管線型高剪切混合器流體力學(xué)與返混特性.pdf

1、高剪切混合器是一種新型過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備,局部超高的湍動(dòng)和剪切作用使其具有強(qiáng)化傳遞限制的快速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的巨大潛質(zhì)。本文對(duì)中試規(guī)格管線型高剪切混合器流體力學(xué)性能及返混特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算流體力學(xué)模擬,對(duì)于該類新型化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、選型和優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
　　首先,利用激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定了中試規(guī)格、雙圈超細(xì)齒管線型高剪切混合器(定子后彎斜齒)外圈定子射流區(qū)的徑向和切向速度分量。采用扭矩-轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)定了高剪切混合器的功率消耗。對(duì)混

2、合器內(nèi)單相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)模擬,考察了不同湍流模型和差分格式對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響。對(duì)于高剪切混合器內(nèi)高度三維化、強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)、壁面約束和各向異性流動(dòng),大渦模擬比標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型能更準(zhǔn)確其內(nèi)部平均流場(chǎng)和二次流動(dòng)特征。在混合器的定-轉(zhuǎn)子區(qū)域、外圈定子射流區(qū)以及轉(zhuǎn)子緊固螺母附近的射流區(qū),流動(dòng)都明顯偏離各向同性湍流。
　　其次,基于非理想脈沖示蹤-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)與去卷積算法得到超細(xì)齒管線型高剪切混合器的本征停留時(shí)間分布,并采用大渦模擬與組分輸

3、運(yùn)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行了預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)與模擬的停留時(shí)間分布曲線在響應(yīng)峰出峰位置以及肩峰等主體特征上相似,各操作條件下平均停留時(shí)間吻合良好,表明大渦模擬與組分輸運(yùn)相結(jié)合的方法準(zhǔn)確可靠。高剪切混合器接近于全混流,其內(nèi)部存在明顯的滯留區(qū)。增加轉(zhuǎn)速或流量都有助于提高混合度并能消除微弱的溝流,但是可能產(chǎn)生增強(qiáng)的內(nèi)部環(huán)流。齒合管線型高剪切混合器的幾何參數(shù)對(duì)其返混特性有重要影響。具有較大剪切間隙寬度、較大齒尖-基座間距、單圈定-轉(zhuǎn)子或者直齒型定子的高剪切

4、混合器,可能會(huì)存在溝流、短路和/或流體夾帶的弊端。
　　最后,實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同操作模式下定-轉(zhuǎn)子齒合型與葉片-網(wǎng)孔型高剪切混合器在不同轉(zhuǎn)速、流量和流體粘度下的揚(yáng)程、泵效率、輸入軸功及功率曲線,建立了弗魯?shù)聰?shù)校正的Kowalski功耗預(yù)測(cè)模型。兩種混合器在低轉(zhuǎn)速下泵送能力均較差,增加轉(zhuǎn)速后葉片-網(wǎng)孔型高剪切混合器的泵送性能優(yōu)于齒合型。無(wú)轉(zhuǎn)子時(shí),流體流經(jīng)兩種混合器均產(chǎn)生壓力降;處理不同粘度的工作流體時(shí),兩種混合器中定子的局部阻力相近。在