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臨沂市河東區(qū)大華機械廠

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攪拌與混合研究新技術(shù)

時間:2012-9-19閱讀:409
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  經(jīng)過近一個世紀的實驗研究和理論探索,當今的流體混合技術(shù)已進人快速發(fā)展時期,并積累了大量可用于分析和預測混合體系的設(shè)計經(jīng)驗和關(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雜性,目前對于攪拌設(shè)備的選型和設(shè)計還主要依賴經(jīng)驗和實驗,對其優(yōu)劣很難用理論預測,對于能耗和生產(chǎn)成本,只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上進行對比后才能分出高低。另外對攪拌設(shè)備的放大規(guī)律至今仍無足夠的認識,缺少理論指導。因此從更微觀更本質(zhì)的角度,采用的測試手段和計算流體力學方法,獲取攪拌設(shè)備中的速度場、溫度場和濃度場,不僅對攪拌與混合設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計具有重要的經(jīng)濟意義,而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實的理論意義。
  
  1LDV/PIV測量技術(shù)
  
  攪拌設(shè)備內(nèi)流速的測量是一件復雜的工作。這是由于攪拌設(shè)備內(nèi)的流動是三維和高度不穩(wěn)定的湍流,脈動和隨機湍流給流速測量帶來了很大困難。早期的流速測量方法如畢托管、電磁流速計、壓電探頭和或熱膜風速儀等,都由于插人流場中的探頭而使流動受到干擾。20世紀80年代以來,國內(nèi)外開始運用激光多普勒測速儀LDV(LaserDopplerVelocimetry)來測量攪拌釜內(nèi)流場。LDV測量是在某一測點處一段時間內(nèi)進行的,因此所測速度是時均定量值,通過對攪拌釜中每一點的測量可以得到整個流場。但由于這些測量不能同時進行,因此LDV不能用于研究非穩(wěn)態(tài)流動。
  
  為了研究時變流動,必須采用更的粒子成像測速儀PIV(ParticleImageVelocimetry),可在瞬時得到整個流場分布。其原理是攪拌設(shè)備由一狹縫激光束照射,用兩個脈沖激發(fā)光源,得到粒于場的兩次曝光圖像,接著從曝光時間內(nèi)粒子的位移計算出速度場。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量高速湍流下的湍流參數(shù)。
  
  利用LDV測量技術(shù),可以準確獲取攪拌釜中豐富的信息如時均速度場、湍流強度場、雷諾應(yīng)力場、剪切速率場,并可進一步計算得到宏觀特征參數(shù)如排量和功耗等。因此目前LDV測量數(shù)據(jù)的一個主要用途就是驗證CFD(ComputationalFluidDynamics)模型的仿真結(jié)果和提供模型邊界條件。近幾年LDV還被用于測量多層槳的攪拌特性,如排量和循環(huán)流量等。因為在單層攪拌器條件下所采用的測量排量的粒子跟蹤法,在多層槳條件下是不適用的。
  
  2CFD模擬技術(shù)
  
  LDV僅僅提供了一些重要參數(shù)如排量準數(shù)、時均速度和脈動速度的分布等,而不能從本質(zhì)上認識混合與流動,無法改變?nèi)涨斑@種依靠經(jīng)驗來放大的現(xiàn)狀。因此采用計算流體力學的方法,來模擬和預測不同幾何尺寸和操作條件的攪拌設(shè)備中詳細的流動和混合特性,是流體混合技術(shù)的發(fā)展趨勢。
  
  攪拌設(shè)備內(nèi)流動數(shù)值模擬目前應(yīng)用zui廣泛的是對攪拌器采用黑箱模型進行穩(wěn)態(tài)分析,即由實驗測得攪拌器周圍虛構(gòu)表面的速度場作為邊界條件或?qū)~對流體的作用看作流體動量的產(chǎn)生源。從數(shù)值計算來看,黑箱模型具有簡捷、方便等特點,能較準確地預報攪拌器在不同條件下的運動特性,但該方法需要實驗數(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。
  
  CFDzui重要的應(yīng)用(也是CFD技術(shù)的zui主要優(yōu)點)是對流場的分析,可以明確在不同攪拌器的型式、尺寸、離底距離等條件下,流場對混合、懸浮和分散等過程的影響,即CFD流動、能量耗散等的計算可視化。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,指導用戶進行攪拌器的優(yōu)化設(shè)計,消除死區(qū),確定加料口位置等。目前國外的專業(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)了第二代軸向流攪拌器。
  
  CFD的另一個主要優(yōu)點就是模型的設(shè)備大小無關(guān)性,一旦它們被驗證可以合理準確地描述攪拌反應(yīng)器過程,就被用于放大,以預計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模擬也得到了長足發(fā)展,但與實際應(yīng)用仍有相當距離。
  
  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時檢測和可視化技術(shù),可以測量不透明介質(zhì)的流場。
  
  EPT的工作原理與醫(yī)學測試儀器中的CT相差不多。在被測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(電導率、電容率等)的物料(不同電導率的液體、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)采集單元傳送回計算機。計算機將記錄所有電極的信號和先后次序,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100幀圖像。如果采用多組傳感器對不同高度進行斷層成像,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體造型。
  
  EPT系統(tǒng)無輻射危險、價格便宜、易于制造,響應(yīng)速度比CT快且可以滿足工業(yè)實時過程要求。但圖像解析度比CT要低。
  
  由于EPT可以準確地測量出攪拌反應(yīng)器中的流動區(qū)域、速度場、氣體和固體組分濃度分布,而這些數(shù)據(jù)可用于從空間和時間兩方面驗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)計和操作,隨著電子技術(shù)、圖像重建算法和計算機硬件的發(fā)展,EPT還將被用于過程的在線監(jiān)測和控制

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