【摘要】：攪拌反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、有色冶金、食品加工和污水處理等領(lǐng)域。攪拌槳作為攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件,直接影響著流場的演化行為,關(guān)系著工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。從攪拌槳結(jié)構(gòu)改進(jìn)出發(fā),強(qiáng)化流體混合行為,已成為開發(fā)高效節(jié)能攪拌反應(yīng)器的重點研究方向之一。本論文以強(qiáng)化流體混沌混合為目標(biāo),對攪拌槳結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提出一種單層鋼絲柔性槳。以流體混合性能和混沌特性為評價指標(biāo),考察了槳葉類型、離底高度、柔性鋼絲長度、柔性鋼絲直徑對流體混合行為的影響。結(jié)合計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD),探究流場結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,并與實驗部分的結(jié)果相對比,進(jìn)行驗證分析。采用單層鋼絲柔性槳與固體顆粒協(xié)同作用的方法強(qiáng)化流體混合行為,考察了槳葉類型、固含率、固體顆粒直徑及柔性材質(zhì)對流體混合時間及混沌特性的影響。得到如下結(jié)論:(1)單層鋼絲柔性槳體系和傳統(tǒng)剛性槳體系中的流場結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出對稱特性。單層鋼絲柔性槳體系中,混合區(qū)增大,隔離區(qū)減小,流體的運(yùn)動方向更為混亂且流速相應(yīng)增加,強(qiáng)化了流體混合行為。(2)單層鋼絲柔性槳通過剛-柔-流耦合作用,能夠有效破壞隔離區(qū),減少能量損失,縮短流體混合時間,提高流體混合效率,增強(qiáng)流體混沌特性。轉(zhuǎn)速(N)為120 r·min~(-1)時,與傳統(tǒng)剛性槳體系相比,單層鋼絲柔性槳體系中混合效率數(shù)(C_e)減小87.4%,最大Lyapunov指數(shù)(LE_(max))增大53.2%;與單層鋼絲剛性槳體系相比,單層鋼絲柔性槳體系中C_e減小43.8%,LE_(max)增大10.8%。(3)單層鋼絲柔性槳體系中,柔性鋼絲直徑為0.8 mm,槳葉離底高度為0.25 T時,流體混合效率較高,混沌特性較強(qiáng)。且柔性鋼絲長度對流體混合行為影響最大,柔性鋼絲直徑次之,槳葉離底高度的影響最小。(4)傳統(tǒng)剛性槳體系中,槳葉與固體顆粒間的協(xié)同強(qiáng)化作用并不明顯;單層鋼絲柔性槳體系中,槳葉與固體顆粒協(xié)同作用,有效破壞了隔離區(qū),提高了流體混合性能,增強(qiáng)了流體混沌特性。單位體積功耗(P_v)為4500 W·m~(-3),固含率(C_v)為0、1%、2%、3%、4%時,與傳統(tǒng)剛性槳體系相比,單層鋼絲柔性槳體系中混合時間分別縮短60.2%、65.4%、67.0%、68.9%、71.1%,LE_(max)分別增加25.3%、31.6%、32.3%、34.2%、35.4%。(5)單層鋼絲柔性槳體系中,隨著固含率增加,進(jìn)入到主體流體中的顆粒越多,隔離區(qū)的穩(wěn)定性越容易被破壞,致使流體混合時間縮短,混沌特性增強(qiáng)。固體顆粒直徑增大,阻力增加,能量損失相應(yīng)增加,液相速度相應(yīng)減小,致使流體混合時間增加、混沌特性減弱。與201和304柔性材質(zhì)相比,鎳鈦合金材質(zhì)的柔性抖動作用更強(qiáng),更有利于充分發(fā)揮剛-柔-流耦合作用、柔性槳與固體顆粒的協(xié)同強(qiáng)化作用,從而縮短流體混合時間、增強(qiáng)流體混沌特性。綜上所述,單層鋼絲柔性槳可有效強(qiáng)化流體混合行為,提高流體混合效率,增強(qiáng)流體混沌特性。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH69
【圖文】：

為高效節(jié)能攪拌反應(yīng)器的開發(fā)提供理論依研究現(xiàn)狀應(yīng)器的發(fā)展器有著廣泛的應(yīng)用，且取得了飛速的發(fā)展。攪拌反，又能夠應(yīng)用在多相反應(yīng)中，既滿足間歇操作要求具有成本較低、可操控范圍較寬、結(jié)構(gòu)較為簡單等的發(fā)展過程中，仍然面臨著節(jié)能降耗的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[28-前提下，高效、節(jié)能混合成為當(dāng)前主要的且必須的研拌方式主要分為兩種，即機(jī)械攪拌、氣流攪拌。與用更為廣泛。這主要是因為，氣流攪拌過程中，沒攪拌作用主要是依靠氣泡運(yùn)動，混合效果較差，尤反應(yīng)器由攪拌槽、攪拌裝置等主要部件組成（如圖 1 1.2 所示。

圖 1.2 常用攪拌槳Fig.1.2 Commonly used impeller攪拌反應(yīng)器正朝著大型化發(fā)展。在放大過程中，攪拌反應(yīng)器必須保持雷的圓周速度、單位體積功耗及傳熱膜系數(shù)不變，以確保系統(tǒng)放大的一致保證在技術(shù)上先進(jìn)可行、在經(jīng)濟(jì)上合理可靠[35]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)氯乙烯攪拌反應(yīng)器體積大于 70 m3，發(fā)酵過程中的攪拌反應(yīng)器體積達(dá) 350 m3[36]。日立制作所的聚氯乙烯攪拌反應(yīng)器體積達(dá) 576 m3[37]。攪拌反應(yīng)器正朝著節(jié)能化發(fā)展。朱培模等[38]研發(fā)的立式攪拌器應(yīng)用在污程中，流體達(dá)到了良好的混合效果，且達(dá)到了高效率、低能耗及低成本何海先等[39]研究了剛?cè)峤M合槳的混合性能和聲學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)剛?cè)峤M合槳強(qiáng)化流體混合，并達(dá)到節(jié)能降噪的目的；王泰等[40]設(shè)計出新式的水翼型有效降低了噪聲、減小了振動，并使得功率消耗變?yōu)樵瓉淼?60%；Mas究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下往復(fù)運(yùn)動能夠明顯降低功率消耗，達(dá)到節(jié)能的目攪拌反應(yīng)器正朝著智能化發(fā)展。計算流體動力學(xué)(Computational

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2713561