高 勇 ,嚴(yán) 彪 ,胡 軍 ,范曉勇
(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 榆林 719000;2. 陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 榆林 719000;3. 西北大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710069)
氣液攪拌釜在生物、化工、石油、食品、制藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。自吸式氣液攪拌釜是在槳葉所在位置設(shè)置一定子結(jié)構(gòu),槳葉旋轉(zhuǎn)將液體沿氣體分散通道排出,產(chǎn)生負(fù)壓,將大量氣體沿定子筒自行吸入,吸入的氣體被上層槳一次破碎后,進(jìn)入定子上的氣體分散通道,再被氣體分散通道葉片二次破碎,均勻分布在液層中,進(jìn)行氣液接觸。自吸式氣液攪拌釜能夠有效控制氣體的吸入過程,具有吸氣量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和能耗低等特點(diǎn)[5],在氫氯化反應(yīng)、臭氧溶解、氨解反應(yīng)、煙道氣脫硫、泡沫浮選、廢水處理等過程中有著廣泛的應(yīng)用。
郝惠娣等[6]對(duì)單層槳自吸式氣液攪拌釜的氣液分散特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)氣含率分布均勻,氣液分散效果好。秦佩等[7]對(duì)自吸式龍卷流型攪拌槽內(nèi)的固液懸浮和氣液分散進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)固相顆粒的存在會(huì)使氣含率明顯降低,但對(duì)傳質(zhì)性能的影響較為復(fù)雜。高勇[5]對(duì)雙層槳自吸式氣液攪拌槽的臨界轉(zhuǎn)速、氣含率和容積傳氧系數(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)合理的槳葉組合、槳葉間距是增強(qiáng)雙層槳自吸式攪拌槽的吸氣能力,提高雙層槳自吸式攪拌槽氧傳遞效率的重要保證。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)自吸式攪拌釜的攪拌功率缺乏深入的研究。
本工作研究了雙層槳自吸式攪拌釜的功率消耗,考察了攪拌轉(zhuǎn)速、介質(zhì)性質(zhì)、槳葉組合、槳葉間距、下層槳葉角度和尺寸對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響,并得出功率準(zhǔn)數(shù)的關(guān)聯(lián)式,為自吸式攪拌釜的工業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)在平底有機(jī)玻璃攪拌釜中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別為清水和蔗糖水溶液,性質(zhì)見表1。攪拌釜的上層槳分別采用六直葉圓盤槳(6SBDT)和拋物線型槳(6P);下層槳分別采用六葉上斜葉槳(6PBUT,結(jié)構(gòu)見圖1)和六葉下斜葉槳(6PBDT)。攪拌釜的幾何尺寸見表2。
表1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的性質(zhì)(25 ℃)Table 1 Properties of experimental medium(25 ℃)
圖1 6PBUT的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a six pitched blades upflow turbine(6PBUT).
表2 攪拌釜的幾何尺寸Table 2 Geometry dimension of stirring tank
在傳統(tǒng)的氣-液攪拌設(shè)備中,氣體流量和轉(zhuǎn)速無關(guān),而在自吸式攪拌釜中,氣體吸入速率與攪拌轉(zhuǎn)速有關(guān)。功率準(zhǔn)數(shù)與攪拌轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系見圖2。從圖2可看出,隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大,功率準(zhǔn)數(shù)呈先減小后增大然后又減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)?,?dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí),隨攪拌轉(zhuǎn)速增大,由槳葉產(chǎn)生的流量持續(xù)增加,對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生了越來越大的阻力,吸氣量持續(xù)增加。槳葉旋轉(zhuǎn)在葉片背后形成一低壓區(qū),當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定值時(shí),壓力的減小足以使氣體克服浮力留在低壓區(qū),從而形成氣泡,且壓力越低,氣泡尺寸越大,槳葉背后的渦流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低,湍流能量減小,功率準(zhǔn)數(shù)降低。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí),槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力足夠使氣泡破裂時(shí),氣泡尺寸最大,功率準(zhǔn)數(shù)達(dá)到最小。此后,隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大,大量的氣泡破裂,氣泡尺寸減小,功率準(zhǔn)數(shù)又開始增大。且氣體吸入速率隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大,氣含率增加,有相當(dāng)一部分氣體被液體牽引至攪拌釜底部,將氣泡到達(dá)釜底時(shí)的攪拌轉(zhuǎn)速定義為臨界轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)圖中功率準(zhǔn)數(shù)最高點(diǎn)),此時(shí)槳葉作用決定了氣泡的平均尺寸大小和流體流型。之后,隨著攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大,氣體吸入速率和渦流強(qiáng)度增加,破裂的小氣泡再循環(huán)回到槳葉區(qū)域,且氣泡尺寸隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增大。由于氣泡的再循環(huán),吸氣量持續(xù)增加,導(dǎo)致槳葉區(qū)的分散密度減小,功率準(zhǔn)數(shù)又開始大幅降低,當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min時(shí),下降趨勢(shì)變緩。
對(duì)于自吸式氣液攪拌釜,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí),氣液反應(yīng)才能充分進(jìn)行。適宜的攪拌轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于氣液反應(yīng)的耗氧量,當(dāng)氣液反應(yīng)要求的氣含率在2%~3%時(shí),攪拌操作可在臨界轉(zhuǎn)速下進(jìn)行,當(dāng)氣液反應(yīng)要求的氣含率在7%~9%時(shí),攪拌操作可在600 r/min下進(jìn)行。
攪拌介質(zhì)不同時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)見圖3。由圖3可見,功率準(zhǔn)數(shù)隨介質(zhì)黏度和密度的增加而增大。這是因?yàn)椋逅驼崽撬芤壕鶎儆谂nD流體,黏度和密度隨蔗糖含量的增加而增大。密度和黏度增大,雖然可以延長(zhǎng)氣泡在液相中的停留時(shí)間,但氣體吸入量減少,攪拌槳在旋轉(zhuǎn)過程中受到的阻力增加,因此功率準(zhǔn)數(shù)增大。
圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響Fig.2 Effects of stirring speed(N) on power number(Np).
圖3 攪拌介質(zhì)對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響Fig.3 Effects of stirring medium on Np.
槳葉組合不同時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)見圖4。
圖4 槳葉組合對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響Fig.4 Effects of impeller combinations on Np.
由圖4可見,在下層槳相同時(shí),上層槳為P型槳的功率準(zhǔn)數(shù)小于上層槳為SBDT槳的功率準(zhǔn)數(shù)。這是因?yàn)閷?duì)于雙層槳自吸式攪拌釜,上層槳的主要作用是吸入氣體,下層槳的主要作用是將氣體均勻分散在整個(gè)攪拌釜中[8]。SBDT槳具有較強(qiáng)的剪切作用,槳葉背后形成的氣穴尺寸較大,整個(gè)攪拌釜內(nèi)的流體流動(dòng)呈劇烈的湍流狀態(tài),流動(dòng)阻力較大,部分能量被轉(zhuǎn)換成熱量而耗散。P型槳的拋物線結(jié)構(gòu)可使介質(zhì)沿拋物面流動(dòng),對(duì)氣泡的生長(zhǎng)有一定的抑制作用,槳葉后形成的氣穴尺寸與SBDT槳相比大大減小,流動(dòng)阻力減小,吸氣后攪拌功率的降幅較小,因此功率準(zhǔn)數(shù)較?。?],吸入氣體的能力較高。在氣-液兩相操作中,在輸入一定的功率時(shí),能夠吸入更多的氣體,有利于氣體在釜內(nèi)的分散與混合。在上層槳相同時(shí),下層槳為PBUT的功率準(zhǔn)數(shù)小于下層槳為PBDT的功率準(zhǔn)數(shù)。這是因?yàn)閷?duì)于雙層槳自吸式攪拌釜,上層槳吸入氣體的能力依賴于下層槳向上層槳泵送液體的能力[10]。因此,適宜的槳葉組合為6P+6PBUT。
圖5 槳葉組合不同時(shí)的流體流動(dòng)特性Fig.5 Fluid flow characteristics with different impeller combinations.
對(duì)雙層槳自吸式攪拌釜內(nèi)的流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,湍流模型采用RNG k-ε模型,利用控制容積法求解;壓力-速度的耦合采用SIMPLEC算法,對(duì)流項(xiàng)的離散采用混合-上風(fēng)差分格式,采用多重參考系法解決運(yùn)動(dòng)槳葉和靜止釜體之間的相互作用,模擬得到的槳葉組合不同時(shí)的流體流動(dòng)特性見圖5。由圖5可見,上斜葉槳對(duì)流體具有上揚(yáng)作用,將下層槳附近的流體沿?cái)嚢栎S高速泵送到上層槳周圍,泵送效率較高,氣體吸入速率較大,兩層槳之間的軸向作用較強(qiáng),整個(gè)攪拌釜形成兩個(gè)循環(huán)流動(dòng),氣液混合均勻,因此功率準(zhǔn)數(shù)較小。下斜葉槳對(duì)流體具有下壓作用,使大部分流體沿斜下方流向釜壁,沿釜壁向上流動(dòng)的流體到達(dá)下層槳所在高度后,流向改變回到槳葉區(qū),使兩層槳之間的渦環(huán)被擠壓變形,整個(gè)攪拌釜內(nèi)形成3個(gè)循環(huán)流動(dòng),攪拌混合效果較差,因此功率準(zhǔn)數(shù)較大。
槳葉間距不同時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)和相對(duì)功率消耗(RPD)見圖6。對(duì)于自吸式攪拌釜,由于氣體是自行吸入,RPD定義為加定子后功率消耗與未加定子時(shí)功率消耗之比。RPD一般均小于1,RPD越小,相應(yīng)的吸氣后攪拌功率下降越多,使攪拌槳原有的輸送能力降低,越不利于氣液分散和混合[9]。由圖6可見,功率準(zhǔn)數(shù)隨槳葉間距的增大而增大。在雙層槳自吸式攪拌釜中,下層槳對(duì)功率的影響大約是60%~70%。當(dāng)上層槳型相同,下層槳為PBUT時(shí),PBUT可以使流體沿軸向和徑向流動(dòng),沿徑向流動(dòng)的流體碰到釜壁向下流動(dòng)時(shí),流動(dòng)方向不斷的發(fā)生變化。槳葉間距L2越大,流動(dòng)方向變化越劇烈,所有的動(dòng)能都被耗散掉,能量耗散更大。且當(dāng)槳葉間距L2增大時(shí),RPD的降幅增大,下層槳向上層槳泵送流體所需的能量增加,泵送效率降低。因此當(dāng)L2= 0.15 m時(shí),功率準(zhǔn)數(shù)最大。
圖6 槳葉間距對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)和RPD的影響Fig.6 Effects of L2 on Np and relative power demand(RPD).
下層槳葉角度不同時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)和氣含率見圖7。由圖7可見,功率準(zhǔn)數(shù)隨槳葉角度的增大而增大。這是因?yàn)榫哂休^高泵送效率的葉輪具有較高的氣體吸入速率,且泵送效率隨槳葉角度的增大而減?。?1]。當(dāng)槳葉角度為30°時(shí),氣體的吸入速率最大,單位體積功耗下的氣含率最大。因此當(dāng)槳葉角度為30°時(shí),下層槳向上層槳泵送液體的泵送效率最高,功率準(zhǔn)數(shù)最小,攪拌釜內(nèi)的流體混合更均勻。
圖7 槳葉角度對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)和氣含率的影響Fig.7 Effects of θ on power number and gas holdup(ε).
下層槳尺寸不同時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)和氣含率見圖8。由圖8可見,功率準(zhǔn)數(shù)隨槳葉系數(shù)(L/D)的增大而增大。當(dāng)L/D = 0.125時(shí),氣體的吸入速率最大,單位體積功耗下的氣含率最大。因此當(dāng)L/D = 0.125時(shí),下層槳向上層槳泵送液體的泵送效率最高,功率準(zhǔn)數(shù)最小,意味著在攪拌釜內(nèi)要達(dá)到相同的混合效果,需要的攪拌功率較低。
圖8 下層槳尺寸對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)和氣含率的影響Fig.8 Effects of lower impeller dimension on power number and ε.
將雙層槳自吸式氣液攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)(Np)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系表示為:Np∝Reα,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中得出二者的關(guān)系(見圖9)。由圖9可知,隨雷諾數(shù)的增大,功率準(zhǔn)數(shù)呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大,大量氣體被吸入。當(dāng)氣體實(shí)現(xiàn)自吸分散后,功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系為Np∝Re-0.84,此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)之間的碰撞加劇,動(dòng)量交換頻繁,漩渦隨時(shí)間的進(jìn)程而增強(qiáng),使破裂的小氣泡在整個(gè)攪拌釜中分散均勻,因此隨著雷諾數(shù)的增加,功率準(zhǔn)數(shù)大幅降低。
圖9 功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的擬合曲線Fig.9 Fitting curve of the power number and Re.
1)隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加,功率準(zhǔn)數(shù)先減小后增大然后又減小。隨介質(zhì)黏度和密度的增大,功率準(zhǔn)數(shù)增大。
2)適宜的槳葉組合為6P+6PBUT,采用該組合,槳葉背后形成的漩渦尺寸較小,攪拌混合效果最好,功率準(zhǔn)數(shù)較小。隨槳葉間距的增大,功率準(zhǔn)數(shù)增大;當(dāng)下層槳葉角度為30°,L/D = 0.125時(shí),槳葉的泵送效率最高,單位體積功耗下的氣含率最大,功率準(zhǔn)數(shù)最小。
3)當(dāng)氣體實(shí)現(xiàn)自吸分散后,功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系為Np∝Re-0.84,隨著雷諾數(shù)的增加,功率準(zhǔn)數(shù)大幅降低。
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