化工原理课件搅拌教案

1第四章搅拌

教学重点：搅拌设备搅拌功率2搅拌目的

以液体为主体的搅拌操作，常常将被搅拌物料分为液-液、气-液、固-液、气-液-固等四种情况。搅拌既可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作，以促进混合为主要目的，如进行液-液混合、固-液悬浮、气-液分散、液-液分散和液-液乳化等；又往往是完成其他单元操作的必要手段，以促进传热、传质、化学反应为主要目的，如在搅拌设备内进行流体的加热与冷却、萃取、吸收、溶解、结晶、聚合等操作。3一、作用

1、使物料混合均匀

第一节概述2、强化传热、传质

使气体在液相中很好地分散使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮强化相间的传质（如吸收等）强化传热4567混合机理8搅拌设备的结构91011121314流体在圆形直管内流动时：流体的流动类型属于滞流；流体的流动类型属于湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。——过渡区雷诺数是一个无量纲的数群，故其值不会因采用的单位制不同而改变，但应当注意，数群中的各个物理量必须采用同一单位制。例：20ºC的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，试分别用SI制和物理制计算Re数的数值。解：1）用SI制计算：从附录五查得20ºC时，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，15管径d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理单位制计算：161、实验依据所谓物理模拟就是通过物理模型和借助必要的测试手段，对所研究体系的过程进行观察和显示。根据相似原理建立物理模型，用有机玻璃代替耐火材料制作反应器，用水代替钢水。这样在物理模型中可以对气泡的行为、循环流和熔池的混合等过程，甚至对升温过程的传热规律进行观测，从而获得从现场无法获取的信息。物理模拟中，由于可缩小装置的比例，使试验费用得以大大降低物理模拟所具有的作用可以概括如下：①物理模型中定量测定的结果可按一定关系，用于真实体系的描述，直接为优化工艺过程或为开发新流程提供依据。②帮助数学模拟研究人员正确了解所研究过程的物理特征，以正确处理数学模拟中的简化及源项和边界等条件的设定。③验证数学模拟的结果，使数学模型不断完善，使之尽可能逼真地描述真实体系。根据相似理论，如果现象满足相似第二定理，则由模型得到的规律可以推广到原型中去。然而实际过程比较复杂，不可能完全做到满足相似第二定理，一般考虑的是主要方面的相似。对于钢的精炼反应器来说，考虑的是几何相似和动力相似。搅拌器的放大17（1）几何相似几何相似考虑的是模型与原型主要尺寸的相似。研究钢水精炼反应器内过程的物理模型是水模型，即用有机玻璃制成模拟钢包，用自来水模拟钢水，几何相似主要是指Ｄ/H（钢包内径/熔池深度）相等。模型与原型相对应的尺寸可以有一定的比例，成为倍尺或尺寸比。在选定模型与原型的尺寸时，可以根据研究对象和实验条件考虑，一般研究钢水炉外精炼过程的水模型尺寸小于原型尺寸，即Dm小于Dp（下标ｍ和ｐ分别表示模型和实物）18（2）动力相似对于吹气反应器体系来说，引起体系内流动的动力主要是气泡浮力，而不是湍流的粘性力，因此保证模型与原型的修正弗鲁德准数相等，就能基本上保证它们的动力相似。根据这一原则，可以确定模型中吹气量的范围，修正弗鲁德准数可以定义为：（1.1）式中：特征速度u可以由下式给出：

（1.2）式中：Ｑ——气体体积流量；ｄ——喷嘴直径。19在水模型实验中我们用油层来模拟顶渣层，模型为油水分层的流体，我们可以用油来模拟渣，用水来模拟钢液，在模型底部喷入氮气，造成油层下水的循环流动，用以来模拟铁水包喷吹Mg时气液区顶部钢渣界面状态。渣钢界面流动状态，主要受到液体表面张力影响，除了应满足几何相似和动力学相似中的Fr准数外，还要保证动力学中的We准数相等，20In-situMechanicalStirringMethodforExternaldesulfurizationformolteniron1.BackgroundandsignificanceofsubjectStudyonNewDesulfurerBubbledispersedanddisintegrated

1-molteniron，2-ladle，3-impeller，4-inductioncoil，5-bubble,6-nozzle，7-gaspipe，8-immersionlance，9-MgOFig.1.7schematicdiagramofin-situmechanicalstirring21theproblemontechnologyofdesulfurizationwithsingly-blowingmagnesiumgrain

图1.1镁气泡对脱硫效率的影响（S=100ppm）Fig.1.6Effectofbubbleondesulfurizationefficiencyofmagnesium(S=100ppm)图1.2镁气泡对脱硫效率的影响（S=20ppm）Fig.1.7Effectofbubbleondesulfurizationefficiencyofmagnesium（S=20ppm）Effectofbubbleondesulfurizationefficiencyofmagnesium22使气体在液相中很好地分散23固体示踪剂结果分析不同搅拌模式对示踪粒子分散的影响a-单向a-间图不同搅拌模式对示踪粒子分散的影响上面三组图片，很明显：1.单向搅拌的漩涡一旦形成就太过稳定，不利于粒子分散；2.双向搅拌的效果明显好于另外两种；a-双24

固体示踪剂结果分析b-50b-70b-100b-120b-150图2.3不同转速对示踪粒子分散的影响（a型桨）由图片分析得：1.转速对示踪粒子分散效果的影响很大；2.转速越大，粒子分散越好；3.速度也不宜过大2.不同搅拌速度对示踪剂分散的影响25

液体示踪剂结果分析液体示踪剂实验结果分析图2.6不同转速对液体示踪剂分散效果的影响液体示踪剂，我们用的是植物油，密度0.93g/cm3。1.转速越高分散效果越好，并且油滴的尺寸越小，分散区域也越广；2.液态示踪剂聚集于槽内上半部507010012015017026东北大学针对目前鞍钢集团80万t钢焖渣生产线回水管路实际运行过程中管路结疤严重的现状，对现场取来的回水试样利用专利技术方法和装置进行喷吹CO2去除回水溶液中钙、镁离子的试验。该技术核心是采用CO2气体去除回水溶液中的钙、镁离子，调控循环水的pH值，对钢焖渣生产线中回水管路防结疤和防腐蚀效果极其显著。在喷吹CO2去除回水溶液中钙、镁离子过程中，细化和分散CO2气泡是提高除垢效率和提高CO2利用率的关键。同时，只有能够精确地测量CO2利用率才能更好地指导实验并为生产实践提供详实可行的资料。为此采用本课题组采用CO2气体溶液中钙、镁离子的方法研究气液搅拌情况下气体的利用率。因此，为了实现该方案。必须开展两方面的研究。一是基于精炼过程的气泡微细化和分散的方法；二是精确地测量CO2利用率。27许多工业生产过程都会产生含硫烟气，同时由于大量燃用煤炭，我国每年排入大气中的二氧化硫可达千万吨级。我国氧化铝大多数采用拜耳法生产，每年都会产生大量赤泥，目前并没有特别有效的处理方式，只是大量堆存于赤泥坝内。含硫烟气与碱性赤泥都对环境造成了严重的污染。赤泥成份中含有大量的碱性物质，与SO2有很强的反应活性，由于氧化铝生产的特点，外排赤泥的粒度很小，完全符合烟气脱硫过程的粒度要求。因此拜耳赤泥与低浓度二氧化硫的反应具有理论可行性。28（1）对人体健康的危害低浓度二氧化硫对人的危害主要体现在对呼吸道的损伤。（2）对植物的危害对于植物来讲，低浓度SO2长期暴露对作物的生长、发育和产量都会有一定程度的影响。（3）对金属的腐蚀大气中的SO2对金属的腐蚀主要体现在对钢结构的腐蚀。（4）对生态环境的影响由于SO2在大气中的存在而形成的酸雨和酸雾会对湖泊、地下水、建筑物、森林、古文物以及人的衣物构成一定程度的腐蚀29（1）土地和农田的占用（2）空气污染（3）对建筑物表面、土壤的影响（4）地下水污染30研究利用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫的方法,使得拜耳赤泥和低浓度二氧化硫在密闭反应釜中发生反应，用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫气体使得两种原本对环境污染严重的物质相互作用，从而同时实现了低浓度二氧化硫废气综合治理以及氧化铝生产过程中赤泥废渣的综合利用，能达到以废治废以及降本增效的目的。31机械搅拌部分因为实验主反应机理为酸碱中和，考虑到各因素对实验过程的影响大小以及实际工艺条件的限制，依次考察温度、搅拌转速、液固比、气体流量、二氧化硫混合气体浓度等五个因素对单位质量赤泥固硫容量的影响，同时选择最佳反应条件。32种分槽机械搅拌晶种分解过程是精制的过饱和铝酸钠溶液在添加氢氧化铝晶种、降低分解度和不断搅拌的条件下分解析出Al(OH)3的过程，简称种分过程。它是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，它不仅影响产品氧化铝的数量和质量，而且直接影循环效率及其它工序。它的目的是为了得到质量良好的氢氧化铝和分子比值较高的种分母液，以提高拜耳法的循环效率。33种分槽中铝酸钠溶液的晶种分解效果是影响产品氧化铝的生产成本、质量和产量的关键因素。有试验表明，高浓度条件下,晶种分解速度取决于扩散速度,加强搅拌可使晶体保持悬浮状态，与溶液形成良好的接触，并能迅速更新液固界面，使溶液成分始终均匀，晶体得以均匀快速长大，从而提高溶液产出率和成品氢氧化铝质量。34搅拌的作用（1）对料浆混合均匀性的影响。搅拌效果的好坏直接影响着料浆混合的均匀性，混合较好的料浆可以保证铝酸钠溶液始终处于较高的过饱和度，有利于氢氧化铝晶体的长大和分解率的提高。（2)对晶体生长的影响。搅拌强度的大小对氢氧化铝颗粒之间以及氢氧化铝颗粒与槽壁之间的碰撞有着直接的影响，进而影响晶体的附聚、破碎以及次生晶核的生成。搅拌强度过小，不利于氢氧化铝晶体的附聚；搅拌强度过大，则会加剧晶体的破碎与次生晶核的生成，使得产品粒度过细。（3)对槽内结疤的影响。合理的组织种分槽内料浆的流动可以缓解槽内的结疤现象。（4）对能耗的影响。对于搅拌桨叶型式及转速的合理选择和控制可以减少晶种分解过程的能耗，降低生产成本。35机械搅拌分解槽与空气搅拌分解槽相比具有容积大、动力消耗低、搅拌物料均匀度好、适应高固含料浆等优点。其中槽内料浆均匀度是考察机械搅拌桨叶形状、直径、层间距和转速及挡板布置是否合理的重要参数,是衡量机械搅拌性能的主要指标之一,因此探索氧化铝种分槽机械搅拌均匀度检测方法十分必要,同时也可以优化分解条件提供科学依据。361-搅拌器2-罐体3-夹套4-搅拌轴5-压出管6-支座7-人孔8-轴封9-传动装置图9-1搅拌设备结构图二、结构371、水模型实验1.2实验设备高速摄像机图像采集卡空气压缩机搅拌桨及喷嘴实验主体设备38操作目的和搅拌效果表示法操作目的搅拌物系搅拌效果表示法均匀混合调和均相互溶液系混合时间θM或NΘM=N*θM非均相分散液-液相系均匀分散（乳化）时间θM；分散相液滴的比界面积a，或滴径分布，或平均滴径d32气-液相系均匀分散时间θM；气泡的比界面积a，或气泡的平均直径dB和气泡直径分布固-液相系悬浮状态，悬浮临界转速Nc；悬浮固-液浓度或比表面积a非均相传质溶解（固-液相系）溶解速度或平均溶解速度以固体粒表面积为基准的液膜传质系数kc，总传质系数K萃取（液-液相系）萃取速度，萃取效率，液滴比表面积a；总容积传质系数Kv或液滴内（外）表面为基准的液膜传质系数kCd吸收（气-液相系）吸收速度，气泡比表面积a总容积吸收系数Kv，膜传质系数kg，k1传热固-液相系传热速度Q（kJ/h）,单位容积传热速率Qv(kJ/m3.h)液膜传热系数αL，总传热系数K392.ExperimentalresearchmethodImageProcessingTechniqueAbsorptionRateUniformmixingtimegasholdupBubbleDisintegrationandDispersionKVandKFormulaMaxiumStirringModeSimulationVotexFormationProcessDesulfurizerDispersionBubbleEffectivenessTheoreticalFormulaSimulationVotexFormationProcessBubbleSizeFormula40HighspeedcameraImageacquisitioncardAircompressorFig.2.4experimentalmainequipmentColdwatermodel2.Experimentalresearchmethod41(a)unidirectionalrotation

(b)

forward-interrupt(c)forward-reverseFig.3.1ComparedifferentrotationmodeincentricstirringCentricmechanicalstirring(1)Effectofimpellerrotationmodeonbubbledisintegration3.

StirringModeandBubbleDisintegrationandDispersion42Fig.3.8centricandeccentricmechanicalstirringusingoneholeandfourholenozzlesEccentricmechanicalstirringcentriceccentric(1)Stirring

modeandnozzlestructure（a）Oneholenozzle（b）Fourholenozzle3.

StirringModeandBubbleDisintegrationandDispersion43图像处理方法图InterVideoWinProducer3软件图像处理界面

高速拍照44图像处理技术图3.3静态运动气泡图像处理流程图45图像处理方法图像增强界面46图像处理方法边缘提取界面47图像处理方法计算粒子直径界面48图像处理方法直接灰度转换图背景去噪后的图图像增强后的图边缘提取后的图49（a）pictureatthebeginningofforwardrotation(b)pictureattheendofinterruptFig.3.6Gasdispersioninbathforforward-interruptmodeforward-interrupt

modeCentricmechanicalstirring（a）(b)（a）（a）(b)(b)3.

StirringModeandBubbleDisintegrationandDispersion50Fig.3.6Bubbledispersionatdifferentgasflowrate（a）2.3m3/h（b）4.5m3/h（3）EffectofgasflowrateonbubbledisintegrationCentricmechanicalstirring（a）2.3m3/h（a）2.3m3/h（b）4.5m3/h（b）4.5m3/h3.

StirringModeandBubbleDisintegrationandDispersion512.ExperimentalbasisThevalueofpHchangeswithabsorptionofCO2inNaOHsolution.TheCO2concentrationinthesolutionisgivenbyCCO2=[H2CO3]+[HCO-3]+[CO-23]={[H+]+[NaOH]-KH2O/[H+]}·{K1·K2+K1·[H+]+[H+]2}/{2K1·K2+K1·[H+]}(1)

pH=-lg[H+](2)whereCCO2——CO2concentration,mol/L;[NaOH]——initialNaOHconcentration,mol/L;KH2O,K1,K2——equilibriumconstant（25oC，KH2O=10-14,K1=10-6.352,K2=10-10.329)52图4.3偏心正转条件下不同流量时pH值随时间变化的关系53TherateequationofCO2absorptionisgivenby-dC/dt=(AK/V)(Ce-Ct)（3）ln[（Ce-Ct）/(Ce-C0)]=-(AK/V)t（4）where:A—reactioninterfacearea，cm2V—volumeofNaOHsolution，cm3

t—timeofreaction，s

K—masstransfercoefficientofCO2，cm/sCe,Ct,C0—equilibriumCO2concentration，CO2concentrationaftertimetandinitialCO2concentration，mol/L54TheabsorptionefficiencyofCO2isgivenbyη=[V（CCO2Ⅱ-CCO2Ⅰ）/(tⅡ-tⅠ)]/[ρCO2Q/M]（5）where:V—volumeofthesolution,cm3CCO2Ⅱ—CO2concentrationattⅡ,mol/LCCO2Ⅰ—CO2concentrationattⅠ,mol/LρCO2—densityofCO2,g/cm3Q—CO2volumeflowrate,L/minM—molecularmassofCO2,g/mol55不同气体流量偏心正转条件下容积传质系数与时间变化的关系56不同气体流量偏心正转条件下CO2利用率与时间变化的关系57采用“刺激响应”技术，通过与电脑相连的电导率的变化确定均混时间。当喷气一定时间（或机械搅拌一定时间）包内状态达到稳定后，于某一时刻往包中加入适量的示踪剂，水溶液的导电能力将随之发生变化，也引起电导探头获得的电信号的变化，混合时间最终是根据电信号的波动不超过稳定值的5%来确定的，当然，由于实验操作的原因，如示踪剂的加入位置、探头位置的选择，均会对混合时间产生一定的影响。因此，实验中要确定合理的探头位置和具有代表性的示踪剂加入位置，并重复多次，取平均值进行混合时间的测定，然后对实验数据进行整理分析均混时间58均混时间59

该研究属有导流筒的湍流（低粘流体）研究，故代表性的选取DT-6桨（径向桨）和CBY桨（轴向桨）两种桨型

两种桨型外观图（a）DT-6桨（b）CBY桨60不同层数CBY桨的比较不同层数CBY桨的均混时间比较61从图中可以看出,不管是单层CBY和多层CBY，在槽内都形成一个大的整体循环流,所以在相同的功率输出下，均混时间基本保持不变。62不同层数的DT-6桨的均混时间的比较63

可以看出DT-6形成的搅拌层在轴向上的作用半径比较小，所以单层DT-6桨形成的流体流型作用到整个搅拌容器的时间较长，但是多层桨的在轴向上的作用半径会变大，从而缩短了均混时间64传统Intermig桨是斜叶桨式搅拌器的改型。在主桨叶的前端增加一个与主桨叶倾斜90°的副桨，且该副桨是双层的，因此有较好的循环流，混合效果有所提高。其特点是当搅拌器旋转时，桨叶的根部和端部分别把流体向相反方向推进，促进流体形成轴向循环。一般来说，intermig桨搅拌器是多层使用，从整体上看，类似一个非连续的内外单螺带或非连续的螺带——螺杆式搅拌器。Intermig搅拌器多用于低中粘度液体。65搅拌槽内固-液悬浮状态主要考虑两种状态：临界离底悬浮状态和均匀悬浮状态。临界离底悬浮状态通常指槽底部固体颗粒都处于运动状态,颗粒在槽底的停留时间不超过1~2秒。达到这一固体颗粒临界离底悬浮状态的转速为Njs。本实验用反光镜直接观察槽底颗粒的运动状态,通过多次重复测量确定固体颗粒临界悬浮转速66均匀悬浮状态:由于搅拌槽内的流场在湍流状态下,随机性地充满着大小不等的漩涡,在槽内各点处若达到固体颗粒浓度完全相同是不可能的,通常是以平均固相浓度为基准,用各点的相对浓度差表示,相对浓度差越小,越接近均匀悬浮状态。67功率消耗

由扭矩传感器测定扭距并计算出相应的功率消耗。达到临界离底悬浮转速(Njs)时消耗的功率参考值，比较不同的搅拌条件，在较低的功率消耗下实现更好的混合均匀度。

68第二节搅拌器的型式及选型一、常见型式典型的搅拌器图69二、几种常用搅拌器简介

桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75～80％。701.桨式搅拌器

结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。图9-3桨式搅拌器71主要应用液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。主要应用72桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min

，最高粘度为20Pa·s

。缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。732.推进式搅拌器

推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。结构标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。它直径较小，d/D=1/4～1/3，叶端速度一般为7～10m/s，最高达15m/s。推进式搅拌器74搅拌时——流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动。特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器。75粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液－液系混合、使温度均匀，在低浓度固－液系中防止淤泥沉降等。改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。主要应用763．涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。图9-5涡轮式搅拌器77

涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。主要应用784．锚式搅拌器

结构简单。适用于粘度在100Pa·s以下的流体搅拌，当流体粘度在10～100Pa·s时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。图9-6锚式搅拌器79锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。当搅拌粘度大于100Pa·s

的流体时，应采用螺带式或螺杆式。主要应用80搅拌桨分为径向桨和轴向桨两大类，作用效果各不相同，这里代表性的取DT-6桨（径向桨）和CBY桨（轴向桨）两种桨型进行研究。对气—液分散体系，要求气体分散造成足够的相际接触面，以利于对气体的吸收。主要控制因素是剪切强度，同时也要求较高的循环量。气体吸收过程以圆盘式涡轮最合适，它的剪切作用强，而且在圆盘的下面可以保存一些气体，使气体的分散更平衡，DT-6桨就属于这种桨型，开式涡轮就没有这个优点。通常优先采用标准六平直叶圆盘涡轮式搅拌器，并在全挡板下操作。按照搅拌目的和挡板条件选择合适的挡板，详见表2.181不同情况下的桨型选择搅拌模式挡板条件推荐形式流动状态气-液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、闭式涡轮湍流（低粘流体）有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有导流筒螺杆式层流（高黏流体）无导流筒锚式、螺带式82

该研究属有导流筒的湍流（低粘流体）研究，故代表性的选取DT-6桨（径向桨）和CBY桨（轴向桨）两种桨型

两种桨型外观图（a）DT-6桨（b）CBY桨83

DT-6桨作为典型的径流桨，适合中低粘度液体的混合、萃取、乳化、固体悬浮、溶解、气泡分散、吸收等。具有剪切强，适用范围广，成本低等优点。但同时它也存在高耗能的缺点。

CBY桨作为高效轴流桨，适合中低粘度液体的混合、传热、循环、粒子悬浮、溶解等。具有低剪切、强循环、低耗能的特点。但制造成本偏高。基于以上几点，两种桨型合理配合使用，会取良好的效果。84在搅拌容器内，流体可沿各个方向流向搅拌器，流体的行程长短不一，在需要控制回流的速度和方向，用于确定某一流况时可使用导流筒。导流筒是上下开口的圆筒，安装在容器内，在搅拌混合中起导流作用，既可提高容器内流体的搅拌程度，加强搅拌器对流体的直接剪切作用，又造成一定的循环流，使容器内流体均可通过导流筒内强烈混合区，提高混合效率。安装导流筒后，限定了循环路径，减少了流体短路的机会。导流筒主要用于推进式、螺旋杆式、以及涡轮式搅拌器的导流导流筒85无导流桶，cby在上无导流桶，cby在下有导流桶，cby在下86878889909192939495数值模拟数值计算软件（Fluent、mixsim），模拟搅拌槽内两相流场，得到流场内详细信息。通过小型实验取得各种操作参数（包括搅拌模式、搅拌转速等）和结构参数（包括桨型，桨间距、拌桨距槽底距离、搅拌桨与搅拌槽直径比、挡板型式和挡板数目等）下槽内流体流动状态。96是建立控制方程、确定初始条件及边界条件确定求解区域建立离散方程初始条件及边界条件离散化求解离散方程解的分析解收敛否？非线性问题线性问题重建离散方程否图6CFD求解流程图Fig.6SchemeofCFDsolutions前处理求解后处理CFD数值模拟求解流程97FLUENT整个计算软件包包括以下几个部分：图2.1Fluent程序软件包Fig.2.1Fluentprocedurespackage本模拟采用应用最广泛的fluent软件98求解步骤(1)在Gambit和Mixsim中创建几何模型和网格模型；(2)启动Fluent求解器；(3)导入网格模，检查网络模型是否存在问题；(4)选择求解器及运行环境，决定计算模型；(5)设置材料特性，设置边界条件，调整用于控制求解的有关参数；(6)初始化流场，求解、显示并保存求解结果；(7)如必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程重新进行计算。992.模型建立搅拌桨几何模型100挡板模型避免固体回转并使周向流变成有利于固液悬浮的轴向流。为避免挡板后形成死角，通常离壁安装。当固体分率高时，流体会呈假塑性，且粘度增大，此时要考虑使用窄挡板。作用：101种分槽几何模型102网格模型图2种分搅拌槽网格示意图Fig.2Gridofaluminaseedprecipitator1031043.数值模拟模拟策略湍流模型：标准

湍流模型桨叶处理方法：多重参考系法（MRF）离散化方法：速度压力耦合的SIMPLE算法收敛标准：动量、湍流动能、湍流耗散率等离散格式均采用二阶迎风，所有项的残差收敛标准采用10-3对于固液两相流还要考虑多相流模型：Eulerian模型相间阻力系数：gidasplow模型105边界条件在用MRF法描述桨叶运动时，将桨叶区域流体分成两部分，一部分以搅拌桨相同转速进行旋转，其他区域流体设为静止；将轴和桨定义为动边界，边界类型均为劈面边界；将器壁定义为静止壁面边界条件。106单相流的数值模拟4.初步结果107水模型与铝酸钠溶液模型的计算结果比较图7(a)水的流场分布图；(b)铝酸钠溶液的流场分布图Fig.7Contoursofvelocity;(a)water(b)NaAlO2(a)(b)108不同转速下单层底桨的流场比较图8速度分布图Fig.8Contourofvelocity109单层桨和双层桨的模拟结果比较y=0x=0通过单层桨和双层桨的流场、速度场以及湍动能的结果对比发现：双层桨增强了轴向、径向流动。对二者的速度场进行分析，发现上层桨的存在增加了液相的漩涡数量，改变了液相的速度分布。从两轴截面的湍动能图中可以看出，双层桨起到了增加槽内湍流区，增强混合效果。图10流场、速度场和湍动能图的比较Fig.10contoursofvelocityandturbulencekineticenergy,vectorsofvelocity1102层桨3种排列角的流场比较图11不同排列角的流场比较Fig.11contourofvelocity,twolongitudinalsections(x=0;y=0)转速为60rpm下，不同排列角所产生的流场：1112层桨3种排列角的速度场比较图12两个不同轴截面（y=0;x=0）速度云图比较Fig.12vectorofthevelocities,twolongitudinalsections(y=0;x=0)转速为60rpm下，不同排列角所产生的速度场：1122层桨3种排列角的湍动能比较图13两个不同轴截面（x=0;y=0）湍动能图比较Fig.13Contourplotofthek,twolongitudinalsections(x=0;y=0)转速为60rpm下，不同排列角所产生的湍流动能图：通过对不同结构的种分槽内部的流场、速度场和湍流动能的分析（图16，17，18），叶片顶端最大速度模拟值与计算值吻合较好。同时，对相同结构下转速分别为40rpm、50rpm、60rpm、70rpm、80rpm的种分槽模拟结果中发现，槽内径向速度沿着轴中心到叶片顶端逐渐增大，搅拌转速越大，其径向速度的梯度越大，并会产生很大的离心力，图18可以看出，槽内的湍动能比较大的区域主要集中于桨叶附近，且搅拌转速越大，高湍能范围也就越大。113混合时间的数值模拟114混合时间的计算步骤1.计算质量动量传输方程2.计算示踪剂浓度传输方程图14计算混合时间示意动画Fig.14Animationofmixingtimesimulation115加料方式对混合时间的影响表4不同桨结构下的混合时间单位：秒Table.4mixingtimebydifferentstructureofimpellersunit：second排列角为120°时，混合时间最短底部加料更有利于混合116桨结构对混合时间的影响图17不同监测点处的混合时间Fig.17mixingtimebytracerdetecting本节以底部加料为例，对转速为60rpm时不同桨结构在监测点处的混合时间进行研究。加料点pp2的最迟混合时间为32.5s，其中单桨情况分散较慢，而2桨情况在10s以内时pp2浓度变化已稳定。p1处最迟混合时间为42s，2层桨在12s左右浓度趋于稳定。与实际相符，此点位于桨叶正下方，属混合较慢的区域。P2和p3处的最迟混合时间为37.5s，44s，4种桨结构在此点处的混合时间相近，此点位于槽的中上部，底部进料后经搅动达到此区域需要一定的时间。117不同监测点处的混合时间图16不同监测点处的混合时间Fig.16mixingtimebytracerfeedinganddetecting各点处的混合时间分别为：p1点56s，p2点47.2s，p3点44.5s。由于p3位置距离液面最近，顶部加料时该点浓度最先发生变化，其次是p2点，混合最慢的是p1点，该点位于桨叶正下方属混合较差的区域。不同监测点所需的混合时间不同。118固液两相流的数值模拟119图18颗粒迹线图Fig.18.pathlineofparticlerisingprocess

120搅拌转速对氢氧化铝颗粒分散的影响图19不同转速下的浓度场Fig.19concentrationfieldwithdifferentvelocity转速分别为40rpm，60rpm，80rpm下达到稳态时氢氧化铝颗粒的浓度场。40rpm时图片明显浑浊

60rpm时，颜色澄清许多，但仍有大量固体集中在槽下部，槽顶部颗粒浓度较小。