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2022
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攪拌與混合研究新技術(shù)
作者：
經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論探索.當(dāng)今的流體混合技術(shù)已進(jìn)人快速發(fā)展時(shí)期.并積累了大量可用于分析和預(yù)測(cè)混合體系的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)聯(lián)式.但由于流體混合體系的多樣性和物料流變特性的復(fù)雜性.目前對(duì)于攪拌設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)還主要依賴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn).對(duì)其優(yōu)劣很難用理論預(yù)測(cè).對(duì)于能耗和生產(chǎn)成本.只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上進(jìn)行對(duì)比后才能分出高低.另外對(duì)攪拌設(shè)備的放大規(guī)律至今仍無(wú)足夠的認(rèn)識(shí).缺少理論指導(dǎo).因此從更微觀更本質(zhì)的角度.采用先進(jìn)的測(cè)試手段和計(jì)算流體力學(xué)方法.獲取攪拌設(shè)備中的速度場(chǎng).溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng).不僅對(duì)攪拌與混合設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義.而且對(duì)放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)的理論意義.
1 LDV / PIV測(cè)量技術(shù)
攪拌設(shè)備內(nèi)流速的精確測(cè)量是一件復(fù)雜的工作.這是由于攪拌設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)是三維和高度不穩(wěn)定的湍流.脈動(dòng)和隨機(jī)湍流給流速測(cè)量帶來(lái)了很大困難.早期的流速測(cè)量方法如畢托管.電磁流速計(jì).壓電探頭和熱線或熱膜風(fēng)速儀等.都由于插人流場(chǎng)中的探頭而使流動(dòng)受到干擾.20世紀(jì)80年代以來(lái).國(guó)內(nèi)外開始運(yùn)用激光多普勒測(cè)速儀LDV(Laser Doppler Velocimetry)來(lái)測(cè)量攪拌釜內(nèi)流場(chǎng).LDV測(cè)量是在某一測(cè)點(diǎn)處一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的.因此所測(cè)速度是時(shí)均定量值.通過對(duì)攪拌釜中每一點(diǎn)的測(cè)量可以得到整個(gè)流場(chǎng).但由于這些測(cè)量不能同時(shí)進(jìn)行.因此LDV不能用于研究非穩(wěn)態(tài)流動(dòng).
為了研究時(shí)變流動(dòng).必須采用更先進(jìn)的粒子成像測(cè)速儀PIV(Particle Image Velocimetry).可在瞬時(shí)得到整個(gè)流場(chǎng)分布.其原理是攪拌設(shè)備由一狹縫激光束照射.用兩個(gè)脈沖激發(fā)光源.得到粒于場(chǎng)的兩次曝光圖像.接著從曝光時(shí)間內(nèi)粒子的位移計(jì)算出速度場(chǎng).但PIV的技術(shù)開發(fā)仍未完善.尚處于應(yīng)用初期.目前還不能很好地測(cè)量高速湍流下的湍流參數(shù).
利用LDV測(cè)量技術(shù).可以準(zhǔn)確獲取攪拌釜中豐富的信息如時(shí)均速度場(chǎng).湍流強(qiáng)度場(chǎng).雷諾應(yīng)力場(chǎng).剪切速率場(chǎng).并可進(jìn)一步計(jì)算得到宏觀特征參數(shù)如排量和功耗等.因此目前LDV測(cè)量數(shù)據(jù)的一個(gè)主要用途就是驗(yàn)證CFD(Computational Fluid Dynamics)模型的仿真結(jié)果和提供模型邊界條件.近幾年LDV還被用于測(cè)量多層槳的攪拌特性.如排量和循環(huán)流量等.因?yàn)樵趩螌訑嚢杵鳁l件下所采用的測(cè)量排量的粒子跟蹤法.在多層槳條件下是不適用的.
2 CFD模擬技術(shù)
LDV僅僅提供了一些重要參數(shù)如排量準(zhǔn)數(shù).時(shí)均速度和脈動(dòng)速度的分布等.而不能從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)混合與流動(dòng).無(wú)法改變?nèi)涨斑@種依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)放大的現(xiàn)狀.因此采用計(jì)算流體力學(xué)的方法.來(lái)模擬和預(yù)測(cè)不同幾何尺寸和操作條件的攪拌設(shè)備中詳細(xì)的流動(dòng)和混合特性.是流體混合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).
攪拌設(shè)備內(nèi)流動(dòng)數(shù)值模擬目前應(yīng)用最廣泛的是對(duì)攪拌器采用黑箱模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析.即由實(shí)驗(yàn)測(cè)得攪拌器周圍虛構(gòu)表面的速度場(chǎng)作為邊界條件或?qū)~對(duì)流體的作用看作流體動(dòng)量的產(chǎn)生源.從數(shù)值計(jì)算來(lái)看.黑箱模型具有簡(jiǎn)捷.方便等特點(diǎn).能較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)攪拌器在不同條件下的運(yùn)動(dòng)特性.但該方法需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為槳葉邊界條件.因此不能用于多相流體系的模擬.
CFD最重要的應(yīng)用(也是CFD技術(shù)的最主要優(yōu)點(diǎn))是對(duì)流場(chǎng)的分析.可以明確在不同攪拌器的型式.尺寸.離底距離等條件下.流場(chǎng)對(duì)混合.懸浮和分散等過程的影響.即CFD流動(dòng).能量耗散等的計(jì)算可視化.從而使用戶可以直觀地了解釜內(nèi)的混合情況.幫助用戶確定已存在系統(tǒng)中的問題.指導(dǎo)用戶進(jìn)行攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì).消除死區(qū).確定加料口位置等.目前國(guó)外的專業(yè)混合設(shè)備公司己經(jīng)利用CFD技術(shù)優(yōu)化攪拌器的幾何尺寸.開發(fā)了第二代高效軸向流攪拌器.
CFD的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是模型的設(shè)備大小無(wú)關(guān)性.一旦它們被驗(yàn)證可以合理準(zhǔn)確地描述攪拌反應(yīng)器過程.就被用于放大.以預(yù)計(jì)放大后的棍合和反應(yīng)性能.
隨著CFD技術(shù)的發(fā)展.可壓縮性流體和一些簡(jiǎn)單的非彈性粘性流體在商業(yè)軟件中已經(jīng)可以模擬.目前多相流(尤其是氣-液體系)混合的CFD模擬也得到了長(zhǎng)足發(fā)展.但與實(shí)際應(yīng)用仍有相當(dāng)距離.
3 電子過程斷層成像技術(shù)
電子過程斷層成像技術(shù)EPT是一種多相流體系的非接觸式的實(shí)時(shí)檢測(cè)和可視化技術(shù).可以測(cè)量不透明介質(zhì)的流場(chǎng).
EPT的工作原理與醫(yī)學(xué)測(cè)試儀器中的CT相差不多.在被測(cè)攪拌釜或管道外壁等距離貼附一組8到16只傳感器一周.此傳感器為長(zhǎng)方形不銹鋼電極片.既是發(fā)射器又是接收器.釜或管道內(nèi)要有兩種具有不同電性能(電導(dǎo)率.電容率等)的物料(不同電導(dǎo)率的液體.氣體和固體.液體和固體).然后在有規(guī)律的電脈沖作用下.所有可能的相鄰傳感器組合的電壓通過數(shù)據(jù)采集單元傳送回計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)將記錄所有電極的信號(hào)和先后次序.并采用圖像重建技術(shù)還原出釜或管道橫截面的圖像.每秒可獲得高達(dá)100幀圖像.如果采用多組傳感器對(duì)不同高度進(jìn)行斷層成像.則可在圖像重建技術(shù)的輔助下.建立釜或管道的三維圖像和實(shí)體造型.
EPT系統(tǒng)無(wú)輻射危險(xiǎn).價(jià)格便宜.易于制造.響應(yīng)速度比CT快且可以滿足工業(yè)實(shí)時(shí)過程要求.但圖像解析度比CT要低.
由于EPT可以準(zhǔn)確地測(cè)量出攪拌反應(yīng)器中的流動(dòng)區(qū)域.速度場(chǎng).氣體和固體組分濃度分布.而這些數(shù)據(jù)可用于從空間和時(shí)間兩方面驗(yàn)證多相體系的混合模型和CFD模型.因而EPT技術(shù)可直接用于優(yōu)化攪拌器的設(shè)計(jì)和操作.隨著電子技術(shù).圖像重建算法和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展.EPT還將被用于過程的在線監(jiān)測(cè)和控制.
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