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基于CFD对结晶器搅拌混合过程的模拟研究

王鑫  
【摘要】:搅拌混合过程是化工、医药、食品等行业重要的单元操作,搅拌设备已经在众多的行业中得到广泛的应用。对于搅拌混合过程的研究方法,已经由单纯的实验研究改为计算机模拟与实验相结合的方法。近些年来以计算流体力学为代表的模拟方法已经在搅拌混合的研究中得到了广泛应用。 本文采用计算流体力学方法,对结晶器内的搅拌混合过程进行数值模拟研究,并结合文献与实验加以验证。模拟研究主要分为以下几个方面:首先是针对结晶器内搅拌桨类型的选取进行研究,以搅拌桨产生的流场是否有利于结晶相粒子的悬浮作为依据进行桨型选择;其次是不同进料位置的模拟,以混合效率作为评判依据对进料位置进行优化;然后是搅拌桨位置的选取,分别从流场、混合效率、结晶相分布均匀性等角度进行分析;同时还模拟了不同粒径和不同转速下结晶相粒子在结晶器内的分布情况,根据模拟流场分布对结晶器的形状做了适当的改进。 通过模拟结果可知,搅拌桨选择Hydrofoil Impeller,因为它产生的流场更有利于结晶相粒子的悬浮;双层搅拌桨时,进料位置选择中部进料,中部进料时混合时间最短,即混合效率最高;在釜高为270mm,釜内径为190mm的情况下,当搅拌桨间距为100mm时,流场分布较好,混合时间短,结晶相分布的均匀性好,搅拌轴功率也不大;随着搅拌桨转速的增加,结晶相的浓度分布越来越均匀,结合结晶过程中搅拌的转速不宜过大,建议搅拌的转速范围选取在150~200rpm之间;随着结晶相粒子粒径的增加,结晶相在结晶器内的分布越不均匀,建议在整个结晶过程中采用变速的搅拌以使粒径较大的结晶相粒子能够较好的悬浮;将传统结晶器的圆型底改成双圆弧等底部型底,可以有效消除结晶器底部死区,建议工业生产采用双圆弧等底部结晶器。 为了验证模拟方法的正确性,本文还采用文献与实验相结合的方式加以验证。通过将模拟结果与文献值或实验结果进行对比,验证了CFD模拟的可行性,为数值研究提供了依据。


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