張晨，秦宏云，徐欽，張敏卿

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

CFD優(yōu)化管線式高剪切混合器停留時(shí)間分布

張晨，秦宏云，徐欽，張敏卿

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，采用Fluent軟件，結(jié)合大渦模擬（LES）湍動(dòng)模型和組分物料運(yùn)輸模型（SPE）對(duì)中試規(guī)格的管線式葉片-網(wǎng)孔型高剪切混合器的停留時(shí)間分布（RTD）進(jìn)行預(yù)測(cè)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其誤差在 14%以內(nèi)，說(shuō)明此方法具有較高的可靠度?；诖朔椒?，研究了定子開(kāi)孔形式、腔室結(jié)構(gòu)及定轉(zhuǎn)子安裝方式對(duì)停留時(shí)間分布的影響，使其適用于快速反應(yīng)過(guò)程。結(jié)果表明：圓形、菱形、“S”形以及齒形 4種不同開(kāi)孔形式的定子，圓孔開(kāi)孔定子效果最優(yōu)；軸向長(zhǎng)度縮短至與出口管徑相同，蝸殼形狀的腔室外殼，出口管與腔室相切時(shí)效果最優(yōu)；定轉(zhuǎn)子偏心安裝能夠改善其效果，但功耗增加。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的反應(yīng)器具有廣泛的應(yīng)用，特別的是將其用于許多快速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程時(shí)，由于停留時(shí)間短、混合效果好，其混合性能明顯優(yōu)于許多傳統(tǒng)的反應(yīng)器。

高剪切混合器；停留時(shí)間分布；計(jì)算流體力學(xué)；混合；快速反應(yīng)

高剪切混合器（HSM）是一種新型過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備，其利用轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)在定轉(zhuǎn)子之間狹窄的剪切縫隙內(nèi)，產(chǎn)生高剪切力和高的局部能量耗散率［1］。因此，使高剪切混合器在乳化、混合、溶解、結(jié)晶、細(xì)胞破碎等能量密集型的單元操作中得到廣泛的應(yīng)用［2］。特別的是其作為一種反應(yīng)器，在強(qiáng)化快速反應(yīng)的過(guò)程中有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值［3］。近幾年，關(guān)于高剪切混合器應(yīng)用于日用品、食品、醫(yī)藥、新型材料［4-7］等精細(xì)化學(xué)品實(shí)際生產(chǎn)的專利已有大量報(bào)道，但因?qū)υ擃惙磻?yīng)器的返混性能的研究不足，僅有極少量應(yīng)用于高分子聚合材料生產(chǎn)［8］的公開(kāi)專利，其在強(qiáng)化快速反應(yīng)過(guò)程的應(yīng)用受到限制。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）能夠獲得詳細(xì)的流場(chǎng)，節(jié)約時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本，目前已成為研究反應(yīng)器強(qiáng)有力的工具。UTOMO等［9］采用CFD手段，詳細(xì)研究了定子圓孔、槽狀以及方孔等開(kāi)孔形式對(duì)高剪切內(nèi)部流場(chǎng)和能量耗散率的影響。JASINSKA等［10］采用CFD方法，結(jié)合微混合模型研究了在葉片網(wǎng)孔型高剪切內(nèi)α-萘酚和重氮氨基磺酸的耦合反應(yīng)這個(gè)快速競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系，來(lái)說(shuō)明高剪切對(duì)快速反應(yīng)的強(qiáng)化作用。XU等［11-12］模擬了管線式齒合型高剪切的停留時(shí)間分布，研究了齒合型高剪切混合器的返混特性。工業(yè)生產(chǎn)中，管線式高剪切主要有齒合型和葉片網(wǎng)孔型兩種形式，但目前對(duì)于管線型葉片-網(wǎng)孔型的返混特性的研究并無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)停留時(shí)間分布有重要的影響，因此可用停留時(shí)間分布診斷反應(yīng)器內(nèi)是否存在溝流、短路、死區(qū)等，對(duì)停留時(shí)間反映出來(lái)的非理想流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，可以對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的操作狀況、結(jié)構(gòu)形式加以改進(jìn)。同時(shí)通過(guò)停留時(shí)間分布建立合適的流動(dòng)模型，也是反應(yīng)器放大進(jìn)行質(zhì)量、熱量及動(dòng)量衡算的基礎(chǔ)［13］。

本文利用Ansys 14 Fluent軟件，結(jié)合大渦模擬（LES）湍動(dòng)模型和組分物料運(yùn)輸模型（SPE）預(yù)測(cè)中試規(guī)格的葉片-網(wǎng)孔型高剪切混合器的停留時(shí)間分布（RTD），并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)研究了高剪切的腔室結(jié)構(gòu)及定轉(zhuǎn)子安裝方式對(duì)停留時(shí)間分布的影響，優(yōu)化高剪切混合器對(duì)快速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化的效果。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于葉片網(wǎng)孔型高剪切在化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用和選型有重要意義。

1 停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

圖1為停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置示意圖；所用管線式高剪切反應(yīng)器為中試規(guī)格、葉片-網(wǎng)孔型，由上海FLUKO提供。其轉(zhuǎn)子直徑為59.5mm，由單圈6個(gè)后彎15°的葉片構(gòu)成；其定子為單圈網(wǎng)孔設(shè)計(jì)，定子直徑為70mm，開(kāi)孔分別為單行30個(gè)直徑4.8mm的圓孔、30個(gè)邊長(zhǎng)為4.6mm的菱形孔、16個(gè)寬度為2.5mm對(duì)稱“S”形孔和30個(gè)齒縫寬度為2mm、后彎15°的齒槽，所有定子的開(kāi)孔率相同，按照最外圈定子的面積計(jì)算均為 23.6%。該類高剪切的主要尺寸如表1所示，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 管線式葉片網(wǎng)孔型高剪切混合器的停留時(shí)間分布測(cè)定裝置圖

表1 葉片網(wǎng)孔型高剪切反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要尺寸

實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示脈沖法測(cè)定RTD分布，采用純水作為工作流體，由離心泵經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)輸送到高剪切入口A，流量為300L/h，高剪切轉(zhuǎn)速為500r/m；示蹤劑采用飽和KCl水溶液，通過(guò)電磁閥和繼電器實(shí)現(xiàn)示蹤劑的理想脈沖，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)先采用0.5s示蹤劑注入時(shí)間。同時(shí)，型號(hào)DDS-302電導(dǎo)率儀的電導(dǎo)鉑電極在出口測(cè)定電導(dǎo)率的響應(yīng)曲線。利用PCI 2003數(shù)據(jù)采集卡對(duì)高剪切出口B處進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集頻率為200Hz。所采集的電壓信號(hào)扣除背景基線后與KCl濃度呈正比，故直接利用處理后的電壓信號(hào)做停留時(shí)間分布的數(shù)據(jù)。

2 停留時(shí)間分布的CFD模擬

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

圖2、圖3和表2展示了不同類型高剪切反應(yīng)器的計(jì)算域與結(jié)構(gòu)特征。表2和圖3中：Geo.5是在Geo.1（圖2a）的基礎(chǔ)上去掉從腔室左端到原出口軸向距離；Geo.6是高剪切Geo.5的定轉(zhuǎn)子進(jìn)行偏心安裝，遠(yuǎn)離出口方向偏心5mm（原定子外邊緣離腔室10mm）；Geo.7在Geo.5基礎(chǔ)上，右移出口位置使出口中心與轉(zhuǎn)子基座左邊緣平齊，并去掉出口管左端體積；Geo.8在Geo.7基礎(chǔ)上將出口管位置繼續(xù)右移，并去掉出口管左端體積使軸向長(zhǎng)度與出口管的直徑相同；改變Geo.8腔室的形式，將原來(lái)的圓柱設(shè)計(jì)成蝸殼形式，形成 Geo.9；進(jìn)一步將出口管變?yōu)榍邢虺隹?，獲得Geo.10。以上10種不同形式的高剪切均設(shè)計(jì)相同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、進(jìn)出口管徑、剪切縫隙和齒尖-基座間距，來(lái)考察腔室長(zhǎng)度、定轉(zhuǎn)子安裝方式、出口形式對(duì)其停留時(shí)間分布的影響，進(jìn)而定性分析改造后的高剪切對(duì)快速反應(yīng)強(qiáng)化的效果。

圖2 葉片網(wǎng)孔型HSM計(jì)算域示意圖及定子不同的開(kāi)孔形式

圖3 不同腔室結(jié)構(gòu)示意圖

表2 RTD模擬中不同管線式葉片網(wǎng)孔型高剪切的計(jì)算域

高剪切的流場(chǎng)高度復(fù)雜，須采用三維CFD模擬才能獲得較好的預(yù)測(cè)效果［9-11］。如圖2所示，整個(gè)高剪切計(jì)算域由靜止域和旋轉(zhuǎn)域兩部分組成，兩者之間有4對(duì)interface連接，4對(duì)interface完全包裹轉(zhuǎn)子幾何體，并設(shè)置在定轉(zhuǎn)子剪切縫隙中間處。因葉片網(wǎng)孔型高剪切反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Gambit四面體和六面體混合網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以Geo.1為例，體積約為3.46×10-4m-3，初始網(wǎng)格數(shù)達(dá)到940999，如圖4（a），已采用較高網(wǎng)格分辨率。

首先采用標(biāo)準(zhǔn) K-ε湍流模型和擬穩(wěn)態(tài) MRF（multiple reference frame）技術(shù)結(jié)合增強(qiáng)壁面函數(shù)法進(jìn)行初步模擬，獲得初始的流場(chǎng)收斂結(jié)果，然后再根據(jù)速度梯度進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)加密，分別采用速度梯度0.2和0.1加密，即速度梯度高于0.2或者0.1時(shí)，自動(dòng)加密10倍，加密后的網(wǎng)格數(shù)分別為1370393及1744179。結(jié)合LES與組分運(yùn)輸模型計(jì)算得到3種網(wǎng)格數(shù)對(duì)應(yīng)的RTD分布［圖4（d）］表明，其趨勢(shì)大致相同，分峰位置略有差距，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加RTD分布逐漸接近，當(dāng)按照速度梯度0.1加密時(shí)，RTD分布已不隨網(wǎng)格數(shù)的增加而變化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。其他幾何體均采用相同的網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格剖分與加密。

2.2 模擬策略

采用大渦模擬LES模型結(jié)合組分輸運(yùn)方程進(jìn)行停留時(shí)間分布的CFD預(yù)測(cè)，分兩步進(jìn)行。首先，獲得高剪切內(nèi)三維流場(chǎng)的精確解。大渦模擬采用標(biāo)準(zhǔn)Smagorinsky-Lilly亞網(wǎng)格模型，對(duì)于動(dòng)量方程采用有限中心差分格式，分離求解器和SIMPLE壓力速度算法來(lái)求解離散化方程。計(jì)算中采用二階隱式非定常時(shí)間格式，對(duì)于不同高剪切和不同操作條件均設(shè)置步長(zhǎng)為T(mén)/200，T為旋轉(zhuǎn)周期，每迭代步長(zhǎng)設(shè)置最大迭代步數(shù)為40次，非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)定為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的殘差低于1×10-4，并檢測(cè)出口的面積平均總壓和進(jìn)出口質(zhì)量差，用于判斷計(jì)算是否收斂［12］。

圖4 圓形定子開(kāi)孔的HSM不同網(wǎng)格（平面z=5.5mm）及RTDs

第二步模擬示蹤-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用第一步已獲得的流場(chǎng)收斂結(jié)果求解示蹤劑的組分運(yùn)輸方程。示蹤劑的物理性質(zhì)與主流體相同，模擬中采樣頻率為200Hz，對(duì)應(yīng)的迭代步長(zhǎng)均設(shè)置為 0.005s。設(shè)置邊界條件注入示蹤劑，其注入時(shí)間0.005s，僅迭代一步，繼續(xù)迭代求解組分輸運(yùn)方程，同時(shí)在出口監(jiān)測(cè)面積平均的示蹤劑質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化，記錄數(shù)據(jù)t-c（t）數(shù)據(jù)，得到響應(yīng)曲線。

2.3 計(jì)算方程

CFD模擬計(jì)算的控制方程如式（1）～式（3）。連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

組分質(zhì)量守恒方程

式中，Ds表示組分?jǐn)U散系數(shù)；Rs表示組分生成速率。

本文采用的 LES模型控制方程的對(duì)動(dòng)量守恒方程進(jìn)行濾波得到式（4）～式（5）。

大渦模擬對(duì)于大渦的湍動(dòng)流動(dòng)直接求解運(yùn)動(dòng)方程，小尺度的渦對(duì)于大尺度的運(yùn)動(dòng)的影響則通過(guò)建模模擬，實(shí)現(xiàn)比雷諾平均模型更高的預(yù)測(cè)精度。

3 數(shù)據(jù)后處理

根據(jù)停留時(shí)間分布概率密度函數(shù) E（t）的定義可知，見(jiàn)式（8）、式（9）。

m為示蹤劑的加入的量，則E（t）和平均停留時(shí)間tm可分別用式（10）、式（11）計(jì)算：

其中，c（ti）為實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)去噪平滑的信號(hào)或者CFD模擬中監(jiān)測(cè)的示蹤劑在高剪切出口面積平均質(zhì)量濃度；Δti（=ti+1-ti）為實(shí)驗(yàn)中采樣頻率時(shí)間或者CFD模擬停留時(shí)間分布中的迭代步長(zhǎng)。

為了比較不同形式反應(yīng)器的效果，通常對(duì)停留時(shí)間進(jìn)行量綱為1處理，其量綱為1平均停留時(shí)間θ和量綱為1停留時(shí)間分布E（θ）表示如式（12）。

4 結(jié)果與討論

4.1 模擬驗(yàn)證與開(kāi)孔形式對(duì)停留時(shí)間的影響

由表3和圖5可知，實(shí)驗(yàn)與模擬得到的4種葉片網(wǎng)孔型高剪切的停留時(shí)間分布非常接近，其曲線峰值的差異可能是因?yàn)槭聚檮┳⑷氩⒎抢硐朊}沖以及湍動(dòng)模型與實(shí)際流動(dòng)存在差異，量綱為1停留時(shí)間模型量化結(jié)果顯示，其最高誤差低于14%，整體地說(shuō)，大渦模擬與組分運(yùn)輸模型的結(jié)合方法可用于預(yù)測(cè)此類高剪切混合器的停留時(shí)間分布，進(jìn)而對(duì)高剪切混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的研究。

表3 不同開(kāi)孔形式的HSM其RTD實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較

圖5 不同定子開(kāi)孔形式的HSM實(shí)驗(yàn)和模擬的RTD分布

由圖5可知，實(shí)驗(yàn)值和模擬值均顯示，4種定子開(kāi)孔形式的高剪切均在θ=1之前過(guò)早的出峰，在θ=4時(shí)，仍有拖尾，表示反應(yīng)器內(nèi)存在滯留區(qū)和溝流現(xiàn)象。葉片網(wǎng)孔型高剪切混合器存在兩種通道，流體既可以通過(guò)扇葉導(dǎo)流從定子開(kāi)孔流出，也可能未經(jīng)過(guò)孔道的破碎作用從齒尖與基座間距縫隙流出或剪切縫隙溢出，從而造成溝流和短路的非理想流動(dòng)狀況。

其中，圓形孔定子的平均停留時(shí)間分布呈現(xiàn)明顯的雙峰分布（θ=0.20， θ=0.32），說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)存在溝流現(xiàn)象，次峰的面積較小，說(shuō)明其溝流現(xiàn)象比較弱。與圓孔開(kāi)孔相比，菱形開(kāi)孔定子的停留時(shí)間分布與其非常相似，從停留時(shí)間分布的角度來(lái)說(shuō)兩者宏觀混合效果類似，但從加工和制造方面，圓形孔更易于加工；“S”形孔與前兩者相比，開(kāi)孔的狹縫變窄且彎曲，流體從孔道里流出的阻力變大，使更多的流體未經(jīng)過(guò)孔道破碎從剪切縫隙溢出，溝流現(xiàn)象更為明顯，同時(shí)在模擬結(jié)果顯示 θ=0.65～0.80范圍內(nèi)停留時(shí)間分布不再下降，出現(xiàn)一段平滑曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣也出現(xiàn)一段下降緩慢曲線，表明該反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)明顯，這種內(nèi)循環(huán)流動(dòng)可造成反應(yīng)產(chǎn)物與原料接觸時(shí)間變長(zhǎng)，從而生成不必要的副產(chǎn)物，影響多步反應(yīng)的選擇性；齒形高剪切表現(xiàn)出過(guò)早的尖峰和較寬的次峰，可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)子周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，狹長(zhǎng)的孔道形成從入口到出口的低阻力通道，造成短路。另外，齒形定子的齒尖位置未封閉，使部分流體直接由敞開(kāi)通道流入到腔室內(nèi)，這對(duì)反應(yīng)和混合是非常不利的，故齒形開(kāi)孔不可取。

綜上所述，4種定子開(kāi)孔形式，從設(shè)備制造工藝和停留時(shí)間分布特征方面考慮，選擇圓孔形式最佳。另一方面，CFD模擬所呈現(xiàn)的圓孔高剪切內(nèi)示蹤劑濃度隨著時(shí)間變化的云圖（圖 6），表明流體進(jìn)入混合器經(jīng)過(guò)扇葉的外排作用，快速向四周分散，經(jīng)過(guò)t=0.5tm時(shí)，一部分流體被排出體系，一另一部分流體存留在腔室，在腔室的角落，形成流動(dòng)死角，經(jīng)過(guò)相對(duì)很長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)逐漸流出反應(yīng)器，然化工工業(yè)生產(chǎn)中多涉及多步反應(yīng)，很大程度的影響了其生產(chǎn)率?；谏鲜霾蛔悖瑧?yīng)改善其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)減少死區(qū)和溝流現(xiàn)象。

圖6 不同時(shí)刻下高剪切混合器（Geo.1）的量綱為1濃度云圖（N=500r/min，Q=300L/h，z=5.5mm平面）

4.2 腔室結(jié)構(gòu)對(duì)停留時(shí)間分布的影響

圖7和表4表示不同腔室結(jié)構(gòu)的葉片網(wǎng)孔型高剪切的停留時(shí)間分布結(jié)果，其操作狀況一致均為N=500r/min，Q=300L/h。與圖4圓孔定子相比，因去掉原出口至腔室左端的體積，Geo.5的拖尾由5s縮短為4s，說(shuō)明死區(qū)變小，但平均停留時(shí)間分布仍然很寬，這對(duì)高剪切重點(diǎn)應(yīng)用于快速多步反應(yīng)仍然不利；Geo.6與Geo.5的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，但遠(yuǎn)離出口的偏心安裝在沒(méi)有減少體積的情況下，值大大減小，可縮短拖尾并使RTD分布變窄，但在峰值附近有很明顯的多弱峰現(xiàn)象，表明局部循環(huán)流動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，并且研究中發(fā)現(xiàn)功耗大大增加；當(dāng)出口繼續(xù)右移使出口的中心正對(duì)轉(zhuǎn)子左邊緣，其RTD分布如圖7中Geo.7所示，其早出峰的特點(diǎn)表明存在有流體短路的缺陷，同時(shí)波峰寬度較大，原因可能是剪切頭噴出的一部分流體，因出口拐角的阻擋而延長(zhǎng)了其停留時(shí)間；進(jìn)一步設(shè)計(jì)高剪切腔室的軸向長(zhǎng)度與出口管徑相同，其停留時(shí)間分布如圖7中Geo.8所示，仍然具有明顯的早出峰現(xiàn)象，短路現(xiàn)象嚴(yán)重，原因可能是進(jìn)口與出口的距離變短形成了低阻力通道；當(dāng)設(shè)置蝸殼形式的腔室結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步設(shè)置切向出口減少其出口阻力，其平均停留時(shí)間分布分別如圖7中Geo.9和Geo.10所示，因?yàn)槲仛さ膶?dǎo)流作用不但溝流和短路現(xiàn)象消失，其主體平均停留時(shí)間分布也變窄，停留時(shí)間短，有利于避免副反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)也能提高生產(chǎn)率。

圖7 不同腔室結(jié)構(gòu)的高剪切的平均停留時(shí)間分布

表4 不同腔殼形式高剪切混合器的RTD結(jié)果

由表4可知，通過(guò)逐步改善腔室結(jié)構(gòu)，其平均停留時(shí)間變短，并且值變小，停留時(shí)間分布更加集中，更有利于快速反應(yīng)過(guò)程。根據(jù)停留時(shí)間分布優(yōu)選出最優(yōu)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Geo.10，軸向長(zhǎng)度與出口直徑相同，蝸殼的主體以及切向出口方式，得到適合快速反應(yīng)體系的比較理想的停留時(shí)間分布。其示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化如圖8所示，與Geo.1結(jié)構(gòu)相似，進(jìn)入的流體經(jīng)過(guò)扇葉的外排作用，快速向四周分散，但經(jīng)過(guò)t=0.5tm時(shí)，大部分流體經(jīng)過(guò)剪切頭作用后就離開(kāi)體系，經(jīng)過(guò)t=2tm后，95%以上的流體已經(jīng)流出設(shè)備，因?yàn)榱黧w循環(huán)流動(dòng)的存在，導(dǎo)致腔室還存有微量的示蹤劑。

5 結(jié) 論

（1）結(jié)合大渦模擬（LES）湍動(dòng)模型和組分物料運(yùn)輸模型（SPE）預(yù)測(cè)的管線式葉片-網(wǎng)孔型高剪切混合器的停留時(shí)間分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了此方法預(yù)測(cè)高剪切混合器的停留時(shí)間分布的可靠性。

（2）圓形、菱形、“S”形以及齒形 4種定子開(kāi)孔形式，其中圓孔定子開(kāi)孔形式效果最優(yōu)；軸向長(zhǎng)度縮短至與出口管徑相同，蝸殼形狀的腔室外殼，切向出口，其對(duì)快速反應(yīng)的效果最優(yōu)。

（3）定轉(zhuǎn)子偏心安裝改善其效果，但局部循環(huán)流動(dòng)嚴(yán)重，并且功耗增加。

符 號(hào) 說(shuō) 明

c（t）—— 示蹤劑濃度，g/cm3

E（t）——概率密度函數(shù)，量綱為1

EXP——實(shí)驗(yàn)值

Er —— 實(shí)驗(yàn)誤差，量綱為1

F——質(zhì)量力，N

H—— 軸向高度，m

HRT—— 水力平均停留時(shí)間，s

m——示蹤劑加入的質(zhì)量，g

p——壓強(qiáng)，Pa

Q—— 操作體積流量，m3/s

t—— 示蹤劑注入后的時(shí)間，s-1

tm—— 平均停留時(shí)間，s

u —— 速度，m/s

V —— 高剪切計(jì)算域體積，1×10-4m2

ρ —— 密度，kg/m3

τ —— 剪切力，Pa

θ —— 平均停留時(shí)間，量綱為1

圖8 不同時(shí)刻下高剪切混合器（Geo.10）的量綱為1濃度云圖（N=500r/m，Q=300L/h，z=5.5mm平面）

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Optimization of residence time distribution of in-line high shear mixer by CFD

ZHANG Chen，QIN Hongyun，XU Qin，ZHANG Minqing
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In this paper，based on computational fluid dynamics（CFD），the large eddy simulation model（LES）combined with species transport model（SPE）was successfully applied to predict the residence time distribution（RTD）of pilot plant in-line blade-screen high shear mixers（HSM）. The predicted RTDs were validated against experimental data and the relative errors were less than 14%. This method was used to explore the effect of structural parameters like geometry of the holes of stator，structure of chamber and installation method on RTD to apply to fast chemical reaction processes. The results showed that the stator with circular holes was better than that with teeth or rhombus or “S” shaped holes. HSM with a reduced axial length same as the outlet diameter，volute chamber and tangential outlet was the optimal form. The rotor was eccentricly installed to improve its effect with requirement of higher power. The optimized HSM had a wide number of applications especially for the fast chemical reaction processes because of its short residence time and excellent mixing performance.

high shear mixer；residence time distribution；CFD；mixing；fast reaction

TQ 051.7

A

1000-6613（2016）10-3110-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.014

2016-03-04；修改稿日期：2016-07-05。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012CB720305）。

張晨（1990—）女，碩士研究生，從事高剪切反應(yīng)器設(shè)計(jì)。E-mail chenchen9009@163.com。聯(lián)系人：張敏卿，教授，主要從事過(guò)程強(qiáng)化、節(jié)能減排等研究。E-mail mqzhang@vip.sina.com。