搅拌机在工业中的应用

搅拌机在工业中的应用

该装置在许多工业过程中得到了广泛应用，如化工、生物化工和食品。对搅拌槽而言,流体通过旋转的桨叶获得动能,从而在搅拌槽内形成相应的流场。不同的桨叶将会产生不同的流场,进而使搅拌槽内的传质和传热状况不尽相同。研究各种搅拌器的流场特性对搅拌槽的优化设计具有重要意义。近年来,计算流体力学(CFD)方法已被应用于研究搅拌槽的流动特性,它能快速准确的预测搅拌槽内的流场、速度场、压力场和温度场,模拟测试各种搅拌器的混合时间。已成为搅拌槽优化设计不可或缺的工具。Intermig桨是一种多段逆流搅拌器,适用于低、中黏度的液体混合,固体颗粒悬浮,液液分散和传热等过程,特别适合于过渡湍流域下操作。目前国内学者对其研究较少,国外SzalaiE.S.等人研究了4层90°交错排列intermig桨搅拌槽的在层流状态下的流场分布,分析了在低雷诺数状态下搅拌槽的微观混合现象,得到在低转速时微观混合与转速的大小无关的结论,与试验结果吻合。本文以水为搅拌液体,采用CFD软件Fluent6.3对双层Intermig桨式搅拌槽在湍流状态下进行三维模拟,使用Gambit2.3对计算域进行网格划分,并应用Tecplot10.0软件对模拟结果进行后处理。测得了r-z截面上的速度分布,对不同的桨径及离底高度对流场的影响进行了分析,以期对intermig桨式搅拌槽的优化设计有所指导。1结构参数的设置搅拌槽筒体部分采用无挡板圆柱体,桨叶为双层90°交错排列intermig桨,搅拌槽的整体结构尺寸如图1所示。搅拌槽直径T为0.42m,下封头为标准椭圆形封头,上封头为平封头,液位高H=1.3T,D为桨叶直径。工作介质为水,C1为下层桨的高度,C2为两桨叶之间的距离。采用多重参考系法(MRF法)将整个计算域分为两个区域,桨叶及其附近流体区域设置为旋转坐标系,其他流体区域设置为静止坐标系,通过交界面,两部分区域实现动量、能量的交换。选用标准κ-ε模型,流动状态设置为定常流动。网格划分采用适应性较强的四面体非结构化网格,对桨叶及轴部分进行网格加密,总网格数约为47万,流域网格图如图2所示。2数值模拟结果与分析2.1流场的s型轨迹由图3a可知:当离底高度C1/D=0.32时(此时C1=C2=0.135m),整个筒体被分割成4个区域,形成4个涡环,上部为顺时针流动,下部为逆时针流动。各区域之间的质量交换不明显,上桨上部的液体和下桨下部的液体主要通过两桨叶之间的中间区域道进行质量交换,流场带有明显的S型轨迹,随着离底高度升高,基于整个筒体的流动初步形成,各区域之间的液体混合开始加强。当离底高度达到C1/D=0.39时,如图3b所示,此时整个筒体中的液体沿筒壁形成一个大循环,整个流域基本处于循环流的影响范围,上层液体与下层液体传质加强。当离底高度较低时,下桨下方的液体由于流动路径较短,阻力损失较小,在惯性的驱动下形成小的涡环区域,不利于整体的质量传递。随着离底高度的提高,液体所受的沿程阻力加大,惯性力的变小使得下桨下方区域内的液体易受周围区域流体的影响,故易于形成整体大循环,有利于整个搅拌槽的传质进程。从图3b下方靠近筒壁处可以看到,此时搅拌槽内出现了如文献中所述的二次诱导循环流,但由于intermig桨的特殊结构,与文献中所述的不同,此二次诱导循环流带有径向流特征,在筒底形成局部径向流,加剧了搅拌槽内的流场的复杂程度。2.2d/t为0.5不同桨叶直径下流场由图4可知:在相同的转速下,流场的形状大致保持不变,整个流域被分成以上下桨叶为中心的两部分,上桨区域为顺时针涡流,下桨区域为逆时针涡流,两部分之间的质量交换比较弱。当D/T为0.5时,涡环之间的传质主要通过S型通道进行,此时整个流场以轴向流为主。随着桨叶直径的增加,当D/T为0.7时,流场的混乱程度增强,特别是上桨上部的区域,与图4a相比,此时上部的涡环已变得模糊。由于搅拌器叶端速度的增大,导致搅拌槽内上部边缘处的液体由轴向流动夹杂有径向流动,整个上部区域的流场呈现出螺旋状,从而加强了整个搅拌槽内的传质进程。2.3搅拌功率的计算方法搅拌功率的大小是搅拌槽内物料搅拌程度和运动状态的度量,同时又是选择电机的依据。搅拌功率取决于所期望的流型和湍流程度,是搅拌槽尺寸、物料特性、桨叶外形尺寸和位置、搅拌轴转速及内部附件的函数。搅拌功率可由理论计算获得,但现有的计算公式如永田进治公式只适用于传统桨式,其他桨型只能近似计算,且误差较大。CFD软件则为计算搅拌功率提供了另一种途径。搅拌桨在流场中所受的力为压力和黏性力,故作用在搅拌轴上的力矩也为两种,搅拌桨压力梯度产生的力矩M1,切应力产生的力矩M2,则总力矩搅拌功率可表示为:式中:ω为搅拌桨角速度;N为搅拌转速。通过对模拟结果分析,可得到搅拌功率见表1。由表1可知:离底高度的增加对搅拌功率的影响不大,搅拌功率值只有少许增加,而随着桨叶直径的增加,施加在桨叶上的压力和黏性力均增加,搅拌功率迅速增大。2.4层流模型与标准k-模型功率准数Np表示机械搅拌所施加于单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的0惯性力之比,可反映功率消耗的情况。功率准数是搅拌设备最基本的特性参数之一。它可由下式获得:式中:搅拌桨扭矩M已由模拟计算得到;ρ为水密度,取998.2kg/m3;ω为角速度,均为已知。在模拟中,假定物料的密度、搅拌转速和桨叶直径均为常数,通过改变物料黏度ц得到不同的雷诺数,进而模拟得到不同雷诺数下的功率准数,利用Origin7.5软件在双对数坐标上绘制功率准数-雷诺数曲线图,如图5所示。分别用层流模型和标准k-ε模型来模拟过渡流区的Np-Re关系图,由图可以得出在层流区内呈现出线性关系,在过渡流区,Np随Re为曲线关系。两种模型的基本趋势一致,模拟值误差很小,不超过4%,且层流模型的模拟值略小,由此可以得出过渡流区域的搅拌问题可以用层流模型来模拟。从计算时间来看,层流模型比标准k-ε模型所用时间要短,约为后者的1/2,这与文献中的耗时一样,在湍流区,Np值基本保持不变,约为0.48。3流动场数值模拟本文利用CFD技术对双层intermig桨式搅拌槽内流动进行了详细分析,得到了5种工况下的搅拌功率,分析了桨叶离底高度及桨叶直径对流场和搅拌功率的影响。由以上的流动场数值模拟可以得出如下结论:(1)intermig桨为以轴流为主的混流型桨叶。合适的离底高度,有助于搅拌槽内传质过程的进行,当C1/T为0.39时,整个流域处于基于全搅拌槽的循环当中。(