搅拌机在工业中的应用

搅拌机在工业中的应用

1cfd模拟研究该装置在许多工业过程中得到了广泛应用，如化工、生化、食品等。根据操作目的的不同,搅拌器几何形状和搅拌桨类型有很大的差别。由于搅拌器的复杂性和多样性,目前采用的半经验设计方法存在设计过程复杂,周期长,结构难以最优化等缺陷。近年来,基于计算流体动力学(CFD)的预测技术在搅拌器设计方面得到广泛应用,在一定程度上弥补了这一缺陷。CFD方法具有性能预测、内部流动仿真、流动诊断等作用。对重要工艺过程中的搅拌设备中流动和传热等情况进行CFD模拟非常重要,因为流动和传热等情况的研究是优化搅拌器设计的基础,可以为传统的放大准则提供有效的补充,对于搅拌设备的放大设计具有指导意义。国内外学者对搅拌罐内流体流动展开了广泛的实验研究和数值模拟[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],但对搅拌功率、传热系数和混合时间的综合讨论未见广泛报导。传热系数的分布影响着搅拌罐内的温度场,温度的分布对许多生化反应的进行极为重要,故获得传热系数的分布情况是非常必要的。随着能源问题的不断加剧,在满足工艺要求的前提下尽可能降低能耗对于搅拌设备的大型化具有重要意义。混合时间是设计过程和工艺制定过程中需考虑的重要参数,以往大多需要通过实验获得。本文采用CFD软件Fluent研究了三层桨式搅拌罐内流场的速度分布、搅拌功率、平均传热系数和混合时间,以期对桨式搅拌器的优化设计有所指导。2罐及罐内流域的划分搅拌罐几何模型采用某食品设备加工企业研制的某配方罐。罐体中间为圆柱形筒体,上端为标准椭圆封头,下端为锥形封头,桨叶为弧形桨叶,搅拌罐的结构和物料主要特性参数如表1所示。采用多重参考系法解决了静止部件和转动的搅拌桨之间的相对运动问题,将计算域分为两个区域,内部区域包括旋转的桨叶,外部区域包括静止的挡板和壁面。搅拌罐内流域由液面、罐壁、搅拌桨、挡板和搅拌轴组成,其中,自由液面采用滑移的壁面假设。网格创建采用分块技术,对内部区域进行加密,流域网格图如图1所示。本文采用CFD软件FLUENT进行模拟计算,选用标准k-ε模型。3计算参数的方法和结果分析3.1流变场主要特性参数对桨叶直径为1.55m、物料粘度为700cP工况的流场模拟结果截取轴截面和横截面速度矢量图。从图2可看出,形成了两个循环流,上桨靠近罐壁区域形成了一个较大的循环,中桨和下桨端部之间形成了一个较小的循环,整个流域基本处于循环流的影响范围。从图3可看出,桨叶搅动物料形成漩涡,罐壁附近无死角,整体搅拌效果较好。对流场分析结果进行积分和平均可得到搅拌功率、平均传热系数和混合时间等特性参数。搅拌功率的大小是罐内物料搅拌程度和运动状态的度量,同时又是选择电机功率的依据。搅拌功率取决于所期望的流型和湍动程度,是搅拌罐尺寸、物料特性、桨叶外形尺寸和位置、搅拌轴转速和内部附件(有无挡板及其他障碍物)的函数。搅拌桨在流场中所受力为压力和粘性力,作用在搅拌桨上的扭矩也由两部分组成:式中,M是搅拌桨所受的总力矩,M1是由搅拌桨压力梯度产生的力矩,M2是由切应力产生的力矩。搅拌功率可表示为:式中,ω是搅拌桨角速度。通过搅拌罐内流场的分析结果,得到搅拌器的搅拌功率如表2所示。从表2可看出由压力梯度所产生的力矩占总力矩的绝大多数,桨叶直径不变物料粘度减小时,剪切力矩减小,压力力矩和总力矩增大。在物料粘度降低时流动性能变好,桨叶与物料间的剪切力减小,故剪切力矩减小,总力矩和压力力矩增大,搅拌功率随之增大。物料粘度不变桨叶直径减小时,压力力矩、剪切力矩和总力矩均减小,搅拌功率随之减小。小直径桨叶混合效果差,物料循环流动范围小。3.3b.基础影响因素与一般的传热计算相同,搅拌罐夹套的热载体(乙二醇)传递到罐内物料的热量,必须通过乙二醇对传热面的对流传热、乙二醇侧壁面污垢热阻、筒体热传导、污垢热阻和物料对内壁面的对流传热等五个环节。高粘度的搅拌过程物料和内壁面的热阻占总热阻的比例较大,其传热系数可以由CFD模拟获得,取面平均值得到平均传热系数如表2所示,平均传热系数的分布情况如图4所示。搅拌罐内物料对内壁面传热系数hj的影响因素有搅拌罐的结构、尺寸、转速以及粘度等。实验得到的物料与内壁面表面传热系数的关联式如下:式中,D为罐体内径,m;hj为物料对内壁面的表面传热系数,W/(m2·K);d为桨叶直径,m;k为物料的热导率,W/(m·K);ε为单位质量物料消耗的搅拌功率,W/kg;b为桨叶厚度,m;v为物料的运动粘度,m2/s。改变搅拌器的桨叶直径和物料粘度,k、D、Pr、b不变,故hj只与P0.227d0.52n-0.681成正比。这与表2中结果基本一致,搅拌功率和平均传热系数随着桨叶直径的增加(物料粘度不变)和物料粘度减小(桨叶直径不变)而增大。3.4罐内第二相浓度变化选取桨叶直径为1.55m、物料粘度为700cP的工况进行混合时间的模拟计算。混合时间tm是指物料通过搅拌使之达到规定混合程度所需的时间,反映搅拌釜内液体混合效果的重要参数。对于混合时间的计算,先进行单相的搅拌模拟直至收敛,在罐顶加入与初始相互溶的第二相料液(物料特性与初始相基本一致),并设定三个分别位于罐顶、罐体中部和罐体底部壁面附近的监测点。设置完成后进行非定常计算,计算时纪录罐内第二相浓度随时间的变化情况,罐内三个监测点处第二相浓度随时间的变化曲线如图5所示,搅拌罐内第二相达到指定浓度所需混合时间如表3所示。从表3看出,监测点3达到所有指定浓度所需时间均最短,监测点2达到较高的指定浓度所需时间均最长,监测点1达到较低的指定浓度所需时间最长。对具体的搅拌过程,应根据所需搅拌程度选取相应的监测点,可以较为准确地确定混合时间。从图5看出,随着时间的推移,罐内各处浓度逐渐趋于一致,达到75%的时间远小于达到95%以上所需时间。对于具体搅拌过程,可根据工艺要求选择相应的搅拌时间,以期达到指定的搅拌效果。4罐体直径对搅拌功率和平均传热系数的影响本文利用CFD技术对三层桨式搅拌罐内流动与传热进行了详细分析,得到了8种工况下的搅拌功率及罐壁与物料间传热系数分布情况。当罐体条件相同时,搅拌功率和平均传热系数随着桨叶直径的增