双层桨自吸式搅拌槽的数值模拟及实验研究

论文摘要

气-液搅拌槽广泛应用在工业过程中,对其进行了许多的实验研究和数值模拟。和传统的采用强制分散方式实现气体分散的气-液搅拌槽不同,自吸式搅拌槽由于不用气体输送机械,而以搅拌桨的机械搅拌产生的压差吸入气体,在氧化反应、氨解反应、烷基化反应以及工业中的烟道气脱硫、泡沫浮选法选矿、废水处理等过程中得到了广泛应用。因此对自吸式搅拌槽进行研究,可以深入理解其内部流体的流动特性及功耗、气含率、氧传递等气-液分散性能,充分认识自吸分散的优点,为自吸式搅拌槽的工业应用提供指导意义。本文首先利用CFD方法对自吸式搅拌槽进行单相流数值模拟,考察了不同气体分散通道叶片角度、不同下层桨类型、不同桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场的影响。研究发现：气体分散通道叶片角度、下层桨类型、桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场有显著的影响。气体分散通道叶片角度为30。时,流体在上层桨所在平面处的流动没有出现较大的扭曲流动,漩涡较小,能量损耗较少。下层桨为六叶上斜叶桨时,下层桨具有较强的泵送能力,能够将液体有效的泵送到上层桨周围。桨叶间距增大,使槽内轴向循环流动范围增大,但是有可能造成下层桨泵送能力的降低。数值模拟结果为实验研究奠定了一定的基础。在数值模拟基础上,利用实验室现有条件,对双层桨自吸式搅拌槽内气-液分散性能进行研究,并和表面充气分散的实验数据进行比较,对比了不同桨叶组合、不同桨叶间距的气体吸入临界转速、功率消耗、气含率和传氧性能。结果表明：自吸式搅拌槽可以有效地降低功率消耗；P+PDTU（抛物线型桨和六叶上斜叶桨）组合的功率消耗小于DT+PDTU（六直叶圆盘桨和六叶上斜叶桨）组合,相对功率消耗更接近于1,气含率和容积传氧系数小于DT+PDTU组合；桨叶间距L2=0.1 m时的功率消耗小于L2=0.15 m时,相对功率消耗较高,下层桨泵送液体的效率较高,气含率和容积传氧系数较高。研究表明,对于自吸式搅拌槽,当桨叶组合为DT+PDTU,桨叶间距L2=0.1 m时,有利于气液分散和混合,吸气量和气液两相之间的传质效果较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 搅拌槽内流动的实验研究
• 2.1.1 径向流搅拌桨的实验研究
• 2.1.2 轴向流搅拌桨的实验研究
• 2.1.3 组合桨的实验研究
• 2.1.4 新型搅拌设备的实验研究
• 2.2 搅拌槽内流动的数值模拟
• 2.2.1 搅拌槽内单相流数值模拟
• 2.2.2 搅拌槽内多相流数值模拟
• 2.3 搅拌槽内数值模拟与实验研究相结合
• 第三章 研究目的、内容和方法
• 3.1 研究目的
• 3.2 研究内容
• 3.2.1 搅拌槽内单相流动的数值模拟
• 3.2.2 搅拌槽内流动特性的实验研究
• 3.3 研究方法
• 3.3.1 数值模拟
• 3.3.2 实验研究
• 第四章 搅拌槽内单相流动的数值模拟
• 4.1 模拟计算的前处理
• 4.1.1 建立几何模型
• 4.1.2 划分网格
• 4.1.3 设置边界条件
• 4.1.4 湍流模型
• 4.1.5 求解方法
• 4.1.6 运动部件和静止部件之间相互作用的解决方法
• 4.2 搅拌槽内不同气体分散通道叶片角度的数值模拟
• 4.3 搅拌槽内不同下层桨时的数值模拟
• 4.3.1 下层桨形式不同时搅拌槽内流体的流动特性
• 2不同时搅拌槽内流体的流动特性'>4.3.2 桨叶间距L₂不同时搅拌槽内流体的流动特性
• d/L）不同时搅拌槽内流体的流动特性'>4.3.3 下层桨尺寸（即D_d/L）不同时搅拌槽内流体的流动特性
• 4.4 小结
• 第五章 搅拌槽内流动特性的实验研究结果与讨论
• g'>5.1 气体吸入临界转速N_g
• 5.2 功耗性能
• 5.2.1 影响搅拌功率的因素
• 5.2.2 各种桨叶组合的功耗性能
• 5.2.3 搅拌功率的拟合公式及其与CFD模拟结果的比较
• 5.3 气含率
• 5.3.1 不同浓度搅拌介质中的气含率
• 5.3.2 清水中各种桨叶组合的气含率
• 5.3.3 各种桨叶组合气含率的计算比较
• 5.4 传氧性能
• 5.4.1 容积传氧系数
• 5.4.2 比功耗传氧系数
• 5.5 小结
• 总结与展望
• 1 总结
• 2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢