侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度

1、侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度第37卷第6期2010拄北京化工大学(自然科学版)JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)Vo1.37.No.62OIO侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度朱磊黄雄斌郑晓东(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘要:采用2m×4.2m侧伸式搅拌槽,研究了搅拌器在0.6m水位时的最佳安装位置下(三桨均匀分布,最佳偏转角=10.,垂直夹角a为6.,推流桨安装高度h为0.75D,推流桨伸入长度与推流桨直径之比L/D=1.44)的局部速度.结果表明:搅拌槽内流体流速仅在槽内桨叶

2、排液区较大;与立式推流桨的流场(轴对称,双峰值)相比,无论单桨还是三桨,侧伸式推流桨的流场不是沿轴线对称的;三桨同时启动时叶轮的排出流量准数Nqd为0.665,并外推得到单桨排出流量准数约为三桨排出流量准数的91.O%;在竖直方向上,叶轮排液区合速度和轴向速度的均值变化在左侧与右侧一致,而在叶轮上半部分与下半部分不对称;实验回归出单桨合速度与轴向距离的关系是V=0.402Y一”,三桨同开时V=0.454Y一.关键词:侧伸式搅拌;烟道气脱硫;流场中图分类号:TQ027引言在国际社会大力要求节能减排环保的大背景下,SO已被列为首要治理的大气污染物.在火力发电厂排出的烟道废气中往往存在着大量SO气体

3、,所以烟气脱硫塔设备的需求与改进越来越受到人们的重视.侧伸式搅拌器具有搅拌桨的直径相对较小,安装位置比较特殊,搅拌功率比较小等特点被广泛应用于脱硫过程的吸收塔反应器中.对侧伸式搅拌槽流场的研究,是侧伸式搅拌槽优化设计的理论基础.目前,对搅拌器流场的实验研究大多是针对立式搅拌器,但对具有多个搅拌桨的侧伸式搅拌槽内流场的研究还不多.前人对侧伸式搅拌槽的流场研究多集中在对固一液及气一固一液多相的悬浮性能研究以及数值模拟方向.在实验方面,郑晓东等研究了搅拌桨最佳安装位置,通气速率,固体颗粒浓度及液位高度对侧伸式搅拌槽颗粒悬浮性能的影响;都荣礼等¨对侧伸式搅拌槽内气液两相的传质系数进行了研究;

4、杜俊琪等对厌氧移动床生物膜反应器侧伸式搅拌装置进行了实验研究;Janz等对火电厂烟道气脱硫系统中的侧伸式搅拌装置进行了搅拌轴偏转角的研究.数值模收稿日期:20100322第一作者:男,1985年生,硕士生通讯联系人Email: 拟方面,方键等采用计算流体力学软件Fluent对具有4台侧进式搅拌器的搅拌槽内流场进行了三维模拟;崔娜等¨运用计算流体力学技术对侧伸式搅拌槽进行了单桨搅拌的单相和固液悬浮的模拟计算.在已发表的文章中,对侧伸式多桨搅拌槽内的流场研究,目前仅有数值模拟结果,而在实验中测量流场的研究国内外都鲜有报道.本文主要研究侧伸式搅拌槽中

5、叶轮区的局部速度,通过深入了解侧伸式搅拌桨叶轮区单相流场的特点,以及其与立式搅拌桨单相流场的区别,为工业设计提供有益的参考依据.1实验部分1.1侧伸式搅拌槽内测量流场的实验装置实验在直径为2m的平底柱形透明有机玻璃槽中进行,槽内液位h高0.6nl,实验体系为自来水.实验分别采用1台和3台侧伸式推流桨,如图1所示.桨型采用轴流CBY桨,桨径D为0.17m.根据前期的研究结果,选择最适宜固一液悬浮操作的条件进行实验:推流桨离底距离为0.25m,离壁距离0.25m,推流桨偏离垂直面角度为6.,水平面夹角JB为10.,均按顺时针旋转.本实验采用五孔毕托管,把探头伸人到桨前特定位置固定,分别在开启3台侧

6、伸式搅拌器和单开一台侧伸式搅拌器时测量了侧伸式搅拌槽中叶轮排液区的局部速度,3台推流桨同时启动时采用对称北京化工大学(自然科学版)Lh5.1一搅拌槽;2一电机调频器;3一毕托管;4一电机;5一cBY桨;6一测量区图1侧伸式搅拌槽内测量流场的实验装置以及测量点分布Fig.1Experimentalsystemforvelocityofsideenteringmixingtankandmeasurementline式分布,即相邻桨之间夹角为120.1.2侧伸式搅拌槽内测量流场的实验方法在叶轮排出区前的水平方向,选取距桨叶轴向距离(y)不同,过桨叶轴心的4条水平线(见图1中测量区),对单桨:y分别为

7、0.025,0.070,0.128,0.182m,分别定义为1线,2线,3线,4线.对三桨:y分别为0.O18,0.060,0.124,0.174m,分别定义为1线,2线,3线,4线.测量线上取各点的速度(共90个测量点,各测量点最小相距0.004m),在叶轮排出区前的竖直方向,保持与桨叶一定水平距离(Y=0.O18m),在桨叶半径为半径圆形区域内,增加六条直线进行测量,如图1右侧放大图所示,从上往下定义六条直线分别为A,B,C,D,E,F线(共120个测点).在每个测点,测量5个不同转速(分别为364,455,546,637,728r/min)下的流速,用无因次法计算各点的无因次合速度.无因

8、次合速度V=/m(a)单桨i,其中叶端线速度=rND;由电机伸入方向看,桨叶轴线左侧坐标为负,右侧为正.尺为无因次桨径R=2r/D,r为半径距离,以轮毂中心为0点,左边为负方向,右边为正方向.为无因次距离,X=2X/D,X为测量点到过中心轴线垂直平面的垂直距离,以轮毂中心为0点,左边为负方向,右边为正方向.无因次轴向距离Y=Y/D.液体排出方向为正.2结果与讨论本文中,定义轴向速度与轴中心线平行,叶轮排出方向为正;切向速度以叶轮旋转方向为正;径向速度与叶轮半径方向相同为正;后文中提及的符号带“的,全是无因次量.值,值,值,值分别为合速度,轴向速度,切向速度,径向速度的峰值.有关立式推流桨的实验

9、数据来自文献15.2.1单桨与三桨在叶轮排出区水平方向上的速度通过图2比较3种情况下的速度分布可以看出,与立式推流桨的流场对比,无论单桨还是三桨,侧伸式推流桨的流场均不是沿轴线对称的.比如,单桨在y一1的测量线上,峰值在轴线的位置;三桨的峰值在一0.16R.为估算轴向距离对流速的影响,回归出单桨与三桨的无因次合速度峰值与无因次轴向距离l,(Y/D)的关系,分别如式(1)和(2)所示.V=0.403Y一”(1)V:0.453Y一.(2),m(b)立式搅拌图2单桨,三桨以及立式搅拌速度分布示意图Fig.2Velocitiesforasingle-impeller,three-impellersan

10、daverticalimpeller(c)三桨第6期朱磊等:侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度2.1.1轴向速度为考察速度峰值的变化幅度,以最靠近桨叶的测量线上速度峰值为基准,定义各测量线上轴向速度峰值,切向速度峰值以及径向速度的相对变化幅度6,66.例如对单桨的6=(值一值0.)/值0.,.图3给出了单桨运行与三桨同开时叶轮排液区液体轴向速度的分布,轴向速度沿轴向距离增加的方向的变化趋势是先增大后减少;由表1可以看出,大体上来说:单桨和三桨值占值的比例随轴向距离增加而增加;从1线到4线,轴向速度峰值的位置从1/2R变化到轴线上;三桨受到右侧120.推流桨排液区的影响,峰值位置比单桨更往右偏移,到

11、了4线上,峰值超过中心轴线.一l线;一2线;-3线;_4线;口一l线;02线;-3线;_一4线图3单桨与三桨同开在不同测量线上轴向速度示意图Fig.3Axialvelocitiesofsingleimpellerandaxialvelocitiesofthreeimpellers对比三桨与立式推流桨轴向速度(见表1)可知,两者的轴向速度沿半径增大的方向的变化趋势都是先增大后减小,但是沿轴向距离增大的方向的变化却不同,立式桨两边沿轴线方向的变化是对称的,值随轴向距离的增加逐渐往半径增大的方向偏移,而侧伸式桨的值却相反.2.1.2切向速度图4可以看出,单桨沿半径方向,切向速度随半径方向距离的增加而

12、逐渐减小,1线上,切向速度变化开始很平缓,经过2/3R才加速下降,3线,4线上速度变化平缓.对三桨而言,在排液区右侧的切向速度随径向距离的增加而减小,左侧却相反.单桨与三桨沿径向变化趋势相同.表2给出了单桨与三桨桨右侧2/3R处不同轴表1单桨,三桨,立式桨轴向速度峰值位置大小比较Table1Peakaxialvelocitiesofthree?impellers,single-impellerandverticalimpeller一1线;-2线;-3线;线;口一1线;o一2线;一3线;_4线图4单桨与三桨在不同测量线上切向速度示意图Fig.4Tangentialvelocitiesofsing

13、leimpellerandthree?impellers向距离的切向速度对比.可以看出单桨与三桨的变化趋势是相同的,但三桨衰减程度远大于单桨,/大体上是一个不断衰减的过程.单桨,三桨与立式推流桨的叶轮下方切向速度相比较,沿半径方向,切向速度变化点都出现在约2/3R处;随轴向距离的增加切向速度的变化趋于平缓;立式推流桨的切向速度沿径向的变化是先增大后减小,拐点在约2/3R处,而侧伸式推流桨却是平缓变小到2/3R后骤降.2.1.3径向速度图5比较了三桨与单桨的径向速度,单桨径向速度沿半径变大的方向上的变化是先增大后减小.O51387769998475.0.OL.一5ll279743232OOO0R

14、尺l39982226788OOOO02lO7357158l0OOl5桨式山第6期朱磊等:侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度向上右侧和左侧的变化趋势不大一致.而右侧和中间区域变化规律却相同.取图6中X=一0.462R各测量点的数据用表4表示,反映轴向速度在竖直方向上从桨叶上端出发到桨下端边缘的变化,可以看出轴向速度占的比例非常大,都在93%以上,只有在0线偏低.表4竖直方向轴向速度(=一0.462R)Table4AxialvelocitiesintheverticaldirectionfX=一0.462R)将此平面的局部流量在叶轮旋转平面上加和可得工业设计所需的叶轮排出流量准数Nqd.对三桨:上半部

15、分与下半部分排出流量不相同,上半部分排出流量占44.2%,下半部分排出流量占55.8%,桨叶的排出流量准数qd为0.665.通过比较轴向速度可外推出单桨排出流量准数约为三桨排出流量准数的91.0%.2.2.2切向速度图7给出了叶轮排出区的切向速度,可以看出,切向速度在左半区域大都是负值;在离轮毂近的两条线(c,D线)上轮毂两边切向速度变化趋势是往一一A线;一B线;一c线;一O线;口一D线;oE线;AF线图7三桨竖直方向不同高度测量点切向速度示意图Fig.7Tangentialvelocitiesintheverticaldirectionforthreeimpellers相反方向变化(先增大后

16、减小).在轮毂附近区域线上的切向速度趋近于0;离轮毂越远的点切向速度变化越小,在叶轮边缘(F线)速度变化几乎为径向速度从图8可以看出,在叶轮上半部分,左侧径向速度大于0,而右侧大部分小于0,而叶轮下半部分刚好相反.F线表示在叶轮边缘区域径向速度大部分小于0.例如在一0.277处,径向速度为一0.170V在一0.184处,径向速度为一0.142L在一o.092处,径向速度为一0.091.,说明在叶轮边缘的液体是被吸人叶轮排液区的.一A线;一B线;一C绒;一O线;口一D线;oE线;一F线图8三桨竖直方向不同高度测量点径向速度示意图Fig.8Radialvelocitiesinthev

17、erticaldirectionforthree?impellers3结论(1)与立式推流桨的流场对比,无论单桨还是三桨,侧伸式推流桨的流场均不是沿轴线对称的.(2)与立式推流桨的流场(流场随轴向距离增加径向角度不断变大)对比,对侧伸式推流桨而言,随着轴向距离的增加,轴向距离占合速度的比例越来越大,而径向速度和切向速度却相反,说明距离越远,合速度越接近于轴向速度.(3)对侧伸式推流桨而言,上半部分流场与下半部分不对称.上半部分占排出流量的44.2%,下半部分占排出流量的55.8%.得到了三桨同时启动时桨叶前的排出流量准数肋d为0.665,并外推得到单桨排出流量准数qd约为三桨排出流量准数的91

18、%.(4)在测量范围内,随着轴向距离的增加,叶轮排液区的合速度,径向速度,切向速度变化趋于平缓,单桨时轴向速度峰值的变化趋势是一个先增大?12?北京化工大学(自然科学版)2010正后减小,而三桨同开时轴向速度峰值的变化趋势却相反.(5)实验在Y1的范围内回归出单桨合速度与轴向距离的关系是V=0.402Y一”;三桨同开时V=0.454Y一.符号说明D搅拌桨直径,m搅拌桨距槽底高度,m液位高度,mL搅拌桨伸入长度,m转速,r/mind排出流量准数r测点距轴心距离,m推流桨半径,m叶轮区水流速度无因次合速度无因次轴向速度无因次轴向速度峰值无因次径向速度吆无因次径向速度峰值.无因次切向速度,叶端线速度

19、,m无因次切向速度峰值距离与轴线平行的平面的距离,m无因次距离,my一轴向距离,my无因次轴向距离a搅拌轴垂直偏角,(.)卢搅拌轴水平偏角,(.)6速度峰值的变化By.轴向速度峰值的变化6径向速度峰值的变化艿切向速度峰值的变化参考文献:1王凯,冯连芳.混合设备设计M.北京:机械工业出版社,2000.WangK,FengLF.DesignformixingequipmentM.BeijingMachineryIndustryPress,2000.(inChinese)2肖建军,黄雄斌.带导流筒搅拌槽内流场的研究D.北京:北京化工大学,2002.XiaoJJ.HuangXB.Studyofflow

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29、citieshavebeenstudiedinatankof2m×4.2mwithside-enteringimpellersundertheoptimalinstallationlocation(3impellersweretheaveragelayout;thehorizontalangleofdeflection卢.t=10.;theverticalangle=6.;theimpellerinstallationheighth=0.75D,andtheratiooftheenteringlengthandtheimpel-lerdiameterL/D=1.44).Theresu

30、ltsshowedthatthevelocitiesinthetankarerelativelylargeintheareaclosetothethreeimpellers.Thevelocitiesinatankwithside-enteringimpellersaredifferentfromtheflowfieldinaverti-calagitatedtankwithanaxiallysymmetric,doublepeakvelocitydistribution.Whenjustasingleimpellerwasrotating,thepeakofvelocityonthemeasurementlineofY1wasmovedlefttotheaxislineoftheimpeller,whilewhenthethreeimpellerswererotatingatthesametim