带导流筒搅拌槽的流场特性研究

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搅拌装置是化学工业中最常见、最重要的单元操作之一。由于搅拌槽中流体混合机理的复杂性,一直缺乏可靠的放大设计方法,使得操作偏离优化设计,降低混合、传热和传质效率,因此对搅拌装置中流体混合的基础研究具有重要的理论意义和实用价值。在搅拌装置中添加导流筒可以引导流体流入和流出。它的作用在于提高混合效率。一方面,它提高了对筒内液体的搅拌程度,加强了叶轮对液体的直接机械剪切作用,同时又确立了充分的循环流型,使槽内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区,提高了混合效率。另外,由于限定了循环路径,减少了短路机会。尤其在高粘性流体以及固液悬浮体系的液面与槽底物料的混匀过程中,其特点尤为突出。本论文是借助Dantec Flowmap 1500 DPIV系统,对硫酸钾生产过程中的一个设备——带导流筒的搅拌槽内的流体流动的时均特性进行了研究。在研究过程中,通过多采样点平均的实验方法确定了最佳采样图片数,重点考察了搅拌桨转速、静液位高度和搅拌桨叶直径对搅拌槽时均流场的影响,并且从整体上对搅拌槽内的流场特性进行了分析。研究结果如下:(1)测量值随时间的随机脉动十分剧烈,要获得时均速度场,必须选择合适的采集图片的数量,实验发现当采集图片数量大于230张时,平均值波动迅速减小。继续增加采集图片数量虽能降低相对误差,但是降低幅度有限,而操作成本却大幅度升高,综合考虑取最佳的采集图片数量为300张。(2)测量结果表明,整个搅拌槽内部的流场是不对称的,这是由于系统本身就不是轴对称的。(3)搅拌桨叶转速大小对时均速度场的影响比较小,静液位高度和桨叶直径对时均速度场影响较大。(4)搅拌槽内的一部分流体在运动过程中,碰到导流简壁面后便形成一定的漩涡,这样便会导致流体的能量消耗,从而降低了混合的效率,而一部分流体在运动过程中能够从导流筒的开口处进入导流筒内部,这就要求在设计过程中在导流筒壁上多开几个孔,以促进物料的混合。(5)搅拌槽的导流筒开口附近,由于流体间的相互作用导致在该区域出现低速区,并且在搅拌槽的底部靠近槽壁处存在漩涡,导致流体混合出现死区,在设计过程中可以通过添加挡板来消除这些区域。本文的研究结果有助于加深对带导流筒的搅拌槽内流体流动的时空特性和混合机理的理解,为搅拌设备的放大设计提供依据。
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