搅拌反应器桨叶水力设计与气液两相混合特性研究

作     者：宋亚娟 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黎义斌

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：推进式桨叶 螺旋角 对称性 混合特性 组合桨叶 

摘      要：搅拌反应设备广泛应用于化工、生物、冶金等行业,桨叶作为搅拌反应设备的核心部件,其叶型结构对搅拌介质的分散、混合及其反应速率影响显著。本文以3m立式搅拌反应器为研究对象,以气液两相流为搅拌介质,采用理论分析和数值模拟结合的方法研究搅拌反应器桨叶水力设计与气液两相混合特性。为了获得性能较优的推进式桨叶,首先,对横截面系数k进行优化,然后选用不同螺旋角γ和展开面形状设计了恒螺旋对称桨叶(DC-450-32)、变螺旋对称桨叶(DC-450-γ)、恒螺旋非对称桨叶(FDC-450-32)、变螺旋非对称桨叶(FDC-450-γ)四种推进式桨叶,并对四种桨叶的危险断面进行校核验证以保证其叶片强度。采用RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型对四种推进式搅拌反应器内部流场进行了数值模拟,对比了不同转速及不同桨叶几何参数下搅拌反应器性能和气液混合速率,从而得到四种推进式桨叶中的最优性能桨叶为变螺旋非对称桨叶(FDC-450-γ),并研究该搅拌反应器的桨叶安装高度对搅拌反应器颞部流场的影响,选择最优桨叶安装高度。同时,由于设备大型化趋势,多层搅拌反应器应用越来越广泛,因此,选择合适的桨叶组合对提高搅拌反应器的混合性能有重要的意义。本文选用最优变螺旋非对称桨叶(FDC-450-γ)为底层桨叶,上层分别选用推进式桨叶、4斜叶开启涡轮(45°)、4斜叶圆盘涡轮、4弯叶涡轮桨叶得到四种不同组合的搅拌反应器,研究不同组合桨的搅拌反应器内部流场分布规律,得到了具有最优性能的组合搅拌桨叶。研究表明:桨叶的功率和轴向力随着转速的增大而逐渐增大;当转速为400r/min时,比较四种桨叶,变螺旋对称桨叶(DC-450-γ)的功率和轴向力最大,恒螺旋非对称桨叶(FDC-450-32)的功率和轴向力最小,功率和轴向力的最大差异分别为45.4%和6.9%;变螺旋非对称桨叶(FDC-450-γ)的径向速度分布最为均匀,其混合速率最大,混合时间最短,所以变螺旋非对称桨叶(FDC-450-γ)的搅拌性能最优;桨叶安装高度350mm为最优安装高度,此时桨叶对搅拌反应器内部气体的分散效果好,混合速率最快为24s;当安装高度为450mm时,混合速率为33s。下层推进式桨叶+上层4斜叶开启涡轮(45°)的组合搅拌桨叶速度分布较好,混合时间仅为18s,且能耗低,为最优搅拌反应器组合桨叶;下层推进式桨叶+上层4弯叶涡轮的组合桨叶的搅拌混合时间最长,混合时间为21s。本文通过水力设计和数值分析,揭示了桨叶设计参数对搅拌反应器内部搅拌混合性能的影响规律,得到最优性能的推进式桨叶,可显著提高搅拌反应器内气液混合速率和搅拌性能。在此基础上,研究了双层组合桨叶对搅拌反应器内搅拌混合性能的影响规律,为搅拌反应器桨叶设计和优化提供理论依据。