金文強 陳 松 謝中元 魏宗亮 秦 能

(西安近代化學研究所, 西安 710065)

引 言

多室連續(xù)混合設備是一種由多個獨立運轉而又相互連通的臥式混合單元組合而成的連續(xù)化混合設備,與傳統(tǒng)的立式、臥式混合設備相比,這種設備最大的優(yōu)點在于能夠實現(xiàn)物料的連續(xù)化混合,即通過多對槳葉的異向轉動將物料逐漸混合均勻的同時實現(xiàn)對物料的橫向輸送。目前,國內對多室連續(xù)混合設備的相關研究極少,相關成果鮮有公開。朱宏亮等[1]設計了一種臥式連續(xù)捏合機,能夠實現(xiàn)連續(xù)混合作業(yè),但該連續(xù)捏合機并未應用于含能材料領域。楊治林等[2]采用ProCAST軟件模擬了一種多腔連續(xù)捏合機水浴溫控系統(tǒng)的傳熱過程,并優(yōu)化了其結構。劉晶等[3]針對火炸藥連續(xù)高效制造過程中存在的問題,對多室連續(xù)混合工藝進行了系統(tǒng)的論證和研究,建立了多室連續(xù)混合工藝模型,揭示了多室連續(xù)混合設備在混合過程中流場特性參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律。然而,目前多室連續(xù)混合設備尚未形成系統(tǒng)的設計方法,并且在設計上較為依賴經(jīng)驗,難以將設備的性能提升至最佳。

建立系統(tǒng)的設計方法需要研究多室連續(xù)混合設備的輸入量與混合能力之間的對應關系。影響多室連續(xù)混合設備性能的參數(shù)主要包括結構參數(shù)和工藝參數(shù),對于槳葉這類復雜型面而言,改變其結構參數(shù)會對設備整體結構產生影響,從而產生較高的研究成本。因此,可以考慮先從工藝參數(shù)入手,通過改變工藝參數(shù)獲得不同工況下的設備參數(shù),初步建立起輸入量與混合能力之間的定量關系?；旌显O備工藝參數(shù)的研究手段包括數(shù)值仿真和實驗研究,數(shù)值仿真可以減少實驗次數(shù)和成本,實驗研究可以對仿真結果進行驗證[4-6]。

在攪拌與混合設備領域,常用單位體積混合能作為設備混合能力的評價指標,即在混合物料相同的前提下,設備對單位容積的物料所提供的能量越多,其混合能力越強,終產物的混合質量越好。這一指標也常常作為混合設備放大設計中的參考量,用于指導大型混合設備的設計[7]。單位體積混合能可通過混合功率進行計算,混合功率又與槳葉所受的扭矩直接相關,因此研究單位體積混合能首先應對設備的混合功率和扭矩進行分析[8]。

為了建立適用于多室連續(xù)混合設備的設計方法,本文采用數(shù)值計算與高聚物黏結炸藥(PBX)模擬料實驗研究相結合的方法,對單室容積為2.5 L的多室連續(xù)混合設備的混合加強室進行了工藝參數(shù)(投料速度、槳葉轉速)響應分析,得到單位體積混合能與各輸入?yún)?shù)之間的關系,并驗證了以單位體積混合能作為混合能力評價指標的多室連續(xù)混合設備的設計方法。研究結果可以指導多室連續(xù)混合設備的結構設計與工藝參數(shù)選擇,為后續(xù)多型號設備的設計提供依據(jù)。

1 混合加強室的流場數(shù)值計算

1.1 幾何模型

多室連續(xù)混合設備的各混合室按照功能不同可分為預混室、混合加強室和泵壓室,其結構如圖1 所示。其中,混合加強室是承擔混合工作的核心混合室,一臺多室連續(xù)混合設備中往往設置多個混合加強室,以保證將物料中的各種組分充分混合至分布均勻。混合加強室的幾何模型如圖2 所示,包括混合室腔體以及一上一下兩個捏合槳葉,其中上下槳葉皆為二翼槳葉(反向)結構,即迎料面為槳葉的非捏合面,其捏合轉速比為1 ∶2,混合室總容積為2.5 L,有效混合容積約為2.2 L。在混合過程中,物料從混合室左側入口進入,經(jīng)過上下槳葉的反復捏合后從右側出口擠出,流入下一個混合室,形成動態(tài)的連續(xù)混合與輸送。

圖1 多室連續(xù)混合設備的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of a multichamber continuous mixing equipment

圖2 混合加強室的幾何模型Fig.2 Geometric model of the reinforced mixing chamber

1.2 有限元模型

由于上下槳葉間的間隙很小,其捏合運動對流場的影響很大,網(wǎng)格會隨槳葉的運動發(fā)生扭曲,因此只能選用非結構四面體網(wǎng)格。數(shù)值仿真過程中多室連續(xù)混合設備上下槳葉的捏合運動借助ANSYSFLUENT 仿真軟件中的動網(wǎng)格技術加以實現(xiàn),動網(wǎng)格通過加載profile 文件進行驅動。

網(wǎng)格重構過程的數(shù)量無法控制,為確保計算結果的準確性,采用3 種網(wǎng)格(最小網(wǎng)格尺度分別為1.6、1.8、2.0 mm) 對同一工況(投料速度20 kg/h,槳葉轉速60 r/min)進行計算,繪制上槳葉的扭矩Tup隨時間t的變化曲線,結果如圖3 所示。對上槳葉的平均扭矩值進行網(wǎng)格無關性驗證,結果如表1 所示。可以看出不同的網(wǎng)格尺寸對計算結果的影響很小,為節(jié)省計算時間,選擇最小網(wǎng)格尺度為2 mm。為保證網(wǎng)格質量良好,設置網(wǎng)格大小2 ～4 mm,每兩個時間步長重構一次,有限元網(wǎng)格模型如圖4 所示。

表1 網(wǎng)格無關性驗證結果Table 1 Verification results for mesh independence

圖3 不同網(wǎng)格尺度下上槳葉的扭矩隨時間的變化Fig.3 Variation of the torque of the upper blade with time for different mesh sizes

圖4 混合加強室的網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model of the reinforced mixing chamber

1.3 物性參數(shù)

多室連續(xù)混合設備中,物料經(jīng)過預混室預混后成為具有一定流變特性的漿狀物料,在混合加強室中藥漿呈現(xiàn)非牛頓流體特性。物料參數(shù)按照PBX配方體系混合終產物的物性給出,采用模擬料進行混合實驗,其具體配方見表2。模擬料的密度為1 800 kg/m3,黏度采用DV-ⅢUltra 型旋轉流變儀(BROOKFIELD 公司)進行測定。

表2 實驗配方Table 2 Experimental formulation

圖5 為漿狀PBX 模擬料在混合溫度為80℃時的黏度測試結果,可以看出在該條件下藥漿是剪切稀化的假塑性流體,其黏度變化符合冪律模型[9]。

圖5 漿狀PBX 模擬料的黏度測試結果Fig.5 Viscosity test results of the simulated PBX slurry

式中:η為表觀黏度,Pa·s;K為稠度系數(shù),Pa·sn;為剪切速率,s-1;n為流動行為指數(shù),n＜1 時流體為假塑性流體,n=1 時流體為牛頓流體,n＞1 時流體為脹塑性流體。在ANSYS-FLUENT 流體屬性設置中提供非牛頓冪律流體黏度模型,需用戶給定非牛頓指數(shù)n及稠度系數(shù)K,對黏度測試結果進行擬合,可得:n=0.24,K=202.47 Pa·sn。

1.4 初始和邊界條件

為了研究工藝參數(shù)(投料速度、槳葉轉速)對多室連續(xù)混合設備混合能力的影響規(guī)律,分別對不同投料速度(20、30、40 kg/h)及槳葉轉速(15、30、45、60、75 r/min)的工況進行數(shù)值計算。

計算前對仿真模型做出以下假設:(1)混合室壁面為無滑移剛性壁面,與壁面接壤處的藥漿速度與壁面相同;(2)混合流場為等溫層流流場;(3)混合過程中藥漿充滿整個混合室,忽略槳葉轉動過程中物料內產生的氣體空穴;(4)考慮重力因素影響。

混合過程為瞬態(tài)流動,瞬態(tài)時間步長為10-3s,每個時間步長迭代20 次,總計算時間大于下槳葉轉動一周所需時間,從而保證對上下槳葉在所有相對位置的情況進行計算。壓力-速度耦合選取Phase Couple SIMPLE 算法,連續(xù)方程及對流項的離散選用一階迎風差分格式,動量方程離散選用二階迎風差分格式,壓力方程離散相選取PRESTO!格式。

2 數(shù)值計算結果

2.1 平均扭矩

扭矩是混合設備最重要的特性參數(shù),與混合過程的功耗直接相關,因此是攪拌與混合設備領域研究的重點[10-12]。為量化槳葉在混合過程中的扭矩水平,分別計算不同投料速度下上槳葉和下槳葉在一個旋轉周期內扭矩的平均值,結果如圖6 所示?？梢钥吹?在20、30、40 kg/h 的投料速度下,上、下槳葉的平均扭矩曲線基本重合,說明投料速度對槳葉的平均扭矩無顯著影響。原因在于投料行為對流場速度產生的影響遠遠小于槳葉轉動對流場的影響,因此兩種擾動對流場的耦合作用以槳葉轉動為主導。由圖6 還可以看出,平均扭矩隨槳葉轉速的增加而顯著增加,其中上槳葉的平均扭矩隨轉速增加呈現(xiàn)斜率逐漸減小的趨勢,下槳葉的平均扭矩隨轉速增加近似呈線性增長。這是由于上、下槳葉的轉速差異所致,上槳葉的轉速僅為下槳葉的一半,導致上槳葉對物料的剪切速率偏低,受物料非牛頓屬性的影響較大,而下槳葉的轉速始終處于較高水平,受物料黏度的影響較小,因此扭矩近似呈線性增長。

圖6 不同投料速度下上槳葉和下槳葉的平均扭矩隨轉速的變化Fig.6 Variation of the average torque of the upper and lower blades with the rotational speed at different feeding speeds

為了獲得混合過程中總扭矩與轉速之間的關系,計算上、下槳葉在一個捏合周期內的總扭矩平均值,結果如圖7 所示。可以看出上、下槳葉的總扭矩平均值隨槳葉轉速的增加近似呈線性增長,采用線性擬合得到該型設備的總扭矩平均值Tavg與槳葉轉速n之間的近似關系為

圖7 不同投料速度下總扭矩的平均值隨轉速的變化Fig.7 Variation of the average total torque with rotational speed at different feeding speeds

2.2 單位體積混合能

單位體積混合能WV可通過攪拌設備內單位體積物料的攪拌功率PV和混合時間θM的乘積(式(3))來計算。

攪拌功率P通過扭矩T與槳葉轉速n進行計算(式(4)),進而可推導出單位體積攪拌功率PV的表達式(式(5))。

扭矩T通過槳葉在一個旋轉周期內的平均扭矩即Tavg來代替,混合時間θM由混合室的容積V與體積投料速度v計算得到(式6)。

由式(2) ～(6)可以推導出該型多室連續(xù)混合設備全部混合加強室的單位體積混合能總量W與各輸入?yún)?shù)之間的關系式(式7)。

式中:d為藥漿的相對密度;vm為質量投料速度,kg/h;N為混合加強室的數(shù)量。

根據(jù)式(7)可知,設備所提供的單位體積混合能總量隨槳葉轉速的增加而增大,隨投料速度的增加而減小,隨混合室數(shù)量的增加而增大,隨藥漿密度的增大而增大。式(7)揭示了多室連續(xù)混合設備的單位體積混合能總量和槳葉轉速、投料速度、混合室數(shù)量以及藥漿密度之間的關系,既能夠指導工藝參數(shù)的選擇,也能為設備的結構設計提供參考,為后續(xù)多型號設備的設計提供依據(jù)。

3 實驗驗證

3.1 實驗條件

為了驗證以單位體積混合能作為混合能力評價指標的設計方法的正確性,采用西安近代化學研究所研制的多室連續(xù)混合原理樣機進行工藝實驗,原理樣機為6 室結構,單室容積2.5 L,有效容積2.2 L。在30 r/min 和45 r/min 的轉速下對不同投料速度(20、30、40 kg/h)的工況進行PBX 模擬料混合工藝實驗,各工況對應的工藝參數(shù)如表3 所示。

表3 各工況的工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of each working condition

3.2 仿真模型驗證

為了確保混合過程中上、下槳葉之間捏合的相對位置可靠,上槳葉傳動軸與下槳葉傳動軸之間采用齒輪傳動方式。其中下槳葉傳動軸為主動軸,上槳葉傳動軸為從動軸,混合過程的總扭矩通過下槳葉傳動軸輸入,因此可以將實驗過程中上、下槳葉的總扭矩值與仿真值進行對比驗證。槳葉傳動軸通過減速機和伺服電機相連,電機扭矩可以在原理樣機的控制面板中自動反饋。首先記錄不同工況下的電機在一段時間內的平均負載扭矩,然后減去空載狀態(tài)下的電機扭矩,再與減速機的減速比相乘,即為槳葉的平均扭矩。

將實驗測得的平均扭矩與數(shù)值仿真結果進行比較,以驗證仿真模型的正確性,結果如圖8 所示。可以看出,實驗測得的槳葉平均扭矩與仿真結果存在一定差異,整體上實驗值略小于仿真值,二者的最大偏差在15%以內。原因在于數(shù)值計算對模型做了假設,即混合過程中藥漿充滿整個流道,而在實際混合過程中混合室內可能存在一定的中空區(qū)域,導致扭矩值降低。

圖8 平均扭矩的仿真值與實驗值比較Fig.8 Comparison of the average torque between the simulated and experimental values

物料在混合室中的充滿度不僅會影響實際扭矩值,還會影響物料在混合室中的停留時間。為驗證假設的合理性,通過透明板觀察實際混合過程中混合室內的物料狀態(tài),發(fā)現(xiàn)物料在混合室間的流動規(guī)律與預期相符:當物料進入第一個混合室時會在該混合室中持續(xù)混合,混合過程中物料不會直接進入第二個混合室;當?shù)谝粋€混合室中的物料加滿時物料才會逐漸進入第二個混合室混合,直至第二個混合室料滿后,物料才會進入第三個混合室,依此類推直至出料。圖9 為物料在混合室間的流動過程,可以看出,當?shù)谌齻€混合室尚未充滿物料時,后續(xù)混合室中未見物料,而前兩個混合室雖然存在少量中空區(qū)域,但整體上物料的充滿率保持在較高水平,因此混合過程中藥漿充滿整個流道的假設是合理的,實驗結果能夠證明仿真模型的正確性。

圖9 物料在混合室間的流動過程Fig.9 Flow process of materials between the mixing chambers

3.3 不同工況下多室連續(xù)混合設備的混合能力對比

根據(jù)式(7)計算出各工況下多室連續(xù)混合設備的單位體積混合能,結果如圖10 所示。可以看出,6種工況下混合加強室的混合能力大小關系為:工況4 ＞工況5 ＞工況1 ＞工況6 ＞工況2 ＞工況3。

圖10 不同工況下多室連續(xù)混合設備的單位體積混合能Fig.10 Mixing energy per unit volume of the multi-chamber continuous mixing equipment under different working conditions

為了對比不同工況下混合加強室的實際混合能力,對混合終產物中鋁粉組分的均勻性進行表征,組分均勻性越好,物料的混合質量越高,設備的混合能力越強。通過掃描電子顯微鏡-能譜分析法(SEM-EDS)對混合終產物進行組分分析。首先采用S-3400-N 型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)對樣品進行成像,結果如圖11 所示。可以看到,工況4 的混合終產物的樣品顆粒較小,分散程度較均勻,而其他樣品的顆粒大小不一,存在一些較大顆粒,由此可初步判斷工況4 的混合質量最佳。

圖11 不同工況下混合終產物的SEM 圖像Fig.11 SEM images of the mixed final products under different working conditions

為了進一步對比不同工況下的混合質量及其與單位體積混合能的對應關系,將各工況的SEM 圖像劃分為5 個區(qū)域,采用INCA 能譜儀(英國牛津公司)對每個區(qū)域進行鋁粉含量分析,每個區(qū)域對應一個EDS 譜圖,最后通過計算各工況中5 個譜圖的鋁粉含量的標準差及最大偏差來表征混合質量的好壞。各工況下的鋁粉含量、標準差、最大偏差及單位體積混合能計算結果如表4 所示?？梢钥闯?以混合終產物中鋁粉含量的標準差為評價指標時,各工況下混合質量好壞的關系為:工況4 ＞工況5 ＞工況1 ＞工況6 ＞工況2 ＞工況3;以鋁粉含量的最大偏差為評價指標時,各工況下混合質量好壞的關系為:工況4 ＞工況5 ＞工況6 ＞工況1 ＞工況2 ＞工況3;以單位體積混合能為評價指標時,各工況下混合質量好壞的關系為:工況4 ＞工況5 ＞工況1 ＞工況6 ＞工況2 ＞工況3。結果表明,以鋁粉含量的標準差和最大偏差為評價指標與以單位體積混合能為評價指標所得到的混合能力大小關系基本吻合,因此單位體積混合能可作為多室連續(xù)混合設備的混合能力評價指標。

表4 不同工況下鋁粉含量及單位體積混合能的計算結果Table 4 Calculated results of aluminum powder content and mixing energy per unit volume under different working conditions

3.4 組分一致性檢驗

根據(jù)PBX 的工業(yè)使用要求,混合終產物中主要組分的偏差波動應在1%以內。前文通過SEMEDS 分析了不同工況下混合終產物中鋁粉含量的偏差,僅工況4 滿足混合要求。為了進一步檢測設備的混合穩(wěn)定性,對工況4 在不同時間的出料情況進行采樣,用于考察多室連續(xù)混合設備的混合產物在時間維度上的組分一致性。在設備穩(wěn)定出料后每隔3 min 對泵壓室出口的物料進行取樣,不同時間的采樣情況如圖12 所示。采用滴定法[13]測量不同出料時間的樣品中鋁粉的含量(質量分數(shù)),結果如表5 所示?？梢钥闯?各樣品中鋁粉含量比較穩(wěn)定,波動范圍為32.73% ～33.31%,與鋁粉投料量(33%)之間的最大差值為0.31%,占鋁粉投料量的0.939 4%,滿足工業(yè)使用要求。

表5 不同出料時間的樣品中鋁粉的含量Table 5 Aluminum powder content in samples at different discharge times

圖12 工況4 在不同時間的出料情況Fig.12 Discharge conditions of working condition 4 at different times

4 結論

為了建立適用于多室連續(xù)混合設備的設計方法,采用數(shù)值計算與PBX 模擬料實驗相結合的方法對單室容積為2.5 L 的多室連續(xù)混合設備的混合加強室進行工藝參數(shù)(投料速度、槳葉轉速)響應分析,得到以下結論:

(1) 仿真計算結果與實驗結果的一致性良好,平均扭矩的仿真值與實驗值的最大偏差不超過15%,所建立的模型能夠較好地反映平均扭矩隨工藝參數(shù)的實際變化規(guī)律。

(2) 推導出單位體積混合能與各輸入?yún)?shù)之間的定量關系,單位體積混合能總量隨槳葉轉速的增加而增大,隨投料速度的增加而減小,隨混合室數(shù)量的增加而增大,隨藥漿密度的增加而增大。

(3) 實驗中各工況的混合質量排序與單位體積混合能排序吻合較好,單位體積混合能越大,混合終產物的混合質量越好;當投料速度為20 kg/h,槳葉轉速為45 r/min 時,單位體積混合能為32 562 J/L,混合終產物中鋁粉含量的偏差在1% 以內,滿足PBX 的工業(yè)要求。