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2014-05-03 01:54:44郝惠娣程天琦雷建勇

石油化工訂閱 2014年6期 收藏

關(guān)鍵詞：釜內(nèi)含率單層

郝惠娣，朱 娜，秦 佩，程天琦，雷建勇

（西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

氣液攪拌反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于生物化工和石油化工方面。氣液攪拌釜內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，氣泡不斷進(jìn)行著分裂和聚并，氣泡的含量和尺寸對(duì)釜內(nèi)氣液的接觸和混合至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在研究攪拌釜內(nèi)氣液分散的情況，并取得了較大的進(jìn)展［1］。Sun等［2］利用計(jì)算流體力學(xué)中的k-ε-Apk湍流模型對(duì)攪拌釜內(nèi)氣液分散特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，最后得出利用數(shù)值模擬能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)攪拌釜內(nèi)的氣體分布情況，但對(duì)于攪拌釜內(nèi)底部區(qū)域的模擬效果與實(shí)際有一定的偏差。

本工作對(duì)單層槳?dú)庖簲嚢韪臍庖悍稚⑻匦赃M(jìn)行研究，考察了進(jìn)氣方式、介質(zhì)黏度對(duì)氣含率及功耗性能的影響，并與標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜的性能進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

單層槳?dú)庖簲嚢韪獙?shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖見(jiàn)圖1，搭建在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，主要包括3部分：攪拌釜、測(cè)量系統(tǒng)和拍攝系統(tǒng)。攪拌釜是實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象，根據(jù)數(shù)值模擬確定結(jié)構(gòu)尺寸，并采用有機(jī)玻璃加工成型。測(cè)量系統(tǒng)是利用逆變器無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，扭矩功率轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與傳感器傳輸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，以及計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)和記錄轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。拍攝系統(tǒng)則通過(guò)激光器和工業(yè)高速相機(jī)對(duì)攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和拍照。

圖1 單層槳?dú)庖簲嚢韪獙?shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of a gas-liquid stirred tank with single-layer impeller.

在前期數(shù)值模擬［3-4］中確定導(dǎo)流板角度為60°，攪拌釜具體結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖2和表1。

圖2 單層槳?dú)庖簲嚢韪狥ig.2 Gas-liquid stirred tank with single-layer impeller.

表1 單層槳?dú)庖簲嚢韪膸缀螀?shù)Table 1 Geometry parameters of the gas-liquid stirred tank with single-layer impeller

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

單層槳?dú)庖簲嚢韪腔邶埦盹L(fēng)的原理［5-6］在槳葉上方安裝定子研制而成。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)數(shù)值模擬得出的合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，考察進(jìn)氣方式、介質(zhì)黏度和單位體積功耗對(duì)氣含率及功耗性能的影響。

實(shí)驗(yàn)物系為空氣、水和蔗糖水溶液，空氣為分散相，水和蔗糖水溶液為連續(xù)相?？諝馔ㄟ^(guò)定子吸入，再經(jīng)過(guò)氣體分散裝置分散到液相中。圖3為氣體分散裝置簡(jiǎn)圖，氣體分散通道角度（γ）對(duì)氣液分散的影響非常重要。

圖3 氣體分散裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Gas dispersion equipment.

氣含率是表征攪拌釜內(nèi)氣液分散特性和決定體系相界面積的重要參數(shù)［7-9］。采用測(cè)量液位的方法計(jì)算氣含率，其定義為通氣后液位的變化與未通氣時(shí)液位之比：

氣含率和氣泡的尺寸共同確定了氣液的相界面積，氣含率越大且分布越均勻越有利于氣液兩相的接觸與混合。

攪拌功率的測(cè)量采用扭矩功率轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與傳感器及計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行。攪拌功率表示攪拌釜的功耗性能［10］，決定攪拌釜內(nèi)流體的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。攪拌功率準(zhǔn)數(shù)（Np）是攪拌釜最重要的特性參數(shù)之一，表征攪拌釜的功耗性能的大小，用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氣體分散通道角度時(shí)的數(shù)值模擬

γ對(duì)氣含率分布的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，整個(gè)攪拌釜內(nèi)氣含率分布并不均勻，由于氣泡在離開(kāi)氣體分散通道時(shí)，小部分向下流出，大部分向上溢出，氣泡上升的阻力較小，上升速度加快，而下降受到浮力的阻礙；在攪拌槳下方，氣含率較小，但分布較均勻，只是在導(dǎo)流板上方出現(xiàn)最小區(qū)域，隨γ的增大，攪拌槳下方的氣含率逐漸變小，說(shuō)明達(dá)到底部的氣泡越來(lái)越少，氣液分散效果就會(huì)越差。綜上分析，γ=30°時(shí)能達(dá)到較為理想的氣液分散狀態(tài)，且功耗最小。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選取γ=30°。

圖4 γ對(duì)氣含率分布的影響Fig.4 Effects of gas dispersion channel angles(γ) on gas holdup(εg).

2.2 不同介質(zhì)黏度時(shí)的氣含率

在兩種進(jìn)氣方式下考察攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)不同黏度的蔗糖溶液氣含率的影響，攪拌轉(zhuǎn)速均高于氣體吸入臨界轉(zhuǎn)速［11］。介質(zhì)黏度用蔗糖的含量進(jìn)行表征，介質(zhì)黏度隨蔗糖含量的增大而增大。

不同介質(zhì)黏度下攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)氣含率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，攪拌轉(zhuǎn)速越大，氣含率越大，這是因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速增大產(chǎn)生的壓差大，導(dǎo)致吸入的氣體越多，因此氣含率增大；攪拌轉(zhuǎn)速相同時(shí)，介質(zhì)黏度越大，氣含率越小，這是因?yàn)榻橘|(zhì)黏度越大，盡管氣泡在液相中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，但介質(zhì)吸入的氣體越少，導(dǎo)致整體氣含率的降低。

圖5 不同介質(zhì)黏度下攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)氣含率的影響Fig.5 Effects of stiring speed(N) on εg with different medium viscosity.

由圖5還可見(jiàn)，與表面充氣分散相比，自吸分散時(shí)的氣含率更大。自吸分散進(jìn)氣方式比表面充氣分散進(jìn)氣方式更有利于氣液分散。

不同介質(zhì)黏度下單位體積功耗對(duì)氣含率的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，氣含率隨單位體積功耗的增大而增大，因?yàn)閱挝惑w積的介質(zhì)所獲能量與單位體積功耗成正比，單位體積功耗增大使槳葉與氣液界面之間形成更大的壓強(qiáng)，吸入的氣體也就越多。

由圖6還可見(jiàn)，介質(zhì)黏度一定時(shí)，與表面充氣分散相比，自吸分散時(shí)的氣含率更大，因此達(dá)到相同的氣含率時(shí)自吸分散比表面充氣分散消耗的能量少。

通過(guò)以上對(duì)自吸分散和表面充氣分散時(shí)的氣含率分析可知，在攪拌轉(zhuǎn)速和單位體積功耗均相同時(shí)，自吸分散時(shí)的氣含率比表面充氣分散時(shí)的大，更有利于氣液分散。介質(zhì)黏度越大，氣含率因進(jìn)氣量變小而降低。通過(guò)對(duì)攪拌釜內(nèi)自吸分散時(shí)氣含率與單位體積功耗的擬合，得到二者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的擬合直線（見(jiàn)圖7）。經(jīng)計(jì)算得到擬合直線的斜率為1.4，得出自吸分散時(shí)的氣含率與單位體積功耗具有以下關(guān)系：

用式（3）可定量地表述氣含率受單位體積功耗的影響程度。

圖6 不同介質(zhì)黏度下單位體積功耗對(duì)氣含率的影響Fig.6 Effects of unit volume power consumption(Pg/V) on εg with different medium viscosity.

圖7 自吸分散時(shí)的氣含率與單位體積功耗的擬合曲線Fig.7 Fitting curves of εg and Pg/V with self-priming dispersion.

2.3 功耗性能

2.3.1 進(jìn)氣方式對(duì)攪拌功耗的影響

以水為介質(zhì)的不同進(jìn)氣方式時(shí)攪拌功耗與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較小時(shí)，攪拌功耗隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而明顯增大；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速約為360 r/min時(shí)，攪拌功耗的增幅出現(xiàn)減緩的趨勢(shì)，這是因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速增大到360 r/min后伴隨有氣體的吸入，氣體在槳葉后方形成的氣穴使得攪拌阻力減小，因此攪拌功耗增大的幅度減??；攪拌轉(zhuǎn)速相同時(shí)，自吸分散時(shí)的攪拌功耗略低于表面充氣分散的攪拌功耗，這是由于自吸分散時(shí)的氣含率較表面充氣分散時(shí)更大，在槳葉后方更容易形成氣穴，導(dǎo)致攪拌功耗降低。

圖8 以水為介質(zhì)的不同進(jìn)氣方式時(shí)攪拌功耗與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.8 Relationship between stirring power consumption(Pg) and N in different inspiratory ways with water as medium.

以水為介質(zhì)的不同吸氣方式時(shí)攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)與攪拌雷諾數(shù)（Re）的關(guān)系見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)隨Re的增大而降低；當(dāng)Re相同時(shí)，自吸分散時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)比表面充氣分散時(shí)的低，說(shuō)明采用自吸分散更節(jié)能。

圖9 以水為介質(zhì)的不同進(jìn)氣方式時(shí)攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)與Re的關(guān)系Fig.9 Relationship between power number(Np) and Reynolds number(Re) in different inspiratory ways with water as medium.

通過(guò)以上分析可知：在進(jìn)行氣液分散時(shí)，與表面充氣分散相比，自吸分散能獲得更大的氣含率，且功耗低。因此，自吸分散更有利于氣液分散和節(jié)能。

2.3.2 介質(zhì)黏度對(duì)攪拌功耗的影響

介質(zhì)黏度對(duì)攪拌功耗的影響見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大，攪拌功耗逐漸增大；攪拌轉(zhuǎn)速相同時(shí)，攪拌功耗隨介質(zhì)黏度的增加而增大，這是由于介質(zhì)黏度增大增加了槳葉旋轉(zhuǎn)的阻力，攪拌軸的扭矩就會(huì)增大，同樣的攪拌轉(zhuǎn)速需要的功率就會(huì)增加。

圖10 介質(zhì)黏度對(duì)攪拌功耗的影響Fig.10 Effects of medium viscosity on Pg.

2.4 與標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜的對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜［12］的模型為其四周裝有4塊擋板，無(wú)定子裝置，攪拌軸為空心軸，槳葉采用常用的六直葉圓盤渦輪槳，其他尺寸如釜的內(nèi)徑、液面高度、漿葉安裝高度、攪拌器直徑與單層槳?dú)庖簲嚢韪嗤?，通氣速? m/s，攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min。

2.4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

兩種攪拌釜中氣含率分布的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)，單層槳?dú)庖簲嚢韪跉怏w吸入口和液面氣體排出口處的氣含率達(dá)到最大，其他處的氣含率分布相對(duì)均勻；槳葉后方由于氣體吸入后在葉片后方聚集形成氣穴，不利于氣液分散；在導(dǎo)流板上方形成氣含率最小的區(qū)域，該區(qū)域液相速率非常低，氣泡很難進(jìn)入到該區(qū)域，因此此處氣含率最小。由圖11還可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜的氣含率較大的區(qū)域主要分布在攪拌軸兩側(cè)，但在進(jìn)氣的軸孔處和液面出口處為氣含率最大的區(qū)域，這是因?yàn)闅怏w進(jìn)入到液相后，受到浮力作用導(dǎo)致多數(shù)氣泡沿?cái)嚢栎S向上運(yùn)動(dòng)，最后從液面排出。由于無(wú)氣體的分散裝置，標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜內(nèi)的氣泡普遍較大，氣液接觸面積小，不利于物料間的接觸和混合。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

介質(zhì)為水時(shí)兩種攪拌釜的功率曲線見(jiàn)圖12，其中標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜的功率曲線源自文獻(xiàn)［12］，實(shí)驗(yàn)中把單層槳?dú)庖簲嚢韪ㄗ拥臍怏w入口密封，防止氣體的吸入對(duì)功耗造成影響。由圖12可見(jiàn)，攪拌轉(zhuǎn)速增大時(shí)，兩種攪拌釜的功率均增大，但與標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜相比，單層槳?dú)庖簲嚢韪β首兓鄬?duì)平緩；在攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)，兩者攪拌功率相差不是很大，但隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大，兩者攪拌功率的差值增大，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)攪拌釜的槳葉位置比較低，槳葉因轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩較大，擋板的存在增加了流體旋轉(zhuǎn)的阻力。當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，單層槳?dú)庖簲嚢韪墓β手挥?0 W左右，而標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽的功率達(dá)到了45 W。由此可見(jiàn)，相同的轉(zhuǎn)速下，單層槳?dú)庖簲嚢韪墓谋葮?biāo)準(zhǔn)攪拌釜低很多［13-14］，達(dá)到相同的分散效果時(shí)單層槳?dú)庖簲嚢韪枰臄嚢柁D(zhuǎn)速低。

圖11 兩種攪拌釜中氣含率分布的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.11 Numerical simulation the gas holdups of two kinds of stirred tanks.

圖12 介質(zhì)為水時(shí)兩種攪拌釜的攪拌功率曲線Fig.12 Stirring power(P) curves of the two stirred tanks with water as medium.

介質(zhì)為水時(shí)兩種攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)曲線見(jiàn)圖13。由圖13可見(jiàn)，兩種攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)隨Re的變化很小，在Re=（3～8）×104的范圍內(nèi)，功率準(zhǔn)數(shù)近乎為水平直線，單層槳?dú)庖簲嚢韪墓β蕼?zhǔn)數(shù)約為3.3，標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)約為5.0 。與標(biāo)準(zhǔn)攪拌釜相比，單層槳?dú)庖簲嚢韪墓?jié)能效果非常顯著，故單層槳?dú)庖簲嚢韪m用于生物化工領(lǐng)域。

圖13 介質(zhì)為水時(shí)兩種攪拌釜的功率準(zhǔn)數(shù)曲線Fig.13 Np curves of the two stirred tanks with water as medium.

3 結(jié)論

1）在相同的攪拌轉(zhuǎn)速和介質(zhì)黏度下，與表面充氣分散相比，自吸分散的氣含率更大。

2）自吸分散進(jìn)氣方式下，通過(guò)擬合得到氣含率與單位體積功耗的關(guān)系式為：εg∝（ρg/N）1.4；隨單位體積功耗增大，氣含率明顯增大。

3）在相同的攪拌轉(zhuǎn)速和Re下，自吸分散時(shí)的攪拌功耗略低于表面充氣分散時(shí)的攪拌功耗。

4）與標(biāo)準(zhǔn)釜相比，單層槳?dú)庖簲嚢韪墓慕档停_(dá)到相同的分散效果時(shí)的攪拌轉(zhuǎn)速低，適用于生物化工領(lǐng)域。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Dj攪拌器直徑，mm

H0密封定子進(jìn)氣口時(shí)的釜內(nèi)液高，mm

Hg利用定子吸氣后的釜內(nèi)液高，mm

N 攪拌轉(zhuǎn)速，r/min

Np功率準(zhǔn)數(shù)

P 攪拌功率，W

Pg攪拌功耗，W

Re 攪拌雷諾數(shù)

V 攪拌釜內(nèi)液體體積，m3

γ 氣體分散通道角度，°

ρ 密度，kg/m3

εg氣含率，%

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