液體噴射混合技術(shù)研究

張曉歡

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械攪拌設(shè)備中存在的不足，該文提出了一種新型的液體噴射混合技術(shù)，即采用液體循環(huán)流代替工業(yè)機(jī)械攪拌。以水和沙子為例，對(duì)液體噴射混合進(jìn)行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體噴口角度向下時(shí)，液體攪拌具有良好的混合效果，其混合時(shí)間不超過(guò)4s；同時(shí)，通過(guò)固-液懸浮實(shí)驗(yàn)可知，液體攪拌具有很好的固液懸浮效果，尤其當(dāng)噴口角度在120°～135°內(nèi)時(shí)，具備較佳混合效果；以上實(shí)驗(yàn)證明了液體攪拌技術(shù)具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械攪拌技術(shù)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：液體噴射 機(jī)械攪拌 混合時(shí)間 懸浮高度

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0101-02

混合操作廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品、水處理、冶金等行業(yè)，是應(yīng)用最廣泛的化工單元操作之一，尤其以化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛[1-3]。

目前為止，化工工業(yè)中的混合設(shè)備中主要以機(jī)械攪拌為主。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)械攪拌可以通過(guò)合理的選擇攪拌葉輪以達(dá)到不同的工藝混合要求，所以，其涵蓋的工業(yè)范圍很廣，尤其是液-液、氣-液和固-液等液體混合工藝，幾乎都涉及機(jī)械攪拌設(shè)備[5-6]。

但是，機(jī)械攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而且，機(jī)械攪拌主體結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸以及裝置運(yùn)行過(guò)程中易損壞，需要經(jīng)常停車檢修以替換零件，難以實(shí)現(xiàn)裝置持續(xù)、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。因此開發(fā)一種合理利用回流液體的噴動(dòng)混合技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象中水的密度為1 000 kg/m，沙子的物性如表1所示。

裝置示意圖如圖1所示，底部為平面，液位高度500mm，噴口直徑為14mm，噴口的離底高度為50mm。液體噴入總體流量為8m3/h，每個(gè)噴口的速度為4.2m/s。

2 混合時(shí)間測(cè)量原理和模擬方法

2.1 混合時(shí)間測(cè)量原理-pH法

混合時(shí)間的檢測(cè)通常是局部注入具有相同流動(dòng)性質(zhì)但不同檢測(cè)性質(zhì)的物質(zhì)，如溫度、顏色、電導(dǎo)率、pH等，然后利用測(cè)量裝置檢測(cè)這些介質(zhì)均勻遍及整個(gè)體系所需的時(shí)間[4]。結(jié)合該實(shí)驗(yàn)條件，該文采用pH法測(cè)定混合時(shí)間。

pH法的測(cè)量方法如下：先在在容器內(nèi)部插入pH傳感器，待內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定后在液面加入示蹤劑NaOH溶液，利用pH傳感器記錄pH值隨時(shí)間的變化規(guī)律，待pH值趨于穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間即為混合時(shí)間。

2.2 CFD模擬

該文利用FLUENT 12.0 商用軟件，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的固-液混合效果進(jìn)行數(shù)值模擬。反應(yīng)器內(nèi)流體為固-液兩相操作，物性參數(shù)具體見表1。計(jì)算模型以設(shè)備整個(gè)流體域?yàn)橛?jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體入口采用速度進(jìn)口邊界條件，入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強(qiáng)度I（I取5%）；出口采用自由出口邊界；固壁采用無(wú)滑移固壁條件并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，分離式求解器求解，壓力和速度的耦合采用SIMPLE 算法，利用歐拉-歐拉模型計(jì)算多相流模型，對(duì)流項(xiàng)的離散使用一階迎風(fēng)差分格式。模擬計(jì)算中，收斂殘差設(shè)定為10-4，計(jì)算直至收斂。

3 結(jié)果與討論

3.1 混合時(shí)間測(cè)量

在該混合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，以單相液態(tài)水為例，液位高度為300mm，噴口離底高度為100mm，考察的噴口角度的范圍為30°～150°，共9個(gè)角度，其角度分布如圖2所示，利用pH法測(cè)量混合時(shí)間，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著噴口角度的增加，混合時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，尤其當(dāng)噴口角度為105°～135°時(shí)，其混合時(shí)間不超過(guò)4s，具有較好的混合效果；同時(shí)，我們注意到，當(dāng)噴口角度30°～90°，即液體向上噴動(dòng)，其混合時(shí)間大大高于向下噴動(dòng)所需要的時(shí)間，特別當(dāng)角度為30°時(shí)，混合時(shí)間為5.5s。這是因?yàn)椋?dāng)液體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的流體主要以頂端循環(huán)流為主，而底部液體的運(yùn)動(dòng)則很容易形成流動(dòng)死區(qū)。正是因?yàn)檫@種流動(dòng)死角的存在，大大增加了底部流體混合所需要的時(shí)間，從而影響了整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的混合過(guò)程，而下噴的流體就不存在這一問(wèn)題，所以具有較好的混合效果。

由此可知，上噴的流體極易形成底部流動(dòng)死角，所以在工業(yè)應(yīng)用中盡可能地摒棄這一操作工藝，采用具有良好混合效果的向下噴動(dòng)形式。

3.2 固-液懸浮高度

固-液懸浮高度作為釜式反應(yīng)器中的基本參數(shù)，代表了固體粒子在釜內(nèi)的軸向分布，經(jīng)常用于測(cè)量固體粒子懸浮程度。它的大小直接反應(yīng)了釜內(nèi)固-液混合效果的好壞。本節(jié)采用實(shí)驗(yàn)與CFD模擬相結(jié)合的方法對(duì)液體攪拌的固-液懸浮高度進(jìn)行研究。

根據(jù)3.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，向下的噴口設(shè)置具備更佳的混合效果，所以，懸浮高度研究所考察的噴口角度范圍為90°～150°，液位高度為300mm，噴口離底高度為100mm，固體材料為沙子，體積含量V/V為13.3%，以固體懸浮高度與液位高度的比值H/H作為固液懸浮的標(biāo)準(zhǔn)高度，物性參數(shù)見表1所示，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著噴口角度的增加，固液懸浮高度呈現(xiàn)先增大后減小的過(guò)程，當(dāng)噴口角度為120°～135°，具有較佳的固液懸浮效果，尤其當(dāng)角度為135°時(shí)，混合效果最佳，其懸浮高度為0.91。因此，不管是CFD模擬還是實(shí)驗(yàn)過(guò)程都進(jìn)一步說(shuō)明了通過(guò)設(shè)置合理的噴口角度可以達(dá)到固液兩相的均勻混合。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械攪拌設(shè)備中存在的不足，該文提出了一種新型的液體噴射混合技術(shù)，即采用液體循環(huán)流代替工業(yè)機(jī)械攪拌。以水和沙子為例，對(duì)液體噴射混合進(jìn)行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體噴口角度向下時(shí)，液體攪拌具有良好的混合效果，其混合時(shí)間不超過(guò)4s；同時(shí)，通過(guò)固-液懸浮實(shí)驗(yàn)可知，液體攪拌具有很好的固液懸浮效果，尤其當(dāng)噴口角度在120°～135°內(nèi)時(shí)，具備較佳混合效果；以上實(shí)驗(yàn)證明了液體攪拌技術(shù)具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械攪拌技術(shù)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷元騏.羰基合成化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995：143-144.

[2] 陳慶鈴.醋酸生產(chǎn)技術(shù)與市場(chǎng)前景[J].化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2001（6）：23-26.

[3] 朱澤霖，富國(guó)強(qiáng)，劉強(qiáng).攪拌器在工業(yè)合成醋酸反應(yīng)器中的應(yīng)用[J].精細(xì)化工原料及中間體，2009（4）：7-11.

[4] 張玉平，金鋒，張巖，等.兩相流相濃度檢測(cè)技術(shù)的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（3）：383-386.

[5] 王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[6] Nienow.A.W， Suspension of solid particles in turbine-agitated， baffled vessels[J].Chemical Engineering Science，1968（23）：1453-1459.