【摘要】 攪拌設(shè)備在化工、醫(yī)藥及生物發(fā)酵等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，攪拌物料包括牛頓流體和非牛頓流體。黃原膠作為一種應(yīng)用廣泛的天然生物膠，在其發(fā)酵過程中，發(fā)酵液會從低粘度牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯燃偎苄粤黧w，這嚴(yán)重影響著黃原膠的質(zhì)量和產(chǎn)量。要解決這一問題，需要研究開發(fā)適應(yīng)于寬粘度域的高效攪拌設(shè)備。本研究以黃原膠水溶液為研究體系，用CFD方法對六種攪拌器的攪拌特性進行數(shù)值模擬，包括五種寬粘度域攪拌器：最大葉片式（Maxblend，MB1、MB2和MB3）、泛能式（Fullzone，F(xiàn)Z1和FZ2）和一種工業(yè)常用攪拌器：雙層渦輪槳（Dual RushtonTurbine，DT）。重點研究了攪拌器的流體力學(xué)性能和攪拌混合過程。對六種攪拌器的流體力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)：在湍流區(qū)，F(xiàn)Z2槳攪拌功耗最大，MB3槳最��；最大葉片式攪拌槳產(chǎn)生雙循環(huán)流型，泛能式攪拌槳會產(chǎn)生上、中、下三循環(huán)流型，雙層渦輪槳產(chǎn)生平行流型；在湍流區(qū)泛能式的剪切量和泵送準(zhǔn)數(shù)最大，雙層渦輪槳最小。相同單位體積功耗下六種攪拌器的攪拌混合過程研究表明，以最小值為基準(zhǔn)計算混合時間大小，在研究的整個功耗范圍內(nèi)：MB1<FZ1<FZ2<DT，且在大功耗下MB3<MB2<MB1。用混合體積曲線分析宏觀混合過程，研究發(fā)現(xiàn)：MB1槳和FZ1槳結(jié)構(gòu)及安裝合理。低轉(zhuǎn)速下，MB2槳和MB3槳存在混合不良區(qū)。FZ2槳下方的葉片面積大，阻礙流動，低轉(zhuǎn)速下，兩層DT槳之間相互作用小。用混合系數(shù)分析微觀混合過程，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混合系數(shù)>1時，對流擴散起主要作用，混合系數(shù)<1時，分子擴散起主要作用。達到混合要求時，采用MB2槳和MB3槳時示蹤劑濃度分布均勻且耗時短，混合性能優(yōu)良。 

1 文獻綜述

1.1 攪拌設(shè)備簡介

攪拌設(shè)備使用歷史悠久，大量應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。攪拌可以使兩種或多種不同的物質(zhì)在彼此之中互相分散，從而達到均勻混合，也可以加速傳熱和傳質(zhì)過程。在工業(yè)生產(chǎn)中攪拌操作是從化學(xué)工業(yè)開始的，化學(xué)工藝過程中的種種化學(xué)變化，均是以參加反應(yīng)物質(zhì)的充分混合為前提。攪拌設(shè)備的應(yīng)用廣泛，還因其操作條件如溫度濃度、停留時間等在可控范圍內(nèi)，又能適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)。

攪拌設(shè)備在很多場合作為反應(yīng)器來用。例如，在三大合成材料中的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器約占90%。但是更大量的攪拌設(shè)備并不是用于化學(xué)反應(yīng)，而僅用于物料的混合、傳質(zhì)、傳熱以及制備乳液、懸浮液等。攪拌操作分為機械攪拌和氣流攪拌，在工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用機械攪拌。

攪拌作為一種廣泛應(yīng)用的單元操作，它的復(fù)雜性正是在于它涉及到流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多種過程。從本質(zhì)上講攪拌就是在流動場中進行單一的動量傳遞或者是包括動量、熱量、質(zhì)量傳遞及化學(xué)反應(yīng)的過程，而攪拌器就是通過使攪拌介質(zhì)獲得適宜的流動場并向其輸入機械能量的裝置。因此，流場問題和攪拌能量問題歸結(jié)為對攪拌器的研究，這一直是攪拌過程所研究的主要課題。

 1.1.2 攪拌設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

機械攪拌設(shè)備主要由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括釜體、外夾套、內(nèi)構(gòu)件以及各種用途的開孔接管等；攪拌機則包括攪拌器、攪拌軸、軸封、機架及轉(zhuǎn)動裝置等部件。

1.2 攪拌物料種類及特性

流體是流變學(xué)研究的一個對象。近代流體除了包括小分子物質(zhì)和溶液，還含有越來越多的大分子或高分子以及有活性的物質(zhì)溶液。近代流體根據(jù)其在一定溫度和剪切應(yīng)力作用下表現(xiàn)出來的特性，劃分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類見表 1-3。

凡是服從式牛頓粘性定律的就稱之為牛頓流體。在對數(shù)坐標(biāo)下標(biāo)繪的流動曲線見圖 1-1 所示。在對數(shù)坐標(biāo)下所有的牛頓流體的流動曲線具有一個相同的斜率為 1，而粘度μ的大小則變?yōu)椴煌慕鼐�。對�?shù)標(biāo)繪的優(yōu)越性在于不但可以在很大的范圍能表達這兩個變量的變化，更重要的是可以方便地與非牛頓流體的性質(zhì)相比較。不難看出，牛頓流體的流動曲線僅需要一個簡單物性—粘度μ即可確定，因此，也僅需要一個簡單的實驗測定即可完全確定流體流變性或?qū)恿餍浴?/p>

凡是剪切應(yīng)力和剪切速率之間的關(guān)系不服從牛頓粘性定律的流體都稱之為非牛頓流體。許多工程和自然科學(xué)中涉及的高分子溶液與熔體、生物發(fā)酵液、原油、水煤漿等均屬于非牛頓流體。非牛頓流體的流變行為對攪拌設(shè)備的設(shè)計和選用以及控制過程終點和產(chǎn)品質(zhì)量等均密切相關(guān)。

由圖1-1 中非牛頓流體的流動曲線可知，流體的剪切速率是剪切應(yīng)力的函數(shù)，要確定其流變性能就增加了難度，需要通過大量的實驗測定得到相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)得出流體流變性確定其本構(gòu)關(guān)系。

2 研究目的、內(nèi)容與方法

2.1 研究目的

黃原膠是集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定、安全及環(huán)保等優(yōu)越性能于一身的一種無味、無臭的天然生物膠，以其優(yōu)良性能已被廣泛應(yīng)用于食品、制藥、石油、化工等多領(lǐng)域。但在黃原膠發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵液中黃原膠濃度的增大，發(fā)酵液開始從牛頓型流體（幾厘泊）轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯确桥ｎD型假塑性流體（幾十萬厘泊）。這種轉(zhuǎn)變制約著整個發(fā)酵過程，使得反應(yīng)器內(nèi)溶氧濃度大幅下降，溫度分布差異增大，導(dǎo)致傳質(zhì)和傳熱效率大幅減低，嚴(yán)重影響著黃原膠的質(zhì)量和產(chǎn)量。

黃原膠在發(fā)酵過程中受制于傳質(zhì)和傳熱，這一問題的實質(zhì)是高粘假塑性流體的高效攪拌混合問題。要解決這一問題，對攪拌設(shè)備核心部件—攪拌器的選用提出了挑戰(zhàn)，需要研究開發(fā)適應(yīng)于寬粘度域的新型高效攪拌設(shè)備。

日本在90 年代初，開發(fā)了數(shù)種大型寬粘度域攪拌器，如住友重機公司開發(fā)的最大葉片式、神鋼技術(shù)公司開發(fā)的泛能式和三菱重工公司開發(fā)的葉片組合式，粘度適用范圍1～100000mPa?s。這些大葉片攪拌器在攪拌釜的縱剖面面積的比例比較大，不僅混合效率高，而且還能夠提供較大的剪切，使得局部傳熱系數(shù)分布均勻，，提高傳熱系數(shù)。

本文主要研究寬粘度域攪拌器的最大葉片式、泛能式和作為對比的標(biāo)準(zhǔn)雙層渦輪攪拌器。采用數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法研究其在假塑性流體黃原膠水溶液體系中的攪拌混合過程，以期對不同型式的槳葉做一個系統(tǒng)的比較，得出能耗低、混合效率高的槳葉。為下一步的研究提供一定基礎(chǔ)，并為寬粘度域攪拌器在實際工業(yè)過程中的開發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2.2 研究內(nèi)容

對六種大直徑攪拌器的攪拌特性進行數(shù)值模擬，包括五種寬粘度域攪拌器：三種最大葉片式（Maxblend，MB1、MB2 和 MB3）、兩種泛能式（Fullzone，F(xiàn)Z1 和FZ2）和一種工業(yè)常用攪拌器：雙層渦輪槳（Dual RushtonTurbine，DT）。考查了不同型式槳葉的攪拌功耗、攪拌流場、剪切性能、排液性能和混合性能，并對本實驗室現(xiàn)有槳葉（MB1 槳和 DT 槳）的功耗數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)做了對比，以驗證計算模型的可靠性。主要研究內(nèi)容可以分為以下三部分：

（1） 通過實驗得到最大葉片式 MB1 槳和雙層渦輪槳 DT 槳，在高粘度假塑性黃原膠水溶液中的攪拌功耗；

（2） 模擬六種大直徑攪拌器在假塑性流體攪拌混合中流體力學(xué)性能，包括攪拌功耗、攪拌流場、剪切性能和排出性能，并將部分功耗數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)做對比；

（3） 模擬六種大直徑攪拌器在假塑性流體中的攪拌混合過程。在相同單位體積功耗下，加入示蹤劑后計算組分輸運方程，使用局部監(jiān)測和整體監(jiān)測的方法得到攪拌混合時間，并從宏觀和微觀角度分析混合過程。

3 寬粘度域攪拌器流體力學(xué)性能的數(shù)值研究························22

3.1 攪拌釜結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分····················22

3.2 模擬研究方法··················24

4 寬粘度域攪拌器混合過程的數(shù)值研究·············40

4.1 計算方法············40

4.1.1 計算域·················40

5 結(jié)論與展望··············53

5.1 結(jié)論······ 53

5.2 展望············ 53

4 寬粘度域攪拌器混合過程的數(shù)值研究

根據(jù)混合發(fā)生的尺度，混合過程可分為宏觀混合與微觀混合。宏觀混合對應(yīng)于大尺度的混合現(xiàn)象，如在攪拌混合設(shè)備中，由于機械攪拌作用，使流體發(fā)生設(shè)備尺度的循環(huán)流動，從而使流體在設(shè)備尺度上得到混合；微觀混合對應(yīng)于小尺度的混合現(xiàn)象，流體被破碎成微團，微團之間的碰撞、合并和再分散，以及通過分子擴散使液-液體系達到分子尺度均勻化過程。

本章主要在第 3 章的基礎(chǔ)上，計算示蹤劑濃度輸運方程得到混合時間�；旌蠒r間指示蹤劑濃度達到完全均勻濃度的99%所需要的時間。第3章中槳葉的功耗特性、剪切性能和排液性能是在相同雷諾數(shù)、不同功耗下進行的。而對于混合時間的計算在相同功耗下進行，使用了點監(jiān)測和整體監(jiān)測的方法，以最小值為基準(zhǔn)計算混合時間，考查了計算過程中示蹤劑總質(zhì)量的變化，使用混合體積來描述宏觀混合，混合均勻度來描述微觀混合。

4.1 計算方法

4.1.1 計算域

攪拌釜及攪拌器的幾何尺寸、安裝高度和流體的物性與第3章的模擬條件相同，示蹤劑的進料位置和監(jiān)測點位置見圖4-1 和表4-1 所示。

圖4-1 為垂直于槳葉的平面內(nèi)，示蹤劑進料位置和監(jiān)測點位置的分布。進料位置在液面 r/T =0.3 處，在攪拌釜縱剖面設(shè)置了 11個監(jiān)測點，點的位置左右對稱，坐標(biāo)位置見表 4-1 所示。計算開始時，示蹤劑在進料位置對應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的濃度分?jǐn)?shù)為1，其他區(qū)域為0。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

利用 ANSYS Fluent 15.0 軟件對六種攪拌器：五種寬粘度域攪拌器和標(biāo)準(zhǔn) 2/3T雙層渦輪槳，在高粘度假塑性流體（1.0wt%黃原膠水溶液）中的攪拌混合特性進行了數(shù)值模擬。重點研究了攪拌器的流體力學(xué)性能和攪拌混合過程，得出如下結(jié)論：

(1) MB1 槳和 DT 槳攪拌功耗數(shù)據(jù)的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，驗證了計算模型的可靠性，但在過渡區(qū)受到湍流模型的影響誤差相對較大。

(2) 對六種攪拌器的流體力學(xué)性能研究，得到了攪拌功耗、速度流場、剪切性能和排出性能：①攪拌功率曲線，在層流區(qū)呈斜率為-1 的一組平行線，湍流區(qū)功率準(zhǔn)數(shù)趨于常數(shù)。FZ2 槳功耗最大，MB3 槳最�。虎谧畲笕~片式槳（MB 系列）產(chǎn)生雙循環(huán)流型，MB2 槳和MB3 槳產(chǎn)生一個較大的上循環(huán)，MB3 槳隨雷諾數(shù)增加下循環(huán)消失。泛能式槳（FZ 系列）產(chǎn)生上、中、下三循環(huán)流型。層渦輪槳（DT）形成平行流型；③在湍流區(qū)，泛能式剪切量和泵送準(zhǔn)數(shù)都最大，雙層渦輪槳最小。

(3) 在相同單位體積功耗下，模擬六種攪拌器的混合過程，以最小值為基準(zhǔn)計算混合時間的結(jié)果：MB1<fz1<fz21 耗時短，對流擴散起主要作用，混合系數(shù)<1 耗時長，分子擴散起主要作用；示蹤劑濃度參數(shù)云圖顯示：達到混合要求時，MB2 槳和MB3 槳濃度分布均勻且耗時短，混合性能較為優(yōu)良。

參考文獻（略）