（化学工程专业论文）物料性质对固液搅拌槽中流动和悬浮特性的影响.pdf

l j j 学位论文原创性声明 l l u liii ii iii i i ii i iiiil y 1810 3 4 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：峥日期：丝丑二l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在必解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：丝单 导师签名：耄牛 日期：2 丝丞么：z 日期：业z 笸： 学位论文数据集 中图分类号 t q 0 2 7 2学科分类号 5 3 0 1 1 论文编号 10 0 10 2 0 0 7 0 0 8 3 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张凤涛学号2 0 0 4 0 0 0 0 8 3 获学位专业名称化学工程获学位专业代码 0 8 1 7 0 1 课题来源 国家自然基金 研究方向 流体混合技术 论文题目 物料性质对固液搅拌槽中流动和悬浮特性的影响 固液搅拌槽，物料性质，局部液相速度，临界悬浮转速， 关键词 剪切速率，循环流量，数值模拟 论文答辩日期 2 0 0 7 5 3 1 论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师黄雄斌研究员北京化工大学 评阅人l张卫东教授北京化工大学 评阅人2 高正明教授北京化工大学 评阅人3 包雨云副教授北京化工大学 评阅人4 评阅人5 椭员糊张卫东教授北京化工大学 答辩委员1高正明教授北京化工大学 答辩委员2包雨云 副教授北京化工大学 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在鬈中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准【g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 ， 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 物料性质对固液搅拌槽中流动和悬浮特性的影响 摘要 固液悬浮是流体混合技术中最常见的操作，研究固液悬浮搅拌槽 内的流场，对工业生产有重要的意义。由于实际工业中物料多种多样， 随着不同固体颗粒的加入和液相粘度的改变，局部液相速度以及流场 分布均发生变化，这直接影响到搅拌槽内的悬浮状态，因此研究物料 性质对固液搅拌槽内流场的影响规律对工业生产有重要的指导意义。 本文采用自行研制的双电导电极探头对搅拌槽内固液悬浮体系 的局部液相速度分布进行了测定。实验在直径为4 7 6i i l l n 的平底搅拌 槽内进行，全挡板条件，搅拌桨为c b 型轴流桨，下压式操作 实验中分别选取平均粒径为0 4 6 5 m m 、0 6 0 5 m m 、0 8 6 5 m m ，密度为 1 3 0 0k g m 3 的树脂颗粒以及平均粒径为o 1 m m 、0 4 0 5 r a m 、0 5 2 5 m m 、 0 7 5 m m ，密度为2 5 0 0k g m 3 的玻璃珠为固相，水为液相，固相体积 百分浓度量v 从2 5 变化到2 0 。 通过观察法，测量了不同颗粒直径、密度和固相体积百分浓度的 临界离底悬浮转速，以便于找到临界离底悬浮转速随颗粒直径、密度 和固相体积百分浓度的变化关系。 在固体颗粒体积百分浓度为2 5 - - 1 5 时，测量了近壁上流区的 局部液相速度，考察- 了；b n 入不同粒径和密度固体颗粒后局部液相速度 的变化，并分析了固体颗粒直径、密度和固相体积百分浓度对液相速， i 北京化工大学硕士研究生学位论文 度的影响，研究结果表明局部液相速度随着固体颗粒直径、密度和固 相体积百分浓度的增大而减小根据速度测量结果，计算了加入不同 直径和密度固体颗粒时的剪切速率和循环流量，初步探讨了固体颗粒 性质对桨叶混合效果和泵送能力的影响，研究结果表明固体颗粒直径 和密度对剪切速率和循环流量的影响不显著。 同时，利用计算流体力学商业软件c f x 5 5 1 对固液搅拌槽内近 壁区的局部液相速度进行模拟，并将实验值和模拟值进行比较。模拟 结果表明，数值模拟结果和实验结果有较好的一致性。 关键词：固液搅拌槽，物料性质，局部液相速度，临界悬浮转速，剪 切速率，循环流量，数值模拟 h 一 k_i瓠j灏一j一 一 t 。h ei n f l u e n c eo f 【a t e r i a i 。p r o p e r t y i e s o nf l o wa n ds u s p e n s i o nc h a ra c t e r i s t i c s i na s o l i d - l i q u i ds t i r r e d t a n k a b s t r a c t s o l i d l i q u i ds u s p e n s i o n i so n eo ft h em o s tc o m m o np r o c e s s e si n m i x i n g i ti ss i g n i f i c a n tt om e a s u r es o l i da n dl i q u i dv e l o c i t i e si nas t i r r e d t a n kf o ri n d u s t r i a l m a n u f a c t u r i n g b e c a u s et h e a c t u a lm a t e r i a l sa r e l d i f f e r e n t ，t h el o c a ll i q u i dv e l o c i t i e sa n di t sd i s t r i b u t i o na r ev a r y i n gw i t h _the s o l i dp a r t i c l e sa n dl i q u i dv i s c o s i t yc h a n g i n g ，w h i c hw i l ld i r e c t l ya f f e c t t h es u s p e n s i o ns t a t ei ns t i r r e dt a n k t h e r e f o r e ，i ti sm e a n i n g f u lt os t u d y t h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a l p r o p e r t i e s i n s o l i d l i q u i dm i x i n gt a n kf o r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h el o c a ll i q u i dv e l o c i t i e sw e r em e a s u r e db yab i e l e c t r o d ee l e c t r i c c o n d u c t i v i t yp r o b ei nas o l i d - l i q u i ds u s p e n s i o ns y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u ti n af u l lb a f f l e d ，f l a tb o t t o m ，c y l i n d r i c a l v e s s e l ，w i t h4 7 6m md i a m e t e r , e q u i p p e dw i t han e wt y p ep r o p e l l e r ( c b y i i i ) t op u s h t h ew a t e rd o w n w a r d t h er e s i n p a r t i c l e s a n d g l a s s e d b e a d s w i t ht h ea v e r a g ed i a m e t e r so fw h i c hw e r e0 4 6 5 m m ， 0 6 0 5 r a m ，0 8 6 5 r n m ( p n = 1 3 0 0 k g m 3 ) ，0 1 r a m ，0 4 0 5 m m ，0 5 2 5 m ma n d i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 0 7 5 m m ( p p = 2 5 0 0 k g m 3 ) r e s p e c t i v e l yw e r ec h o s e na st h ed i s p e r s e dp h a s e t h e p a r t i c l ev o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o nc h a n g e df r o m2 5 t o2 0 w i t ht h ed i f f e r e n td i a m e t e r d e n s i t ya n dv o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o no f t h es o l i d p a n i c l e ，t h ej u s t s u s p e n d e da g i t a t e ds p e e dw a sm e a s u r e d t h r o u g hf i n d i n gt h em o v i n go fp a n i c l ea tt h eb o t t o mt oe x p l o r et h ee f f e c t o ft h ea b o v e m e n t i o n e df a c t o r s t h el o c a ll i q u i dv e l o c i t i e sw e r em e a s u r e di nt h ew a l lr e g i o nw i t h s o l i dv o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o nc h a n g i n gf r o m2 5 t o1 5 ，a n dt h e v a r i e t yo fl i q u i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a ss t u d i e db ya d d i n gt h ed i f f e r e n t d i a m e t e r sa n dd e n s i t i e s p a r t i c l e s w i t ht h ed i f f e r e n td i a m e t e r ，d e n s i t ya n d v o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o no ft h es o l i dp a n i c l e ，t h el o c a ll i q u i dv e l o c i t i e s w e r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，s h e a rr a t ea n dc i r c u l a t i o nf l o w w e t ec a l c u l a t e db ya d d i n gs o l i dp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra n d d e n s i t y , t h ei n f l u e n c e so fm i x i n ge f f i c i e n c ya n dp u m p i n gc a p a c i t yw e r e a l s od i s c u s s e d p r i m a r i l y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ts h e a rr a t ea n d c i r c u l a t i o nf l o ww e r en o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ed i a m e t e ra n d d e n s i t yo fs o l i dp a r t i c l e s a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ef u n c t i o np r o v i d e d b yt h ec o m m e r c i a l c f d c o d e ( c r x5 5 1 ) ，t h el o c a ll i q u i dv e l o c i t i e so ft h ew a l lr e g i o nw e r e s i m u l a t e di nt h es t i r r e dt a n k b yc o n t r a s tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e r e s u l t so b t a i n e df r o mn u m e r i c a l l ys i m u l a t i n ga r ei ng o o da g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a i v k e y w o r d s ：s o l i d 1 i q u i ds t i r r e dt a n k ，m a t e r i a lc h a r a c t e r , l o c a ll i q u i d v e l o c i t y , j u s t s u s p e n d e ds p e e do fi m p e l l e r ，s h e a rr a t e ， c i r c u l a t i o nf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v i 一 ；j 目录 目录 摘要。i 目录。i 符号说明。i x 前言1 第一章文献综述3 1 1 固液悬浮特性的研究3 1 1 1 完全离底悬浮临界转速3 1 1 2 物料性质对固液悬浮的影响4 1 1 3 搅拌设备对固液悬浮的影响6 1 2 固液两相流动特性的研究8 1 2 1 测速方法9 1 2 2 固液两相流研究现状1 0 1 3 搅拌槽内流动特性的数值模拟1 4 1 3 1c f d 在搅拌反应器中的应用方法简述。1 4 1 3 2 搅拌槽内单相流c f d 模拟概述1 7 1 3 3 搅拌槽内两相流c f d 模拟概述1 8 1 3 4 搅拌槽内固液两相流的数值模拟。1 9 第二章实验装置及测试方法。一。一。一一。2 l 2 1 实验设备2 1 2 2 实验方法2 2 2 2 1 测试方法2 2 2 2 2 测点分布2 2 2 3 测量原理2 3 2 3 1 探针结构及测速原理。2 3 2 3 2 速度方向的确定。：2 5 2 3 3 探针的使用j 。2 6 2 3 4 误差分析。2 8 第三章实验结果及讨论。3 3 3 1 颗粒性质对固液悬浮特性的研究3 4 3 1 1 颗粒直径磊及固相体积百分浓度o 对m 。的影响3 4 3 1 2 叶轮离底高度c 对m 。的影响：。3 6 3 2 颗粒性质对固液流动特性的研究。3 8 3 2 1 固体颗粒对局部液相速度的影响。3 8 3 2 2 颗粒直径对局部液相速度的影响。4 2 3 2 3 颗粒浓度对局部液相速度的影响4 7 3 2 4 颗粒密度对局部液相速度的影响5 0 3 3 颗粒性质对桨叶剪切速率的影响5 4 v u 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 4 颗粒性质对泵送性能的影响5 8 第四章固体颗粒对液相速度影响的数值模拟。一一。6 1 4 1 计算岔# 系。6 1 4 1 1 搅拌槽结构6 1 4 1 2 网格划分6 1 4 1 3 计算物系6 1 4 1 4 计算方法6 2 4 2 数值模拟结果与分析6 3 4 2 1 宏观流动场的数值模拟6 4 4 2 2 固体颗粒对液相速度的影响“ 第五章主要结论 参考文献 致谢 研究成果及发表的学术论文 i i 6 9 7 1 7 7 符号说明 c c l ec 2 eq c d 如 彩 d 厶 h k l n n s q c ， s t l 。t 2 z 圪 k u n 肋 z a s , 口1 符号说明 搅拌桨离底距离 缸e 模型参数 曳力函数， 两对电导电极间距 颗粒尺寸 搅拌桨直径 含能涡尺度 搅拌槽内液体的高度 湍流动能 搅拌桨叶片长度 搅拌转速 完全离底悬浮临界转速 循环流量 径向位置 单位体积源项 信号采集时间 搅拌槽直径 信号采集无因次电压 液相合速度 轴向分速度 径向分速度 切向分速度 颗粒沉降速度 叶端线速度 挡板宽度 测量点离底距离 固相和液相流体的体积分数 m 2 l 一 ：璺：署一 m m 皿 2 3 二一 删 删 m 脚 m 盯 m r r m m d d d 4 d d 傩 m h 哪 i ； 哪 m m 北京化工大学硕士研究生学位论文 。 p t e 吼吼 p p p f 、， j c 妒 矿 叶根安放角 叶端安放角 湍流能量耗散速度 k 和占的湍流普朗特数 液相密度 固体颗粒的密度 平均固相体积分数 液体粘度 探针切向角 探针径向角 无因次准数 循环流量准数 船搅拌雷诺数 缩略词 c f d m f r l d a p d a p c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s m u l t i p l ef r a m e o fr e f e r e n c e l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r y p h a s ed o p p l e ra n e m o m e t r y p a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y x 闩 【q 】 m 2 $ - 3 k g m - 3 k g i n d 【】 p a s 一 网 n 晖= q c | n 一 r e = p n d 2 p 前言 前言 液体搅拌是化工过程单元操作之一，在化工过程中有广泛的应用，是许多化 工过程的主要组成部分。随着生物化工、精细化工、食品以及医药工业的发展， 搅拌槽内的流体混合过程应用越来越广泛。其中，固液悬浮是流体混合技术中最 常见的操作，研究固液悬浮搅拌槽内的流场，对工业生产有重要的意义。 固液悬浮技术研究的重点是如何以最小的能耗获得所需要的悬浮效果以及 达到这样的效果所需要的流场。从固液悬浮技术研究的现状来看，主要是通过测 量固液搅拌槽内局部液相速度、临界离底悬浮转速、浓度分布等对搅拌槽内流动 和悬浮特性进行深入的了解，并在此基础上通过建立搅拌槽内流体动力学模型来 计算搅拌悬浮状况下的流场信息。由于放大规律存在其局限性，各种悬浮机理只 能从某一方面描述固体颗粒在液体中的情况，不能综合考虑各种因素来解释搅拌 槽中两相流动的各种流体动力学行为，也就无法从根本上解决固液悬浮搅拌槽的 放大问题。同时，由于缺乏固液搅拌槽中的两相流动数据，固液悬浮搅拌槽放大 时很难得到流场及浓度场的变化规律。 因为测速方法和条件的限制，目前对固液悬浮搅拌槽内流场的实验研究还不 是很多，并且几乎全部集中于低浓度、低粘度固液体系，物料性质对固液体系流 场的影响，至今还鲜有报道由于实际工业中物料多种多样，随着不同固体颗粒 的加入和液相粘度的改变，局部液相速度以及流场分布均发生变化，剪切速率和 循环流量随之改变，这直接影响到桨叶的混合效果和泵送能力，因此有必要研究 物料性质对固液搅拌槽内流场的影响，其规律对工业生产有重要的指导意义 双电导电极探针可用于测量较高固含量下的局部液相速度，并且适用于不透 明流体和不透明容器。虽然是侵入流场式测量，但对流场影响很小，实验表明双 电导电极探针是测量搅拌槽中固液体系流场的一种简便可行的方法。 计算流体力学( c v d ) 是以计算机数值计算为基础，对流体流动，传热以及相 关现象进行分析的一种研究方法。随着计算机技术的发展，c f d 数值模拟已成 为一种新兴的方法对流体行为进行预测。 为此本文在原有研究的基础上进一步完善了双电导电极的测量系统，并且采 用该测量系统测定了t - - 0 4 7 6 m 搅拌槽中近壁区的局部液相速度，分析了固体颗 粒直径、密度和浓度对液相速度的影响。根据速度测量结果，计算了加入不同直 径和密度固体颗粒时的剪切速率和循环流量，初步探讨了固体颗粒性质对桨叶混 合效果和泵送能力的影响。同时，利用计算流体力学商业软件c f x 5 5 1 对固液 搅拌槽内近壁区的局部液相速度进行模拟，并将实验值和模拟值进行比较，以能 更准确的了解固液搅拌槽内的流场，进而对工业中的固液悬浮操作起指导作用。 2 一 f j_lll州， 1 1 固液悬浮特性的研究 固液悬浮的目的就是达到完全离底悬浮状态和均匀悬浮状态。完全离底悬 浮，即所有颗粒都在槽底上方运动，颗粒在槽底的停留时间不超过1 2 秒，此 时，使固体颗粒刚好完全离底悬浮时的最小叶轮转速即为完全离底悬浮临界转 速；完全均匀悬浮，即所有颗粒比较均匀的悬浮在整个槽中，且搅拌槽内轴向无 明显浓度差，在此状态下，增加转速或功率，对整个槽内固体浓度分布无明显影 响。此时，使固体颗粒刚好完全均匀悬浮时的最小叶轮转速即为均匀悬浮临界转 速。 1 1 1 完全离底悬浮临界转速 目前，对固液体系完全离底悬浮的研究较多，有不少临界转速的关联式发表。 其中，以z w i e t e r i n g 1 】发表的关联式最为准确，除了直径为7 0 0 m 的玻璃珠外， 对其余三种物料完全离底悬浮临界转速的估算值与实测值的误差均小于7 。 z w i e t e r i n g 的完全离底悬浮临界转速关联式可改写为： 以- k d 0 n 够卜 式中s - 一临晃转速( r s ) ； k - 方程式常数； z n n( 0 5 x 2 0 ) v 液体的运动粘度( m 2 s ) ； p 液体的密度( k g m 3 ) ： p p 固体粒子的密度( k g m 3 ) ； d 。一固体粒子的直径( m ) ； ，固相体积百分含量； d 桨径( m ) ； g - 重力加速度( m s 2 ) ： x - - - - 1 0 0 乘上固- 液的质量比，x - 卜0 0 石者纠 从z w i e t e r i n g 的关联式可以看出，临界转湖j 。与颗粒和流体的性质、颗粒的 3 北京化工大学硕士研究生学位论文 体积分率以及桨叶的尺寸有关。方程式常数k 与槽底形状、桨叶离底距离以及叶 片特征的混合因素有关。 另外，b u u 咖锄1 2 喇用湍流涡流模型对完全离底悬浮临界转速进行研究该模 型认为：搅拌槽底部的固体颗粒临界悬浮由湍流旋涡控制，与颗粒尺寸相当的湍 流涡从搅拌槽底部带起了静止的固体颗粒。搅拌槽中通常存在一个湍流区，当槽 底颗粒处于临界离底悬浮时，颗粒并不是总是悬浮着的，而是在槽底( 中心及边 缘区) 停留1 2 秒后被悬浮起来。在这种情况下，颗粒受到的是湍流的扰动作 用。这时起作用的湍流的大小是一定的，因为比临界涡更小的旋涡没有足够的力 量移动沉积在槽底的固体颗粒，而比临界涡更大的涡很难达到槽底。 由这一理论，b u u r m a n 得到了完全离底悬浮临界转速的表达式为： n j , - a 兰兰：! 墨d 竺2 3 1 2 1 ： b a l d i 3 1 也应用湍流涡流模型对这一理论进一步推导，并用实验数据关联流体 粘度和固体浓度的影响，提出n i 。的表达式： 以。彳a t 。 ( g a p 再p 矿) o 一, 2 c v o = 1 9 9 2 年，s h a m l o u l 4 1 根据主体流动理论对完全离底悬浮临界转速进行推导。 主体流动理论认为：流体流经固体颗粒时，固体颗粒处于边界层内，槽底的边界 层是一个剪切速率很高的有旋场，对颗粒施加垂直向上的力，当流速达到一定时， 作用力与固体颗粒的重量相等，沉积在搅拌槽底部的固体颗粒全部达到离底悬浮 状态。s h a m l o u l 4 l 认为搅拌槽底部颗粒有静止被悬浮遵循三个运动状态：静止、 滑动至悬浮。根据主体流动理论，由力平衡可推导出临界悬浮转速为： 即彳继铲 此外，还有许多学者对完全离底悬浮临界转速的关联式进行了研究，这里就 不逐一介绍了。 1 1 2 物料性质对固液悬浮的影响 1 1 2 1 液相粘度的影响 以往的文献中往往忽略液体粘度对悬浮效果的影响。而e i n e n k e l 5 1 发现液体 的粘度越高，婚越大进行固液悬浮操作时，虽然以搅拌雷诺数表征的总体流 4 f 第一章文献综述 动总是处于湍流状态，但在粒子周围的流动则可能有种种情况，其沉降雷诺数也 可能处于层流或过渡流，此时液体的粘度就会对粒子的悬浮状况产生影响。唐浩 旧在t _ 0 8 m ，玻璃珠一水体系( 密度为2 5 0 0 k g m 3 ，平均粒径1 0 毗m ) 的实验条件 下得到临界转速与液体粘度的关系：在忽略液体密度的影响后回归得 毗，7 ，而考虑液体密度时p 矿1 1 1 2 2 固相体积百分含量o ，的影响嗍 当固相体积百分含量很低时，随固相成分的增加，m 。上升。当固相体积分 率达到1 5 - 2 0 时，。达到极大值。随着固相体积百分含量的进一步增加，液相 中粒子的密度增加，而粒子在密集状态下的沉降速度魄等于单个粒子的沉降速 度阢和空隙率( 1 圣v ) 的4 6 5 次幂的积，即：e ，。一u 。( 1 一o ，) 屯舒，因为当固体颗粒 浓度增高时，悬浮液显示出阻滞沉降的特性，单个颗粒的沉降速度被降低了，因 此粒子在浓悬浮液中沉降得比稀悬浮液中慢。与此同时，搅拌桨周围料浆浓度增 加了，使得搅拌变得越加困难。当固体颗粒浓度达到3 5 - - - 4 0 ( 体积) 时，就会发 生阻滞沉降，或呈现非牛顿流体特性。 1 1 2 3 粒子大小的影响嘲唧 粒子的大小对固液悬浮过程有重要的影响。粒径的增加和颗粒密度的增加会 使浓度分布质量降低，这可用粒子的沉降行为来解释，因为这些因素的增加会使 颗粒沉降速度增加。沉降速度和粒径的关系为，对于非常小的粒子d ；，但 在湍流状态乩d ，1 2 1 1 2 4 颗粒表面状态及密度的影响 当颗粒种类不同，表面状态及粒径相近时，固液密度差越大，所需悬浮转速 越高，固液密度相近时，颗粒越小越易被悬浮。 包雨云l l u j 等人在直径为0 4 7 6 m 的椭圆底有机玻璃搅拌槽中，采用多层组合 桨( i - i e d t + w h d + w h u ) ，分别选用粒径在0 5 到4 r a m ，密度范围在9 0 0 至 9 5 5 k g m 3 的聚丙烯凹) 颗粒及粉料，低密度聚乙烯( l d p e ) 颗粒，高密度聚乙烯 佃u e ) 颗粒作为上浮固体，操作液位为1 5 1 8 1 时进行研究，研究发现对于同 种颗粒其表面状态对悬浮特性有较大的影响，颗粒表面因含有少量残余溶剂而呈 现部分憎水特性时，达到临界悬浮状态所需搅拌转速及输入功率显著增加，此时 5 北京化工大学硕士研究生学位论文 减少上层桨与液面的距离对降低临界悬浮转速及功率有较大贡献。 1 1 2 5 固体颗粒负载量c 的影响 n k u z m a n i c 暑gb 1 j u b i c i c l l l l 研究发现对于上浮固体颗粒悬浮体系而言 加s o = c o o = 。而对于下沉固体颗粒悬浮体系而言炳s o c c 0 1 2 - 0 忍，其中c 为固体颗粒 负载量，k g m 3 。 1 1 3 搅拌设备对固液悬浮的影响 1 1 3 1 搅拌器的影响 径向搅拌器和轴向搅拌器都常用于固液悬浮操作，不同的搅拌叶轮对固液悬 浮操作的作用是不同的。c h u d a c e k 1 2 】曾以完全离底作判据对比了径向流搅拌器和 轴向流搅拌器的悬浮效果，研究表明船舶推进式叶轮的悬浮效率最高，由此可以 得出控制固液悬浮过程的是流速而不是切变速率的结论。8 0 年代以后，在固液 悬浮操作中大多使用轴向流叶轮。但应注意的是若固体质量分数大于5 0 或粘 度很高时，不宜采用推进式叶轮。 n k u z m a n i c b 1 j u b i c i c 1 1 l 在内径为0 3 2 m 圆柱形平底搅拌槽内，采用上提式 四斜叶涡轮桨( 实验选用的涡轮桨不但叶片角度不同，而且离底距离也不同； d t = 0 2 5 - - , , 0 4 1 ：桨片宽度日e - - 0 1 9 d ；b = 3 0 6 0 0 ) 的搅拌装置中对上浮颗粒的悬 浮特性进行研究后发现随着叶轮桨片角度以及叶轮直径的增加，无因次混合时间 降低，但是功率消耗也随之增加。然而，随着叶轮离底距离c 的增加，功率消 耗降低。 文献【8 l f 9 1 1 1 3 l 研究得出结论：影响完全离底悬浮的主要是下层桨，上层桨对临 界搅拌转速影响很小，它能使临界搅拌转速降低，但由于双层桨的存在，功耗将 增加。上层桨的存在能大大改善槽内物系的主体循环，使固体颗粒的轴向浓度分 布更均匀，上层桨对完全均匀悬浮的作用明显。 1 1 3 2 桨径与槽径之比的影响【l | l 桨径大的桨其轴向浓度分布较为平坦，但临界离底悬浮转速和均匀悬浮转速 均随着槽径比的加大而增加。实际应用中桨径不能太大，这不仅是因为大桨径叶 轮本身的制作成本高于小桨径叶轮还由于在相同功耗时，大桨径叶轮转速低， 因此在搅拌轴上所受的扭矩比小桨径叶轮高得多，导致搅拌轴和减速箱的尺寸都 6 第一章文献综述 要增大，这在工业应用中是很不合算的，因此必须权衡运转费和设备成本费，设 计出最优的桨径。通过理论分析，搅拌桨直径与搅拌槽直径之比d f f 的范围为 0 2 5 - 一0 5 时，推导出功耗与d t 的关系为p ( d r ) 郇。若液体的粘度不大， 并采用涡轮式或桨式叶轮时，对平底圆筒形槽推荐最佳桨径为d - m ) 4 5 - 、一0 5 t , 碟 底槽d - - 0 钉；环形底d = 0 3 5 t 。 1 1 3 3 釜底型式的影响 釜底形状对颗粒的悬浮影响很大。w i e d m 锄1 1 5 j 等观察发现，碟底釜中最后 悬起的粒子处于釜底中心，无论两相或三相体系，平底釜最后悬起的粒子总处于 釜底中心和挡板后，并且发现碟型釜的悬浮性能好于平底釜。这是因为搅拌桨产 生的流型是流线型，平底釜的非流线形状对搅拌桨产生的流型是不利的，可使液 流速度降低。而颗粒悬浮的前提是颗粒在釜底的滑移，滑移的动力是流液速度， 因此平底釜对颗粒的悬浮是不利的，会在釜底中央或釜底边壁形成沉积的颗粒 带，这些颗粒最难悬浮，故平底釜的悬浮性能比球底釜、碟底釜的差。 搅拌槽釜底的结构可采用“锥体和填角”型式，这种结构比平底釜节能4 0 左右，特别适用于固体难于悬浮的场合。c h u d a c c k 1 2 j 以完全离底悬浮作为判据， 对比了平底、复曲面底和锥盘底的悬浮效率，当叶轮的离底高度为0 3 3 d ，粒子 为小颗粒石英砂( d 。一0 1 1 6 m m ) 时，复曲面底和锥盘底的功耗分别为平底罐的 4 5 和6 7 ；而当石英砂的粒径增加到d 。一0 2 9 0 r a m 时，复曲面底和锥盘底的 效率不相上下。对于粗颗粒，当用淤浆悬浮高度作判据时，锥盘底的悬浮效率优 于复曲面底。c h u d a c e k 认为要使固体颗粒悬浮不仅需要一定的流速，还需要一 定的速度波动。在锥盘底的槽中，流体流动时的方向转折比复曲面底的槽中要激 烈，产生的速度波动大，这可能是锥盘底槽的悬浮效率在某些条件下能略大于复 曲面底槽的原因。 1 1 3 4 桨叶离底高度的影响嘲 一般情况下，使用完全离底悬浮作判据时，桨与槽底之间的间隙越小耗能越 少。但是，由于受槽底几何形状和桨本身的限制，桨并不能安装的过低，如果太 低会使流型在槽底不能展开，使颗粒达到离底悬浮状态反而需要更多的能量。对 复曲面底和锥盘底来说，最小桨高分别为0 1 6 7 d 和0 2 5 0 d ；船舶推进式叶轮的 最低安装高度为0 1 6 6 d ，若间隙小于此值，则由于槽底的节流作用，悬浮效率 较低。然而对于四叶或六叶斜桨，间隙降至0 0 8 3 d 仍未发现有悬浮效率降低的 7 北京化工大学硕士研究生学位论文 现象，可能是这种叶轮的排液范围宽，槽底无明显的阻碍作用。对于固含量很高 时，叶轮也不能装得太低，除非安装再启动装置，因为这样停止搅拌时，固体覆 盖了叶轮，再启动时可能会损坏叶轮。另外，桨的位置影响搅拌槽中浓度的分布。 1 1 3 5 挡板和导流筒嘲 挡板可避免形成固体回转部并可使周向流变成有利于固液悬浮的轴向流。挡 板的设置一般采用四块宽度为槽径的1 1 0 1 1 2 的平挡板。为避免在挡板后形成 死角，通常使安装的挡板离壁面的间隙为槽径的1 2 0 1 5 0 。当固相分率高时， 流体会呈假塑性，且粘度增大，此时要考虑使用窄的挡板，并用更大的间隙。非 均匀悬浮不设档板用较少的功率就可以达到要求的效果，均匀悬浮设档板，促进 上下循环，有利于达到均匀。 使用导流筒可使炳s 减小，但必须注意导流筒的大小和位置。若导流筒装得 太低，则叶轮的排出流受到限制，将使i 临界悬浮能耗增大。理想的安置是使导流 筒中心的截面积、导流筒与槽壁间的环隙截面积、导流筒底端与槽底之间的流通 面积和导流筒顶端与液面之间的流通面积都相等。 1 2 固液两相流动特性的研究 通常情况下，搅拌槽可划分为四个区域，即：叶轮外区，叶轮内区，近壁上 流区与槽底区。对固液悬浮体系的描述主要有三种特征：液相速度，固相速度和 浓度分布。目前，主要以流场的液相速度来反映固一液两相流的流动特性。 图l - l 搅拌槽内区域示意图 8 第一章文献综述 固体颗粒在液相中的悬浮操作是借机械搅拌的作用，将固体颗粒均匀地分布 到液相中，形成固液相混合物或称悬浮液。固液两相流场中，既有连续性质的 液体，又有离散性质的固体颗粒，这些离散的颗粒弥散地分布在液体中。加入固 体颗粒后液相速度的变化直接影响到固体颗粒的悬浮状态，因此有必要对固体颗 粒存在时流体运动状况进行实验研究。由于受到测试手段的限制，对固液两相搅 拌槽中流场的研究仍很不充分。目前文献报道多集中于低浓度、小装置中，而测 定接近工业规模的固液搅拌槽中的局部液体速度的大小和方向，对研究固液两相 流的流动，解决搅拌槽反应器工程放大设计问题等都具有重要的意义。因此，一 种行之有效的测速装置和方法，是研究搅拌槽内流场的首要问题。 1 2 1 测速方法 现在应用比较广泛的测速方法主要有：毕托管法测速，热膜风速仪测速，激 光多普勒测速仪及相多普勒测速仪测速，粒子成像法测速，电导探针法测速等等。 ( 1 ) 毕托管法 毕托管测试原理是利用流体绕流球体的特性，同时采用对向测量和不对向测 量相结合的方法。所谓对向法，即让探针绕其自身轴线转动，直到探针两侧压力 孔所测压力相等，此时两侧压力孔的对称中心线就与流体方向一致，流体方向角 可从探针的转动装置分度盘上读出。不对向法即探针固定在某个方向上，而测量 两侧孔的压力差，然后根据探针校正曲线，确定流体方向角的大小，但在固液悬 浮两相流中，固体颗粒较小，且含量较高时，极易造成探针堵塞，无法测量。 ( 2 ) 热膜风速法1 1 6 1 早在1 9 1 4 年人们就发明了热线热膜流速计。由于流体流速能影响电热细导 线或薄膜的散热速率，热膜( 热线) 风速仪式通过测量热膜上的热量损失来测量 气体的流速。当气体通过热膜时，热膜在流场中与气流进行强制对流换热，因而 带走了部分热量。根据这个原理可测量流速和波的速度。此方法有两种测量方式， 一种是恒温式，另一种是恒流式。因为这个方法时滞小，故可以用于不稳定流动 中的动态速度测量。这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场干扰较大。 ( 3 ) 激光多普勒测速仪( u ) a ) 及相多普勒测速仪( pd a ) 【1 7 1 1 8 】1 1 9 1 多普勒测速原理是基于多普勒效应并采用光外差或干涉条纹模型进行的。激 光测速仪作为一种非接触式测量手段，对流场不产生干扰，具有精度高、重复性 好、动态响应快、测量范围宽等优点，因而在流场、湍流、传质、传热和流型等 方面的应用越来越广泛。但是，由于固体粒子对入射光线和散射光线穿透能力的 干扰，使激光测速仪目前只能用于对低固含量或穿透距离短的流场测量。并且， 其价格昂贵，对设备环境要求很高。近年来，出现了不少应用这种技术测量两相 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 流中各相速度的文献报道。用p d a 测两相流速度时，只能在悬浮物体积浓度小 于1 5 的情况下：用l d a 测两相流速度时，悬浮物体积浓度也不超过1 5 。 显然，对于非透明装置内的流场，激光测速仪是无能为力的 ( 4 ) 粒子成像法( p i l 驯 粒子成像( p i v ) 原理是采用光学技术直接拍摄分散相，通过摄像捕捉粒子 的轨迹，分析轨迹得到运动特性，再根据粒子运动特性得出流场特征的流体测量 技术。p i v 技术是一种无扰动的二维流场测试技术，克服了以往流场测试中单点 测量的局限性，能够进行平面二维流场的测试，是一种非常有发展前景流场测量 技术。这种测量方法具有不干扰流场，测量精度高，动态响应快，分辨率高等优 点，实现了实时采集分析、显示粒子图像、速度矢量图，成为流速测量的首选。 但商业化的p i v 设备只适于测量透明度高的流场，不适于尺寸较大，流质透明度 较差的高固含体系的流场测量。p i v 虽然可获得瞬时的流场，但数据处理复杂， 且多用于单相流场。改进的p i v 法设备成本低，测量精度高，操作简单，可应用 于透明度较差的溶液体系。研究表明，改进的p i v 技术还可用于垂直管道 仲= 5 0 8 m m ) 中固相体积百分浓度为5 0 的透明固体颗粒固液两相流场的测量。 目前p i v 主要应用于单相流、气液两相流场和气固两相流场的测量，对于固液两 相流场测量的文献报道还很少。 双电导电极探针1 2 1 j 双电导电极探针法是一种利用电导率变化测量流体速度的测速仪器。探针外 部固定有两对电导