[word doc]偏心搅拌反应器内的液相混合行为

[word doc]偏心搅拌反应器内的液相混合行为 偏心搅拌反应器内的液相混合行为 第61卷第1o期 2O1O年1O月 化工 CIESC Journa1 Vo1.6lNo.10 ()ctober201O 偏心搅拌反应器内的液相混合行为 胡银玉,刘拮,杨基础,程易 (清华大学化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系,北京100084) 摘要:利用先进的无干扰流场测试手段——平面激光诱导荧光技术(PIIF),对斜叶桨搅拌反应器内的液相混合 过程进行高精度定量可视化.对比了中心搅拌和3种不同偏心率下的偏心搅拌混合行为,引入参数混合均匀度 和均匀混合时间定量描述测量平面的示踪剂浓度分布.研究发现,偏心搅拌过程由于破坏了流场的对称性,比 中心搅拌能更快达到均匀混合.反应器内局部混合存在差异,偏心搅拌中不同监测点达到均匀混合时间差异较 小,体现了偏心搅拌在液相混合中的优势. 关键词:偏心搅拌反应器;平面激光诱导荧光;液相混合;混合时间;混 合均匀度 中图分类号:TQ027.35文献标识码:A文章编 号:04381157(2010)10—2517一O6 Liquidmixingineccentricstirredtank HUYinyu,LIUZhe,YANGJichu,CHENGYi (DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China) Abstract:Theliquidmixinginapitchedbladestirredtankwasstudiedbythenon—intrusiveplanarlaser inducedfluorescencetechnique.Themixingbehaviorinthecentricandeccentricstirringoperationswas evaluatedwiththeparameterssuchastheuniformityindexandthe95mixingtimecalculatedbasedon themeasuredtracerconcentrationdistribution.Theresultsshowthattheeccentricoperationexhibitsbetter mixingperformancethanthecentricoperation,owingtoitsasymmetricalflow.Themixingtimeisalocal variable,dependingonthemonitoringpoint,butthevariationinthemixingtimeissmallintheeccentric stirredtank. Keywords:eccentricstirredtank;planarlaserinducedfluorescence;liquidmi xing;mixingtime;mixing uniformity — 1=I 作为最常见的工业反应器,搅拌反应器广泛应 用于化工,石油和医药等行业中.搅拌反应器结构 特点使其内部容易产生死区而降低液体混合效率, 工业上多采取添加挡板或相关内构件的方式增强混 合.但研究者指出,挡板同样会导致大量死区的存 2009—12—28收到初稿,20100305收到修改稿. 联系人:程易.第一作者:胡银玉(1984),男,博士研 究生. 基金项目:国家重点基础研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 (2007CB714302);国家自然科学基金项目(20776074). 在,且会使能耗增加l1].为此,研究者提出采取 周期性改变搅拌转速和偏心搅拌l_4的方式强化 混合. 偏心搅拌是使搅拌反应器的桨轴偏离反应器中 心,从而破坏反应器的对称性,提高反应器内部的 无序度而加强混合.近年来,多个研究组对偏心搅 拌开展了相关研究,Karcz等采用传感器探头 Receiveddate:20091228. Correspondingauthor:Prof.CHENGYi,yicheng@tsinghua edu.cn Foundationitem:supportedbytheNationalBasicResearch ProgramofChina(2007CB714302)andtheNationalNatural ScienceFoundationofChina(20776074). ? 2518?化工第61卷 研究偏心搅拌在混合性能方面的优势,并拓展到轴 向和径向等多种桨型中.Hall等采用粒子图像 测速技术对斜叶桨的偏心搅拌进行研究,并通过流 场指出偏心搅拌能增强径向扰动和混合性能. Chiara等采用激光多普勒仪对偏心搅拌的流型及 其稳定性进行了细致分析,并重点研究反应器中涡 的变化.国内有关偏心搅拌的文献报道较少,王波 等也采用激光多普勒仪对偏心搅拌内部的流场进 行了类似研究,并给出了如速度场,湍能和剪切力 分布等信息.杨锋苓等..曾对偏心搅拌槽固液悬 浮特性进行了CFD模拟研究,并指出偏心搅拌在 两相悬浮中的优势,但研究主要采用模拟手段,缺 乏相关实验论证. 平面激光诱导荧光技术(planarlaserinduced fluorescence,PLIF)是一种新型无干扰流场测试 技术,可用于可视化液相(或气相)流场结构,并 能定量测量浓度场,温度场等.本研究组采用 PLIF技术研究了不同形式反应器内的混合和反应 行为口”].本文基于PLIF技术的无干扰特性和高 分辨率性能,揭示了偏心搅拌的液体混合特性. 1PLIF测量原理 某些物质如荧光素钠,丙酮,吡啶,香豆素, 罗丹明6G和罗丹明B,当受到紫外线或波长较短 的可见光如绿色激光照射时,会发射出荧光,而当 光源停止照射时,荧光随之消失,这种能发出荧光 的物质称为荧光物质.本研究选取了价格低廉且灵 敏度高的罗丹明B,在激光激发下,罗丹明B发出 的荧光强度与其浓度呈线性关系口..因此,可 以通过检测荧光强度实现对浓度场的无干扰测量. 2实验装置和方法 2.1实验装置 如图1所示,反应器直径和液面高度均为 0.15In,搅拌桨是倾角为3O.的四叶片斜叶桨,桨 叶直径为0.05m,桨轴直径为0.006m,桨距离 反应器底部为0.05rn.本研究中,中心搅拌指桨 轴线与反应器轴线重合;偏心操作指二者不重合. 偏心率(e)定义为:搅拌桨轴线偏离反应器轴线 的距离(E)与反应器半径(R)之比,即e=== E/R.本研究考察了偏心率为0.2,0.3,0.5下的 液相混合行为. 取反应器底面的圆心.为坐标基准(O,0,O), …aca啪c鬲r 图1实验装置 Fig.1Schematicdrawingofexperimentalsetup 由激光器激发出的平面激光照射在距离反应器中心 ()为5mm的平面(一5ram)上,高速相机垂 直正对该平面拍摄示踪剂分布.为防止实验中激光 散射造成的测量误差,反应器外侧放置盛水的方形 有机玻璃缸.实验采用美国RedIake公司生产的 MotionProX3高速CMOS相机,全幅拍摄速率可 达1000帧/秒,实验中拍摄速率为5O帧/秒,空间 分辨率为160p.m.激光器为北京立方天地科技公 司提供的能量为1.5w且发出波长为532nm绿色 激光的固体连续激光器. 2.2实验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 为减少注入示踪剂后反应器内液相体积变化对 流场造成的影响,示踪剂体积应较小,因此示踪剂 在均匀分散后浓度会降低2,3个数量级.而为了 提高可视化的分辨率,使混合均匀后示踪剂浓度位 于标定范围内(0--C),选取标定的最大可视化 浓度C…为150p-g?L.即在反应器中注满150 肚g?L的示踪剂,调节激光强度,使数字相机上 接收到的荧光强度达到阈值.由于荧光强度随罗丹 明B浓度的提高而不断增加,使得拍摄中浓度大 于C的部分也被视为c,这样虽会损失一部分 真实的示踪浓度信息,但接近均匀混合时,示踪剂 浓度均小于C,所以对整个过程考察混合时间等 参数无影响.保持该激光强度,在反应器中分别注 满20,4O,60,80,iO0,12Og?L的罗丹明B 溶液,拍摄示踪剂浓度分布,用于在线标定,并采 用C…对应的荧光强度进行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化.如图2所示, 在该浓度范围内,荧光强度与示踪剂浓度呈线性 关系. 实验时,开启搅拌电机,激光器和高速相机等 设备,用注射泵快速注入(60ml?min)2ml浓 度为50mg?L的示踪剂罗丹明,其最终均匀混合 浓度约为37.8g?L.注入点在液面高度,并位 于激光平面内,坐标为(72mm,5mm,150ram). 第l0期胡银玉等:偏心搅拌反应器内的液相混合行为?2519? tracerconcentration/LLg?15 图2荧光强度与示踪剂浓度的关系 Fig.2Relationshipoffluorescenceintensityand tracerconcentration 3实验结果和讨论 3.1定量表征 为了对混合过程进行宏观描述,在单点混合均 匀度n的基础上,引入了平面混合均匀度的概念, t时刻测量平面的混合均匀度U()为 MM 一 蓦篆? 式中M和M分别为和方向上的图片的像 素个数;GV(3,2,)为达到均匀混合后示踪剂 在图片上的灰度值;GV(,,t)为t时刻在 和z位置处经标定修正后的灰度值; GV(,,t.)为未加入示踪剂的初始灰度值. 混合均匀度u从全幅图像角度充分考虑每个像素 点混合状况.未加入示踪剂时的【,值为l,完全混 合时为0,且u值越小,混合越均匀.当混合均匀 度U小于0.05且此后不再大于0.05时,所用时 间定义为95混合时间. 3.2混合过程瞬态浓度场分布 高速相机拍摄得到的数字图片经过处理转换成 容易分辨的PIIF伪彩图,纯红色代表示踪剂浓度 等于或大于150ktg?I,纯蓝代表0.图3为搅 拌速度为50r?min一的中心搅拌中,不同时刻测 量平面的示踪剂浓度分布的伪彩图.在t一5S,示 踪剂在搅拌桨的作用下由顶部转移到右下侧,并在 流场的驱动下,产生特征尺寸为200m,2mm的 大量示踪剂微团.t一10S时,示踪剂浓度的分布 基本沿桨轴呈对称状.随着时问的不断推进,示踪 剂在反应器内不断得到均匀分散. 图4为测量平面上4种不同水平高度(z/H一 0.1,0.3,0.5,0.8)示踪剂浓度的径向分布,浓 一一一一 蠹瞬?????? 0.751.000O.25 图3中心搅拌不同时刻示踪剂分布PI1F图 Fig.3PIIFimagesoftracerconcentrationdistributionin centricstirredtankfN一50r?min1 .9 .6 O3 0 .6 .3 0 抒l4.i ?7s{l0刘.骚1 :.. { ‘ 一 O8一O400.408-0.8一O400408 x/R 图4中心搅拌时不同水平高度的示踪剂浓度分布 Fig.4Normalizedtracerconcentrationatdifferent horizontal1evelsinacentricstirredtank fN一50r?rain_.) /H:-0.1;?0.3;?0.5;T0.8 度值均采用c…进行标准化.时间较短时,同一水 平高度或径向位置的示踪剂浓度差异很大,部分区 域标准化浓度达到1,同时还存在浓度接近0的完 全未混合区域;而随着混合过程的不断进行,示踪 剂逐渐趋于最终均匀分散浓度,直至完全均匀 混合. 3.3偏心率对混合的影响 如图5所示,在N为50r?min_1且时问较短 时,由于示踪剂在釜中未完全扩散,而测量区域仅 为二维平面,难以评价釜内整体混合效果,导致 (如t一5s)各种操作下U值差异不大,己,均在 0.2940.30问.一定时间后(如t一7S),U逐渐 体现出差异,中心搅拌对应的u最大(0.285), 混合效率最低,3种不同偏心率情况下的己,均较 低,最低值(0.212)出现在e为0.5时.随着混 合的进行(,>10s),差异更明显,偏心搅拌的u 值均低于中心搅拌.在t一20S时,e为0.2,0.3 第61卷 m… n…… m… u… m. N ?=lOOr.min-1一N=200r.min-羞 ????s?一一 ?一?一 10O 图5不同偏心率下的混合PLIF图形 Fig.5PlIFimagesoftracerconcentrationdistributionin eccentricstirredtank(N一5Or?min一) 和0.5时的U值分别为0.135,0.129和0.091, 均优于中fl,搅拌.此时,中心搅拌和3种偏心搅拌 下的r.分别为37.1,35.6,33.8S和31.2S. 偏心搅拌缩短了混合时间,原因在于:中心搅 拌时,流场沿轴形成对称分布的区域,而对称区域 问传递速率相对较慢,抑制}昆合过程.偏心搅拌则 破坏了釜内的对称流场,使靠近桨轴一侧的流场的 旋涡被挤压甚至消失,同时该侧空间被压缩,提高 了局部的平均传质速率;而远离桨侧仍存在一个大 涡,该涡仍能保证该侧形成大环流,促进了示踪剂 的昆合. 3.4搅拌速度对混合的影响 搅拌速度的提高导致示踪剂在釜内分布发生变 化,如图6所示.中心搅拌时,搅拌速度提高使桨 轴周围由示踪剂过低浓度区变成过高浓度区,在 100r?min时,可在图形上看到桨轴处呈现蓝 色,表明示踪剂浓度相对其他位置较低;搅拌速度 更快(200,300r?rain)时,示踪剂逐渐积聚 在桨轴周围.这是因为在较低转速下,搅拌桨轴 的线速度较小,难以使主体区的流体传递到中心 位置;而在高速旋转状况下,轴的周围容易形成 旋涡,导致示踪剂在桨轴周围的聚集,表明中心 搅拌中桨轴周围的示踪剂分布是影响混合的 关键. 在偏fl,搅拌下,对称流场形成的示踪剂浓度聚 Cl/(1埘 O 图6中心和偏心搅拌时瞬态的示踪剂浓度 Fig.6Transienttracerconcentrationdistributioninstirred tankundercentricandeccentricoperations(t/r95—0.5) 集被打破,源于对称结构的破坏.如图6所示,e 为0.5时,难以观察到示踪剂在桨轴周围聚集;在 200,300r?rain时,还可观察到由于偏心操作 带来的示踪剂旋涡,这个旋涡位于远离桨轴的一 侧,是快速混合的表观反映. 图7(a)给出了搅拌速度从50r?min变化 到300r?min,不同偏心率下的混合时间. 在相同搅拌速度下,最长混合时间均出现在中fl, 搅拌中,偏心搅拌对应的混合时间均较短,且混 合时问随着偏心率e的增大不断减小.在搅拌速 度较低(50r?min)时,偏心率对混合时间的 影响相对较小,如中fl,搅拌和为0.5时的的 比为1.20;在速度较高时,偏fl,率对混合时间的 影响相对较大,如中fl,搅拌和e为0.5时的的 比在100,200,300r?rain下分别为1.38, 1.48和1.46. 在同一偏fl,率下,搅拌速度的提高增强了釜内 平均湍动能,促进了液相混合,降低了混合时间. 图7(b)给出量纲1混合时间r与偏心率的关系. 中心搅拌时,r随着搅拌速度提高而不断增大, 但增幅不断减小,在搅拌速度提高到200r?min 后,z-.基本不发生变化.在偏心搅拌中,变化规 律类似,r;随N出现增长趋势,且增幅不断减 小.此外,在N由50r?rain到300r?min变 化中,偏心率越大,r的变动幅度减小,如中心 搅拌时r相差1.98倍,而在e为0.5时相差1.61 倍.偏心搅拌中r.逐渐趋于稳定,且e越大这种 趋势越明显,体现了偏心搅拌在液相}昆合性能上的 优越性. 第1o期胡银玉等:偏心搅拌反应器内的液相混合行为?2521? (b) 图7不同偏心率下的混合时间和rj Fig.7Parametersjandrunder differenteccentricities 3.5局部混合时间 为考察反应器局部的混合性能,选取了3个不 同水平高度(z/丁一0.9,0.5,0.2),5个径向位 置(/R=0.9,0.5,0,一0.5,一0.9)共15个 点为监测点.采用确定平面混合时间的方法确定局 部混合时间,不同的是考察区域由全平面变为监测 点周围的区域(5像素×5像素).图8给出了中心 搅拌和e为0.5时的局部混合时间. 中心搅拌时,各搅拌速度(50,300r?min) 下,不同监测点问最长和最短混合时间差异介于 9.4,17.2,即釜内各区域混合差异较大,监测 点位置的选取对混合时间的判断影响大.此外,中 心搅拌时,靠近桨轴的监测点所需的混合时间较短, 因为监测点离桨轴较近时,周围湍动程度强,混合 易于达到均匀;最长混合时间出现在靠近液面的位 置,此处流动速度慢,混合效率较低. 偏心搅拌时,以e一0.5为考察对象(图8), 不同监测点的混合时问差异较小,各搅拌速度下监 测点间最长和最短混合时间的差异介于5.1, 8.3,表明偏心搅拌操作下各监测点更能同步达 到均匀混合,显示了偏心搅拌内部液相快速混合的 优良性能.同时,偏心搅拌与中心搅拌类似,最短 的混合时间也位于桨叶端附近,最长混合时间出现 (a)P一0,N一50r?min x/R (b)P-10,N一300r?min x/R (c)P一0.5,N一50r?min (d)P一0.5,N一300r?rain 图8不同监测点的混合时间 Fig.8Mixingtimer95underdifferent monitoringpoints z/T:_0.9;?0.5}?0.2 在靠近液面的监测点. 4结论 (1)采用平面激光诱导荧光技术,实现对中心 和偏心搅拌式反应器内液相混合过程的无干扰,高 ? 2522?化工第61卷 精度可视化测量,可获取搅拌反应器内示踪剂的二 维浓度场. (2)基于二维示踪剂浓度分布,采用参数混合 均匀度U和混合时间,评价搅拌反应器在中心 和偏心搅拌下的混合性能.研究表明:在相同搅拌 速度下,偏心搅拌所需?昆合时间比中心搅拌要短; 在考察的范围内(0.2,0.5),越大,混合时 间越短,且在搅拌速度较大时混合时间缩短相对更 明显;与中心搅拌相比,偏心搅拌下反应器内局部 达到均匀混合时间的差异较小. (3)偏心搅拌的混合优势为一些快速液相混合 过程提供了新思路,由于目前只探讨了直径为 0.15m的小型反应器,后续工作将针对更大尺度 甚至工业规模反应器,探索偏心搅拌存在的优良混 合性能,设计原则和放大策略. 符号说明 C——示踪剂浓度,g?I C…——最大可视化的示踪剂浓度,g?L —— 激光平面与反应器轴心距离,In E——桨轴偏离反应器中心位置,m GV——图片灰度 N——搅拌速度,r?min R——反应器半径,in T一一反应器直径,m t——时问,s 【,——混合均匀度 r——混合时间,s References [1] [2] [3] [4] IamhertoDJ,MuzzioFJ,SwansonPD,FonkoviehA L.UsingtimedependentRPMtoenhancemixinginstirred vessels.Chem.Eng.Sci.,1996,51(5):733,741 AlvarezMM,ArratiaPE,MuzzioFJ.Laminarmixingin eccentricstirredtanksystems.Can.J.Chem.Eng.,2002, 80(4):546—557 KramersH,BaarsGM,KnollWH.Acomparativestudy ontherateofmixinginstirredtanks.Chem.Eng.Sci., 1953,2(1):35-42 DieulotJY,DelaplaceG,GuerinR,BrienneJP,LeulietJ C.Laminarmixingperformancesofastirredtankequipped [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] [12] [13] [14] [15] withhelicalribbonagitatorsubjectedtosteadyandunsteady rotationalspeed.Chern.Eng.Res.Des.,2002,80(4):335 344 KarczJ,CudakM,SzoplikJ.Stirringofaliquidinastirred tankwithaneccentricallylocatedimpeller.Chem.Eng.Sci., 2005,60(8):2369-2380 CudakM,KarczJ.Distributionoflocalheattransfer coefficientvaluesinthewallregionofanagitated vesse1.Chem.PaP.,2008,62(1):9299 HallJF,BarigouM,SimmonsMJH,StittE H.Comparativestudyofdifferentmixingstrategiesinsmall highthroughputexperimentationreactors.Chem.Eng.Sci.. 2005,60(8):2355-2368 ChiaraG,ElisabettaB.Onthemainflowfeaturesand instabilitiesinanunbaffledvesselagitatedwithan eccentricallylocatedimpeller.Chem.Eng.Sci.,2008,63 (18):4494-4505 WangBo(王波),ZhangJieyu(张捷宇),HeYouduo(贺 友多),AnShengli(安胜利).Investigationoneccentric agitationinthestirredvesselusing3D-laserdoppler velocimeter.JournalofChemicalIndustryarmEngineering (China)(化工),2006,14(5):618-625 YangFengling(杨锋苓),ZhouShenjie(周慎杰),Zhang Cuixun(张翠勋),ChenLianfang(陈莲芳).Investigation onsolid—liquidsuspensionperformanceinaneccentrically stirredtank.TheChineseJournalofProcessEngineering (过程工程),2008,8(6):1064】069 LuoP,ChengY,WangZ,JinY,YangW.Studyonthe mixingbehaviorofthinliquid—sheetimpingingjetsusingthe PI1Ftechnique.Ind.Eng.Chem.Res.,2006,45(2): 863-870 LuoP,ChengY,JinY,YangW,DingJ.Fastliquid mixingbycross—flowimpingementinmillimeterchannels. 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