卧式双轴搅拌釜内固液两相流的数值模拟与实验研究

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卧式双轴搅拌设备适用于高粘度流体的搅拌混合,广泛应用于石油、化工、橡胶和制药等行业,尤其是聚合反应和釜残深蒸的过程。但该类设备的设计、放大和工业应用目前主要依赖经验,缺乏系统的理论指导,搅拌混合的性能也难以预测。因此,非常有必要对这种新型搅拌器的流动混合特性进行研究。本文建立了卧式双轴搅拌釜的三维模型,采用非结构化网格技术划分网格,应用Eulerian多相流模型、Realizable k-湍流模型、动网格方法和非稳态模拟技术对固-液两相流进行了CFD模拟。详细地预测了卧式双轴搅拌釜内的压力分布、速度分布、湍流动能分布和功率消耗,以探究操作条件和搅拌介质对混合效果的影响。结果表明,卧式双轴搅拌釜内压力、速度和湍流动能的分布存在一定的梯度,与搅拌转速和流体粘度的大小有关。搅拌转速越高,流体的粘度越大,搅拌釜内速度和湍流动能的分布则更加均匀。固体颗粒的加入会造成液相速度和湍流动能的衰减。固相体积分数为2.5%、5%和10%时,液相速度与单相流相比减小了10%、15%和17.5%,湍流动能则降低了8.3%、11.1%和19.4%。由此可见,颗粒浓度越高,液相速度和湍流动能的衰减越严重。不同粒径的固体颗粒对液相速度的衰减作用不同,但对湍流动能的影响基本相同。在50~1000μm的粒径范围内,液相速度降低了15%,而湍流动能的变化则在5%以内。搅拌功率随着时间周期性变化,与搅拌转速的平方成正比,并随着搅拌介质的粘度线性增加的。在双对数坐标内,功率准数(Np)是随着雷诺数(Re)的增大而减小的;当Re≤100时,两者呈线性关系。本文采用示踪法对搅拌釜的混合时间进行了测量,研究不同工况下混合时间的变化规律。固体颗粒的存在增大了液相混合时间。加入10%(体积分数)的颗粒后,混合时间由180s增大到557s。而且颗粒的粒径越小,液相的混合时间越长。
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