连续搅拌釜流场数值模拟及停留时间分布

论文摘要

搅拌釜以其容易实现自动控制,操作简单,节省人力等诸多优点广泛应用于石油化工,生物制药,环境保护等领域。而对搅拌釜内流体的流动状况进行研究将有益于搅拌釜的优化设计,对指导生产实践具有重要的理论及实际意义。文献报道的该方面的研究大多都停留在间歇操作模拟的层面上,且其模拟结果——“流场分布”所对应的实际流体流动状态、流型关联及对反应结果影响分析,尚未见报道。针对这种情况,本文在计算流体力学理论(CFD)的基础上,对连续流动搅拌釜反应器内流体的流场进行了初步的数值模拟,并对连续流动搅拌釜反应器的停留时间分布进行了测定,通过停留时间分布密度函数及方差分析了流体流动状况对反应结果的影响。模拟结果表明:连续流动搅拌釜无论是采用单桨还是双桨,增大搅拌器的转速或进料流量,搅拌釜内流体流动速度也随之增大且搅拌釜内流动速度分布越加均匀;相同的操作条件下,双桨混合效果好于单桨时的效果;加挡板后搅拌釜内流体速度增大且分布更加均匀,釜内死区范围得到进一步减小,实验结果表明:对于直六叶涡轮搅拌桨,搅拌釜内采用双层桨时的σ_θ~2明显大于采用单层搅拌桨时的σ_θ~2,特别是在液体流量为60L/h及转速为1200rad/min时,σ_θ~2从单桨时的0.809增大到双桨时的0.877,σ_θ~2值增加了8.41%,搅拌釜内的流体流动更加接近于全混流,即新进入搅拌釜的物料粒子与原存的粒子在短时间内更容易达到混合充分。对于需瞬间混合良好的连续发酵等过程可选用高转速操作条件、双桨或多桨的直六叶涡轮搅拌桨搅拌釜反应器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 搅拌釜内单相流的实验研究
• 1.2.2 搅拌釜单相流的数值模拟
• 1.2.3 湍流的模拟
• 1.2.4 搅拌釜多相流的实验研究
• 1.2.5 搅拌釜多相流的数值模拟
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 CFD技术
• 2.1 CFD技术的引入
• 2.1.1 CFD软件的构成
• 2.1.2 旋转桨区与静止区域的处理方法
• 2.2 网格的划分
• 2.3 边界条件
• 2.3.1 进口边界和出口边界
• 2.3.2 壁面、重复和轴类边界条件
• 2.3.3 内部单元区域
• 2.3.4 内部表面边界
• 2.4 标准的k-e模型
• 2.5 多重参考系法（MRF）
• 2.6 本章小结
• 第3章 连续流动搅拌釜的数值模拟
• 3.1 搅拌釜的结构及网格划分
• 3.1.1 搅拌釜的结构
• 3.1.2 网格划分
• 3.2 模拟物系和工况
• 3.3 数值模拟方法及边界条件
• 3.4 数值模拟结果与分析
• 3.4.1 单桨数值模拟结果及分析
• 3.4.2 双桨数值模拟结果及分析
• 3.4.3 单桨和双桨的对比
• 3.5 间歇操作与连续操作模拟结果的比较
• 3.5.1 单桨两种操作的比较
• 3.5.2 双桨两种操作的比较
• 3.6 连续操作双桨加挡板流场数值模拟结果及比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 连续流动搅拌釜的停留时间分布测定
• 4.1 实验主要仪器、药品及装置流程
• 4.1.1 实验主要仪器及药品
• 4.1.2 实验装置流程
• 4.2 实验内容及步骤
• 4.2.1 实验内容
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 实验数据处理
• 4.4 实验结果及分析
• θ²曲线对比图及分析'>4.4.1 单、双桨不同流量下的σ_θ²曲线对比图及分析
• θ²曲线对比图及分析'>4.4.2 不同流量下单桨和双奖时σ_θ²曲线对比图及分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢