过程中液相中的分布特性。 1 3 1 流体力学模型 搅拌设备的c f d 分析都是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本传 递方程进行的。这些方程可以由数学方程来描述，如欧拉方程，奈维一斯托克斯 方程等 质量守恒方程( 又称连续性方程) ： 粤+ v ( p ；) ：最0 - 0 动量守恒方程： 掣舟( 厕) ：一即丹( ；) 城+ 万 ( 1 - 2 ) 应力张量由下式给出： 享= l ( v f + v 哥r ) 一詈v 订l c - 3 ， 能量守恒方程： 昙( 肛) + v ( ；( 肚+ p ) ) = v ( 嘞v 丁一手乃万+ ( 亏；) + s c 4 ， 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 2 搅拌器的处理方法 在对搅拌其进行模拟时，一个重要的问题就是解决运动的桨叶与静止的槽壁 之间的相互作用。针对这个问题有几种不用的模型方法：“黑箱”模型法，动量 源法，内外迭代法，多重参考系法，滑移网格法，动网格法。目前应用最多的是 多重参考系法、滑移网格法和动网格法。 ( 1 ) 多重参考系法( m r f ) 多重参考系法是由l u o 3 0 】( 1 9 9 4 ) 提出的一种稳态流动场的近似计算方法， 该方法的思想与内外迭代法相同，即采用2 个参考系分别进行计算，不同的是多 重参考系法划分的2 个区域没有重叠的部分，不再需要内外迭代过程，2 个不同 区域内速度的匹配直接通过在交界面上的坐标系转换来实现，因而使计算变得更 加简单。仅对确定的1 个桨叶一挡板的相对位置进行计算时，桨叶区流动场的计 算是准确的；如果需要有关桨叶与挡板相互作用的更详尽的信息，就需要计算不 同桨叶与挡板相对位置的情况，以一系列不同位置的计算来近似搅拌器的转动过 程。用m r f 方法研究搅拌槽内的切向速度。m r f 方法边界的选择不同，计算结 果也有差异。径向边界一般选在叶片与挡板的中间位置，而2 个水平边界的选择 与采用的搅拌桨有关。多重参考系法的优点是实现了搅拌槽内流动场的整体数值 模拟，不再需要实验辅助；其次，它是一种稳态算法，计算工作量小。该方法比 较适合预测桨叶挡板相互作用较小的体系，但其时均结果对强相互作用的情况结 果也较好。原理如图1 5 z 图1 5 固定与旋转坐标系 f i g1 - 5f i x e da n dr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m 计算域被分为若干子域，每个子域相对于原始物理坐标的运动状态不同，因 此为了方便起见，设定不同的子域参考系，然后在子域参考系上建立每个子域内 的控制方程。若使用相对速度，每个子域的速度是相对于子域的运动而计算出的。 速度和速度梯度在运动参考系与绝对静止参考系之间相互转化的表达式为： 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 一v = 一v r + ( 历；) + 访( 1 - 5 ) 这里的速度；是绝对惯性参考系中的速度，；，是相对非惯性参考系的速度 值，v ，是非惯性参考系的平移速度。根据相对速度的定义，绝对速度向量的梯度 则用下式表达： v v = v v ，+ v i 缈，| i ( 1 6 ) 上两式中的，在绝对坐标系和相对坐标系之间相互转化的表达式为： r = x x o( 1 - 7 ) 式中，x 是笛卡尔绝对坐标系中位置向量，x o 是计算子域旋转轴的原点位置。 其相对速度下的控制方程如下： 质量守恒方程： 娑+ v ( p ；，) ：0 ( 1 - 8 ) 动量守恒方程： 掣+ v ( 厕) p2 蕊v r + 历赢) = - v p 舟( 手舾+ f ( 1 - 9 ) 能量守恒方程： 昙( p t ) + v ( 历r 耳) = v ( 胛丁一；r - r ) + 邑 ( 加) o s h i n o w o 3 1 1 采用多重参考系法( m r f ) 研究了六直叶涡轮桨和斜叶涡轮桨 在搅拌槽中所产生的切向速度，从而给出了这两种桨在搅拌槽中的合适位置。 d o n g 3 2 1 采用m r f 方法计算了无挡板搅拌槽内八叶平板涡轮的三维流动场，计算 结果与他们的试验数据吻合较好。h a r v e 叫计算了挡板搅拌槽的层流流动场，所 获得的切向平均的速度计算结果与时均的l d v 测量结果一致，证明了计算结果 是准确的。n a u d e l 3 3 】利用m r f 方法采用非结构化网格计算了轴向流搅拌桨 l u m p p l b 的流动场。在计算中发现，仅对一种桨叶挡板相对位置进行计算时， 桨叶区流场的计算是准确的；如果需要有关桨叶与挡板相互作用的的更详尽的信 息，就需要计算不同桨叶与挡板相对位置的情况，以一系列不同位置的计算来近 似搅拌器的过程，通过对排出量准数、循环流量准数和功率准数与实验结果的比 较，该方法的计算基本上是成功的。s y r j a n e n 3 4 】利用m r f 方法研究了不同网格 数量下叶涡轮的流动场，成功捕捉到了叶片所产生的尾涡，尾涡的形状、位置与 实验结果一致。 ( 2 ) 滑移网格法( s g ) 滑移网格法由p e r n ga n dm u r t h y 3 5 】( 1 9 9 3 ) 提出，这种方法与多重参考系法网 格划分方法相同，将计算域分成分别包括旋转的桨叶和静止的挡板两个区域，但 滑移网格法，在两个区域交界面处有网格之间的相对滑动。网格面不需要在分界 9 天津大学硕士学位论立 第一章文献综述 面上排列。这种情况下需要方法来计算流进每个网格分界面的两个非一致的分 界面区域。当转子和定子的交互作用应用实时解法( 而不是时均解法) 时，必须用 滑动网格模型计算非稳态流场。在滑动网格技术中，用到两个或更多的单元区域 ( 如果在每个区域独立划分网格，则必须在开始计算前合并网格) 每个单元区 域至少有一个边界的分界面该分界面区域和另一单元区域相邻。相邻的单元区 域的分界面互相联系形成“网格分界面”。这两个单元区域互相之间相对沿网格 分界面移动。在计算过程中，单元区域在离散步骤中沿着网格分界面相互之间滑 动( 比如旋转或平移) 。例如，图1 6 和图i 一7 是两网格的起始位置和产生一些 平移之后的位置。由于旋转或平移的产生，不需要网格分界面的节点队列。由于 流动是内在非稳态的，所以需要时间解决程序。因此需要较大的计算量。 图i - 6 初始位置的网格 f i 9 1 t h e l o c a t i o no f t h e i n i t i a lg r i d 图1 7 转子相对与定子滑咀后的网格 f i gl - 7 r o t o ra n ds n t o rg r i da r e rs l i d i n g 其方法原理如下：为了计算界面流动，在每一新的时间步长确定分界面区域 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 的交界处。作为结果的交界面产生了内部区域( 在两边都有流体单元的区域) 和 一个或多个周期区域。如果不是周期性的问题，那么交界面产生一个内部区域和 两个壁面区域( 假如两个分界面区域完全交界则没有壁面区域) ，如图1 8 所示。 ( 壁面需要改变一些适当的边界类型) 重叠的分界面区域对应所产生的内部区 域；不重叠的区域对应所产生的周期性区域。在这些交界面区域的面的数目随着 分界面相对移动而不同。理论上，网格分界面的流量应该根据两分界面的交叉处 所产生的面来计算，而不是根据它们各自的分界面的面。 w a l l ”7 _ d 1 3 e k n t e r i o rz o n e ”w a u “z o d e 图1 8 非周期交界而交叉处所形成的区域 f i gl - 8c r o s s - r e g i o nf o r m e db yn o n - p e r i o d i ci n t e r f a c e p e r n g a n dm u r t h y 3 5 j 通过实验发现，由于桨叶和挡板的相互周期作用，叶轮 所产生的流动场也是周期性的，而且桨叶附近的流动场主要包含叶片所产生的尾 涡。滑移网格法在区域分割上与多重参考系法相同，但采用滑移网格法时，内部 包含桨叶部分的网格是随时间而转动的，因此在2 个区域交界面处有网络之间的 相对滑动。目前该方法在通用商业软件中均有采用。滑移网格法的计算结果要比 其他2 种方法的计算结果好，但是对叶轮区湍流动能的预报仍然偏低。滑移网格 法还存在着计算工作量大，后处理过程复杂的缺陷。滑移网格法是一种非定常的 计算方法，该方法适合对桨叶、挡板强相互作用体系的预报，以及研究启动过程 或周期性过程的一些瞬态流动细节。该方法最大的不足在于计算时需要大量的 c p u 时间以及复杂的后处理过程。 h a r d e s t 刈利用滑移网格法计算了涡轮搅拌桨的流动场，并与试验做了对比， 发现模拟结果和试验结果吻合良好，特别是离搅拌桨较远的地方。b r u c a t o 明采 用“黑箱”模型法、内外迭代法和s g 法对带有挡板的径向流搅拌桨进行了模拟， 并与试验做了对照，三种方法与试验结果一致。j a w o r s h k i 3 8 】计算了六直叶涡轮 搅拌桨的流动场，并与l d v 试验结果进行了对比，结果互相吻合。m i c a l l 3 9 】等用 滑移网格法对全挡板条件先搅拌槽内颗粒悬浮高度进行了模拟，分析了搅拌转速 对颗粒层的影响。孙会【4 0 】提出了滑移周期的概念，利用滑移网格法研究了同轴异 速搅拌槽内宏观流动场、时均速度、剪切速率和轴向循环能力等。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 搅拌设备功率特性 在搅拌设备的设计和放大中，搅拌功率是很重要的参数。通过对搅拌功率的 测量，有助于了解搅拌器内的流动状况，并且搅拌功率还直接与操作费用、产品 性能有关。搅拌设备有很大的动力消耗，对其研究很有必要。使搅拌连续运转所 需要的功率就是搅拌器功率。显然搅拌器功率使搅拌器的几何参数、搅拌罐的几 何参数、物料的物性参数和搅拌期的运转参数等的函数。搅拌器功率不包括机械 传动和轴封部分所消耗的动力。不同的搅拌过程，不同物性、物料量，在完成过 程是所需要的动力不同，这是有工艺过程的特性所决定的，不同的搅拌速度和功 率获得的工艺效果不同，把搅拌器的搅拌釜中的液体以最佳方式完成搅拌过程所 需要的功率叫做搅拌作业功率。可见，最理想的工况是搅拌器功率等于搅拌作业 功率，这就可使搅拌过程以最佳的方式完成。搅拌器功率小于搅拌作业功率时， 可能作要求的工艺过程无法完成，也可能拖长操作时间而得不到最佳方式。搅拌 器功率大于搅拌作业功率时，只能浪费动力而对过程无益。 高粘度流体的搅拌过程中，搅拌设备有很大的动力消耗。使搅拌连续运转所 需要的功率就是搅拌器功率。显然搅拌器功率使搅拌器的几何参数、搅拌罐的几 何参数、物料的物性参数和搅拌期的运转参数等的函数。搅拌器功率不包括机械 传动和轴封部分所消耗的动力。不同的搅拌过程，不同物性、物料量，在完成过 程是所需要的动力不同，这是有工艺过程的特性所决定的，不同的搅拌速度和功 率获得的工艺效果不同。影响本课题研究的搅拌装置的搅拌功率p 的主要因素有 四类： 1 ) 搅拌桨叶因素，如叶轮直径d