工业结晶器内流体流动过程的数值模拟

对某无机盐工业结晶反应器中的流体流动过程进行了三维数值模拟,采用多重参考系法(MRF)及标准k-ε模型,分析了桨型、转速、桨的安装高度对结晶器流场的影响情况。计算结果表明:速度分布主要集中于内导流筒内部以及内、外导流筒之间的区域,相应地,结晶器被粗略地划分为对反应结晶过程具有不同作用的两个区域——内导流筒内速度较大的循环区和外导流筒外速度较小的沉降区。通过对循环区和沉降区的速度分布比较,认为推进式搅拌桨的流体流场速度云分布均一性要好于其他型式的搅拌桨,其最佳安装高度为3.5~5.7 m。在合适的搅拌速率下,结晶器沉降区的流体流动速率具有均匀向上的特点,可以有效带出部分小粒子,有利于获得大粒度产品。通过流动过程的数值模拟获得详细的流场分布及操作参数,为结晶器结构和操作参数优化提供了理论指导。实践表明:优化后的产品粒度显著提高,产品中大于0.2 mm的粒子从优化前的不足50%提高到优化后的90%以上,干燥产品的天然气消耗从优化前的22 m3/t降低到优化后的15m3/t,节能降耗效果显著。     

固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性

将折射率匹配技术与粒子图像测速技术结合,测量了固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性。实验所用搅拌槽为平底方槽,搅拌桨为45°四斜叶桨,桨叶搅拌雷诺数389~2 332,固体颗粒的最大体积分数15%。实验考察了桨叶操作方式、搅拌转速和固含率对搅拌槽内瞬态颗粒分布和颗粒床层处瞬时流场的影响规律,结果表明：相同转速下桨叶为上提操作时流体对颗粒床层的侵蚀作用强于下压操作,颗粒开始悬浮的时间早,但悬浮高度较低;随着搅拌转速的增加,流体对颗粒床层的侵蚀作用增强,体系达到稳态后搅拌槽内颗粒云的均一度和高度也出现上升趋势;固含率从5%增加至15%时,搅拌槽内悬浮起的颗粒数量增加;流体侵蚀颗粒床层的临界速度范围在0.1~0.25 m/s。     

无挡板搅拌槽内固液悬浮的试验

在直径为0.34 m的无挡板平底圆筒搅拌槽内,采用PBT和ZHX两种搅拌桨对固相体积分数为20%的玻璃微珠-水固液两相体系的悬浮特性进行试验研究.采用固体激光器和数码相机分别研究了搅拌桨离底间距和桨型,以及偏心搅拌时偏心率对固相颗粒的悬浮状态与悬浮临界转速及功率消耗的影响,得出了无论是同轴搅拌还是偏心搅拌,搅拌槽底部边缘角落区的颗粒都不能沿周向同时悬浮.搅拌桨离底间距较低有利于颗粒的悬浮,所耗功率愈小,在相同工况下固相颗粒的悬浮效果PBT型桨优于ZHX型桨,偏心搅拌时,颗粒悬浮临界转速和功率消耗均较同轴时的大,且随偏心率的增加而增大,因而,对高浓度固液两相体系的悬浮混合不宜采用偏心的搅拌装置操作.     

过渡流搅拌槽内单颗粒悬浮特性的实验研究

利用高速摄像技术对过渡流搅拌槽内单颗粒的运动特性进行捕捉,分析了搅拌雷诺数及桨叶离底高度对颗粒悬浮运动的影响规律,并使用二维粒子图像测速技术得到搅拌槽内的流场信息。研究结果表明：颗粒的临界悬浮转速随桨叶离底高度的降低而降低;桨叶离底高度对颗粒在槽底的运动影响较大;颗粒在垂直离底悬浮后,于桨盘下方附近螺旋上升或作持续的螺旋状圆周运动;搅拌雷诺数升高对颗粒垂直上升的最大高度和最大速度影响较小,但会减小垂直上升过程中桨盘的转动圈数;颗粒螺旋上升是由于轴向流场在颗粒停滞位置向两侧产生了分叉;颗粒的悬浮主要是由流体的主体流动引起的。     

偏心搅拌槽内高浓度浆液颗粒的悬浮特性

以直径为0.34 m的无挡板平底圆筒形搅拌槽为研究对象,对偏心搅拌槽内高浓度浆液中颗粒的悬浮特性进行了数值研究,分析了45°的4斜叶开启涡轮式搅拌桨(PBT)和3窄叶整体板式螺旋桨(ZHX)2种桨型在不同偏心率和转速时,搅拌槽内的流型分布、颗粒体积分数分布、完全离底临界悬浮转速以及功率消耗,并与试验结果进行了对比.结果表明:对于高浓度浆液,偏心搅拌打破了中心搅拌时流场结构的对称性,提高了流体的轴向循环能力,颗粒悬浮效果优于中心搅拌;固体颗粒的悬浮效果与搅拌桨在槽内的偏心位置有关,当偏心率E=0.4时颗粒悬浮效果最佳,但偏心搅拌会增大颗粒的完全离底临界悬浮转速和设备的功率消耗,不利于节能降耗.     

DTB结晶器的流体动力学状态及其对KCI结晶过程的影响

使用计算流体力学(CFD)的方法,以光卤石冷分解制取氯化钾结晶过程为基础.对DTB型结晶器内的流体动力学状态进行模拟.考察不同搅拌速度下不同流体的动力学状态,以及不同晶体粒径在不同搅拌速度下的悬浮状态,从而分析结晶器内的流体力学状态对结晶过程的影响.结果表明,搅拌速度对液体、固体流场和晶体悬浮状态都有显著的影响.     

KR法铁水脱硫的流动数值模拟分析

基于Fluent软件,采用VOF和DPM模型对KR脱硫搅拌槽内的流场和脱硫剂颗粒运动进行数值模拟,研究搅拌槽内的流场特性和搅拌头的转速对颗粒运动轨迹的影响。结果表明,搅拌初期槽内自由液面中心在下凹的过程中伴有上涌和回落的现象;流场稳定后,流体在壁面处形成上、下对称的两个涡流,而在搅拌头的底部容易形成死区;提高搅拌头的转速有利于提高槽内流场的轴向速度,有利于脱硫剂颗粒在槽内均匀悬浮,从而提高脱硫效果。     

高效搪瓷板框桨的悬浮特性研究

以化工、医药等行业中涉及的固体悬浮问题为背景，设计开发了高效搪瓷板框桨（ＭＧＩ）。通过冷模实验探讨了这一搅拌器的悬浮性能、功耗及混合时间；给出了Ｒ１－ＭＧＩ桨临悬浮搅拌转速及Ｒ１、Ｒ６－ＭＧＩ桨功率准数的关联式。实验结果表明：ＭＧＩ桨结构简单、易搪瓷化，悬浮瓷化，悬浮性能良好；同锚式桨、翼型轴流桨相比，其悬浮均匀性可明显提高，且具有较低的颗粒临界悬浮转速（ｎＪｓ）；在相同功耗下，Ｒ６－ＭＧＩ桨与锚     

连续操作状态下结晶器内颗粒悬浮状态的研究

使用计算流体力学的方法,在连续操作状态下,模拟研究结晶器内晶体悬浮状态.重点考察在不同搅拌速度下,不同粒径的晶体在结晶器内的混合状态和分布与排料位置的关系.对在容积为10,L的DTB结晶器进行模拟.结果表明,晶体的粒径和搅拌速度对混合状态有很大的影响,而排料口的高度则对结晶器的混合状态无明显影响.     

结晶器流场的模拟计算与结构优化

数值模拟是有效研究大型工业设备内部流场的手段。采用多重参考系和湍流标准k-ε模型对结晶器内部流场进行描述。利用激光粒子测速仪(PIV)测量的实验室小型搅拌槽的实验数据对计算模型进行了验证,结果表明计算模型可以有效预测搅拌设备内部的流场分布。并在此基础上研究了搅拌桨安装位置及运行参数对流场的分布影响,优化了结晶器的结构与运行参数:搅拌桨安装高度1 000 mm,导流筒柱段长度2 000 mm,搅拌转速70～80 r/min。     

结晶器流场模拟计算与结构优化

数值模拟是有效研究大型工业设备内部流场的手段。本文采用多重参考系和湍流标准κ-ε模型对结晶器内部流场进行描述。利用激光粒子测速仪(PIV)测量的实验室小型搅拌槽的实验数据对计算模型进行了验证,结果表明计算模型可以有效预测搅拌设备内部的流场分布,并在此基础上研究了搅拌桨安装位置及运行参数对流场的分布影响,优化了结晶器的结构与运行参数为:搅拌桨安装高度1 000 mm,导流筒柱段长度2 000 mm,搅拌经济转速70～80 r/min。     

高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性

对高固含体系下Intermig桨搅拌槽内的桨叶搅拌性能以及颗粒的混合与悬浮特性进行实验研究.采用光导纤维技术对不同桨径、搅拌转速和桨叶离底距离下搅拌槽内底部以及轴向颗粒密度进行测量,同时对临界悬浮转速和搅拌功率进行测定.实验结果表明:对高固含液-固搅拌体系,所采用的Intermig搅拌桨具有很好的轴向混合特性,该桨适合在较大的桨径和较低的桨叶离底距离下应用,可在促进颗粒悬浮与均匀分布的同时,大大降低功率消耗.通过对实验结果的分析和拟合得出底部均匀度与搅拌槽内弗劳德数有关,Q=0.58Fr-0.35,Intermig搅拌桨功率准数在0.2 ～0.3之间,且与雷诺数关系为NP=2.1Re-0.2.     

固-液搅拌槽内颗粒离底悬浮临界转速的CFD模拟

使用计算流体力学(CFD)软件FLUENT对固-液搅拌槽内颗粒离底悬浮临界转速进行了CFD数值模拟。搅拌槽直径T=500mm，四块挡板均布，搅拌桨为标准六直叶涡轮桨。两相物系为石英砂-水，固体体积分数为5%。文中使用不同的方法作为颗粒离底临界悬浮的判据，推算出颗粒离底临界悬浮转速N_js，计算得出的N_js值和文献数据比较有较好的一致性。同时研究了搅拌槽内的固体浓度分布和固、液两相的速度分布；比较了6个不同搅拌转速下的固体颗粒悬浮状况。     

错位Rushton桨的水动力学特性

为了揭示错位Rushton桨的混合机理,采用计算流体动力学方法,对层流和湍流水动力学特性进行了研究.首先通过与文献中实验结果的比较,验证了所建数值模型及模拟方法的可靠性,然后重点分析了错位桨搅拌槽内的尾涡、流场和搅拌功耗.结果表明:与标准Rushton桨相比,相同转速时,错位桨能减小尾涡尺寸,降低搅拌功耗,而且桨叶宽度越小越有利,但过低的桨叶宽度不利于增大流体速度及速度分布的均匀程度.相同搅拌功耗时,桨叶宽度为3 D/20和D/5(D为搅拌桨直径)时错位桨的搅拌效果明显优于标准搅拌桨,两者对流体速度提高的幅度相当,但桨叶宽度为3 D/20时的尾涡尺寸小,故为推荐桨叶宽度.     

行星式搅拌釜混合性能的数值模拟

使用Fluent软件数值模拟行星式搅拌釜高黏熔体中固液混合过程,研究搅拌桨自转速度和安装高度对搅拌釜混合性能的影响.采用欧拉模型、动网格技术和用户自定义函数,在搅拌桨不同自转速度和安装高度下,数值计算了搅拌釜内固液两相流的流场、混合时间和搅拌桨的扭矩,用搅拌功率和单位体积混合能评价搅拌釜的混合效率.计算结果表明,搅拌桨自转速度从20r/mim提高到60r/min,物料混合时间缩短,搅拌功率和单位体积混合能增大,混合效率降低;搅拌桨安装高度从20mm增加到60mm,物料混合时间缩短,搅拌功率变化不大,单位体积混合能减小,混合效率提高.     

涡轮桨变速搅拌槽内湍流混合的实验研究

以NaCl颗粒在水中的溶解为例,对湍流状态下周期性变速旋转的(改变桨叶转向或速度大小,分别称为周期性换向搅拌和周期性依时搅拌)Rushton桨搅拌槽内的混合特性进行了实验研究,并与稳速搅拌进行了对比。实验过程中测量了不同搅拌模式、不同桨叶安装高度时颗粒的溶解时间,结果证明,搅拌槽底部的流型对NaCl的溶解有重要影响;桨叶安装高度对溶解速度的影响不大,周期性依时搅拌时的溶解时间比稳速搅拌时稍短,而周期性换向搅拌则能明显加快溶解速度,提高混合效率。     

新型钾盐结晶器内部流场模拟及性能预测

由于钾盐结晶器内部流动的复杂性及流域的多态性,通过实验测量很难得到其流场形态。应用计算流体力学仿真技术,对某新型钾盐结晶器在连续结晶过程中形成的流场进行数值模拟,模拟连续结晶过程的晶体悬浮及固液相混合流动状态,得到了结晶器在不同搅拌速度下的内部流场速度分布、流线图、压力分布及固相悬浮状态分布等信息。模拟结果表明,搅拌速度对结晶器内部的流场分布具有明显的影响,通过比较流场特征确定能够使此新型结晶器运行经济合理的搅拌速度为40～45 r/min,与厂家的测试结果相吻合。本文研究结果可为确定结晶器合适的电机功率奠定基础,为结晶器在不同搅拌速度下的性能预测提供参考依据。     

流化床结晶器中流体动力学状态影响因素的分析

使用计算流体力学(CFD)的方法,对流化床结晶器(FBC)内的流体动力学状态进行了研究.模拟采用多相流模型,将溶液定义为连续相,颗粒定义为分散相,考察了不同颗粒密度在不同黏度的溶液中的悬浮状态及流场分布.结果表明:随着颗粒密度的增加,同一结晶器高度的固相体积分数是增加的;溶液黏度的变化对液相流速和固相体积分数的影响不明显.     

固液混合过程的数值模拟及实验研究

基于计算流体动力学(CFD)方法,对搅拌槽中的固液混合过程进行数值模拟,研究不同转速下固液相的分布规律,并得到固体颗粒完全离底悬浮的临界转速。结果表明,对于平直叶涡轮式搅拌器,当安装高度为100 mm时,随着涡轮式搅拌器转速的逐渐增大,槽底的中心沉积区逐渐减小,固体颗粒在300 r/min的转速下达到完全离底悬浮;对于斜叶涡轮式搅拌器,固体颗粒在250 r/min的转速下达到完全离底悬浮。通过与实验结果比较,可以认为CFD方法能够较好地还原搅拌过程。此外,通过改变搅拌器叶片的角度以及搅拌器的安装位置,明确了斜叶涡轮式搅拌器更适合固液混合体系,并且在安装高度为直径的0.5～0.8倍时,能够在较低的临界转速下,使固体颗粒达到完全离底悬浮,明显降低搅拌功耗,具有良好的经济效益。     

下沉颗粒三相体系的混合技术研究(Ⅱ)——桨型对颗粒分布的影响

考察了6种搅拌桨型式、转速和通气量对固含率、固体悬浮均匀度的影响,重点研究了气相对主体流场的影响.通过对3个取样孔固含率和固体悬浮均匀度的综合考虑选择了适合于下沉颗粒三相体系的搅拌桨型式.