桨式搅拌机功率曲线的实验研究

桨式搅拌机功率曲线的实验研究

该装置广泛应用于化工、制药、食品、水处理、油处理、聚合物、药物、化工生产、废水处理等工业过程。由于缺少对混合过程的理解,经常会导致混合操作效率低下和能耗浪费。搅拌器的功率准数是搅拌装置设计的最基本参数,决定着设备的投资和运行成本。近年来,对搅拌器功率准数的研究不是很多。桨式搅拌器是最简单的搅拌器形式,在工业中的应用也非常普遍,也有很多关于其功率准数的文献。Nagata对桨式搅拌器在无挡板、部分挡板和全挡板的条件下进行了系统的研究,得到了桨式搅拌器功率准数的Nagata关联式。Kamei等和Hiraoka等基于对桨式搅拌器的实验研究和搅拌槽内层流区桨式搅拌桨的流动数值解析的结果,提出了桨式、锚框式和螺带式搅拌器功率准数的Kamei和Hiraoka关联式。计算流体力学(CFD)方法越来越多地用来研究搅拌槽内的流场、混合特性以及搅拌器的功率消耗情况。CFD方法可以快速方便地得到各种规模的模拟数据,在工业设计中的应用越来越广泛。Shekhar等利用CFD方法研究了八叶桨式搅拌器在无挡板条件下的功率准数,发现模拟的功率准数要小于Nagata关联式的功率准数。本文通过实验、经验关联式及CFD的方法来研究单层二叶平桨、二叶斜桨、四叶斜桨以及双层四叶斜桨的功率准数,并进行了对比,探索计算搅拌器功率准数更为准确的方法,为工业设计提供依据。1学习方法1.1桨式冷凝器参数搅拌槽槽体为圆柱形,均布4块挡板。搅拌槽直径D=0.58m,液位高H=D,双层搅拌器时H=1.2D,挡板宽度为1/10D,离槽壁0.008m。搅拌桨直径d=0.5-0.6D,桨叶离底距离C=0.35D,双层搅拌器时C=0.3D,2层搅拌桨轴向中心距离为0.6D。桨式搅拌器详细参数见表1,表中b为搅拌桨的宽度,m;np为一层桨叶的叶片数量,个;θ为斜桨桨叶与水平面的倾斜角,(°)。搅拌槽内雷诺数按Re=rd2ρ/μ计算,ρ为物料的密度,μ为物料黏度,r为搅拌器旋转的速度。功率消耗P通过测量搅拌器的扭矩M获得,功率P=2πrM,功率准数NP=P/ρr3d5。1.2用的方法:简单、方便、简单、快速的优缺点通过关联式来计算搅拌器功率准数也是一种常用的方法,它具有简单、快速的优点。对于桨式搅拌器功率准数的关联式主要有Nagata关联式和Kamei和Hiraoka关联式。1.2.1复配电型nd2/d无挡板条件:式中:A=14+(b/D)[670(d/D-0.6)2+185]B=10[1.3-4(b/D-0.5)2-1.14(d/D)]p=1.1+4(b/D)-2.5(d/D-2.5)2-7(b/D)4Re=Nd2ρ/μ全挡板条件:NPmax的计算通过无挡板NP0计算式中的Re用Reθ代替,即可求出。部分挡板条件:(NPmax-NP)/(NPmax-NP0)=[1-2.9(Bw/D)1.2nb]21.2.2全面板参数及桨式冷凝器功率计算方法无挡板条件:NP0=[1.2π4β2]/[8d3/(D2H)]f式中:f=CL/ReG+Ct[(Ctr/ReG)+ReG]-1+(f∞/Ct)1/mm全挡板条件:平桨:NPmax=10(n0.7pb/d)1.3,(n0.7pb/d)≤0.54NPmax=8.3(n0.7pb/d),0.54<(n0.7pb/d)≤1.6NPmax=10(n0.7pb/d)0.6,1.6<(n0.7pb/d)斜桨:NPmax=8.3(2θ/π)0.9(n0.7pbsin1.6θ/d)部分挡板条件:双层桨式搅拌器功率准数计算方法见文献。1.3模拟方法1.3.1改变剂网格划分取整个槽体进行建模,采用四面体单元进行离散,对槽体静止体系部分,桨叶旋转部分分别划网格,单层共划分了55万个左右的网格,双层共67万个左右的网格。为增加计算的精确度,对桨叶、交界面、近壁区采取网格加密处理。1.3.2流动场差分格式及计算计算使用的软件是FLUENT6.3。压力-速度耦合使用SIMPLE算法得到,差分格式采用二阶迎风,流动场的计算采用多重参考系法(MRF)。计算中对层流区、过渡流区和湍流区采用不同的方法进行模拟。湍流区域采用标准k-ε模型计算。由于目前还没有专门针对过渡流区的计算模型,本文分别采用了标准k-ε模型。2结果与讨论2.1模拟值与实验关联值的比较从图1可以看出,实验值和模拟值的功率曲线具有相同的趋势,功率准数都是随着雷诺数的增加先降低后缓慢增加。而利用经验公式关联得到的功率曲线的变化趋势都是先下降后增加,再缓慢下降。在层流区域,模拟值以及Nagata关联式的关联值和实验值吻合很好,而Kamei和Hiraoka关联式的关联值比实验值大0.5—0.7倍。在过渡流区域,模拟值和Nagata关联式的关联值与实验偏差约15%,而Kamei和Hiraoka关联式的关联值与实验值吻合较好。在湍流区域,模拟值与不同关联值相差很小,都比实验值小10%—15%。利用Nagata关联式和CFD方法能够在比较宽泛的雷诺数区域比较准确地预测二叶平桨的功率准数,Kamei和Hiraoka关联式能够对过渡流和湍流区域的功率准数进行合理的预测。2.2层流区域的关联二叶斜桨的功率准数的实验值和预测值见图2,实验值的功率曲线变化趋势和二叶平桨相同,而经验公式的关联值和模拟值都是先快速下降,后慢慢下降至水平不变。在层流区域,由Kamei和Hiraoka关联式得到的关联值与实验的偏差最大,约60%;其次是Nagata关联式的关联值(约20%)、模拟值和实验相差很小。在过渡流和湍流区域,模拟值和Kamei和Hiraoka关联式的关联值与实验吻合较好,而Nagata关联式的关联值与实验值在过渡流相差较大,在湍流区的差距逐渐减小。2.34模拟值与实验值的比较利用Nagata关联式计算低雷诺数四叶斜桨的功率准数时采用等面积的办法。从图3发现,在层流区域,模拟值和Nagata关联式的关联值与实验值吻合很好,Kamei和Hiraoka关联式的关联值与实验值相差30%—50%。在过渡流和湍流区域时,模拟值和Kamei和Hiraoka关联式的关联值与实验值相差较小,而Nagata关联式的关联值与实验值相差30%—60%。这说明Nagata关联式在有挡板和雷诺数较小的情况下,采用等面积法进行搅拌器的功率准数有效,而在雷诺数较大时,由于流体流动情况的改变,采用等面积的方法预测搅拌器的功率准数要偏大很多。2.4模拟值与自适应性试验值的比较从图4可以看出,在层流区域,模拟值和Nagata关联式的关联值吻合较好,Kame和Hiraoka关联式的关联值与实验值的偏差20%—30%。在过渡流区域,模拟值和Kamei和Hiraoka关联式相差15%左右,在湍流区域,模拟值和Kamei和Hiraoka关联式与实验值相差较小。Nagata关联式的关联值与实验值在过渡流和湍流区域二者相差约90%,双层四叶斜桨在层流区域双层按单层的2倍是有效的,在过渡流和湍流时由于流型的改变,双层桨的关联功率值则偏大。3桨式功率准数的预测(1)Nagata关联式在层流状态时关联值与实验值相差较小,在湍流时二者相差较大;Kamei和Hiraoka关联式则在过渡流和湍流区与实验值比较吻合,在层流区的偏差比较大。因此,在层流区域宜采用Nagata关联式,而在过渡流和湍流区域宜采用Kamei和Hiraoka关联式对桨式搅拌器的功率准数进行关联。(2)利用CFD模拟了搅拌器各种状态的功率准数值,模拟值与实验值对比发现,模拟值在不同的雷诺数时都与实验值吻合较好,计算流体力学方法能够较为准确地预测搅拌器的功率准数。符号