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搅拌与混合研究新技术

搅拌与混合研究新技术
        经过近一个世纪的实验研究和理论探索,当今的流体混合技术已进人快速发展时期,并积累了大量可用于分析和预测混合体系的设计经验和关联式。但由于流体混合体系的多样性和物料流变特性的复杂性,目前对于搅拌设备的选型和设计还主要依赖经验和实验,对其优劣很难用理论预测,对于能耗和生产成本,只能在一定规模的生产装置上进行对比后才能分出高低。另外对搅拌设备的放大规律至今仍无足够的认识,缺少理论指导。因此从更微观更本质的角度,采用先进的测试手段和计算流体力学方法,获取搅拌设备中的速度场、温度场和浓度场,不仅对搅拌与混合设备的优化设计具有重要的经济意义,而且对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。
1 LDV / PIV测量技术
       搅拌设备内流速的精确测量是一件复杂的工作。这是由于搅拌设备内的流动是三维和高度不稳定的湍流,脉动和随机湍流给流速测量带来了很大困难。早期的流速测量方法如毕托管、电磁流速计、压电探头和热线或热膜风速仪等,都由于插人流场中的探头而使流动受到干扰。20世纪80年代以来,国内外开始运用激光多普勒测速仪LDV(Laser Doppler Velocimetry)来测量搅拌釜内流场。LDV测量是在某一测点处一段时间内进行的,因此所测速度是时均定量值,通过对搅拌釜中每一点的测量可以得到整个流场。但由于这些测量不能同时进行,因此LDV不能用于研究非稳态流动。
       为了研究时变流动,必须采用更先进的粒子成像测速仪PIV(Particle Image Velocimetry),可在瞬时得到整个流场分布。其原理是搅拌设备由一狭缝激光束照射,用两个脉冲激发光源,得到粒于场的两次曝光图像,接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场。但PIV的技术开发仍未完善,尚处于应用初期,目前还不能很好地测量高速湍流下的湍流参数。
       利用LDV测量技术,可以准确获取搅拌釜中丰富的信息如时均速度场、湍流强度场、雷诺应力场、剪切速率场,并可进一步计算得到宏观特征参数如排量和功耗等。因此目前LDV测量数据的一个主要用途就是验证CFD(Computational Fluid Dynamics)模型的仿真结果和提供模型边界条件。近几年LDV还被用于测量多层桨的搅拌特性,如排量和循环流量等。因为在单层搅拌器条件下所采用的测量排量的粒子跟踪法,在多层桨条件下是不适用的。
2 CFD模拟技术
       LDV仅仅提供了一些重要参数如排量准数、时均速度和脉动速度的分布等,而不能从本质上认识混合与流动,无法改变日前这种依靠经验来放大的现状。因此采用计算流体力学的方法,来模拟和预测不同几何尺寸和操作条件的搅拌设备中详细的流动和混合特性,是流体混合技术的发展趋势。
       搅拌设备内流动数值模拟目前应用最广泛的是对搅拌器采用黑箱模型进行稳态分析,即由实验测得搅拌器周围虚构表面的速度场作为边界条件或将桨叶对流体的作用看作流体动量的产生源。从数值计算来看,黑箱模型具有简捷、方便等特点,能较准确地预报搅拌器在不同条件下的运动特性,但该方法需要实验数据作为桨叶边界条件,因此不能用于多相流体系的模拟。
       CFD最重要的应用(也是CFD技术的最主要优点)是对流场的分析,可以明确在不同搅拌器的型式、尺寸、离底距离等条件下,流场对混合、悬浮和分散等过程的影响,即CFD流动、能量耗散等的计算可视化。从而使用户可以直观地了解釜内的混合情况,帮助用户确定已存在系统中的问题,指导用户进行搅拌器的优化设计,消除死区,确定加料口位置等。目前国外的专业混合设备公司己经利用CFD技术优化搅拌器的几何尺寸,开发了第二代高效轴向流搅拌器。
       CFD的另一个主要优点就是模型的设备大小无关性,一旦它们被验证可以合理准确地描述搅拌反应器过程,就被用于放大,以预计放大后的棍合和反应性能。
        随着CFD技术的发展,可压缩性流体和一些简单的非弹性粘性流体在商业软件中已经可以模拟。目前多相流(尤其是气-液体系)混合的CFD模拟也得到了长足发展,但与实际应用仍有相当距离。
3 电子过程断层成像技术
       电子过程断层成像技术EPT是一种多相流体系的非接触式的实时检测和可视化技术,可以测量不透明介质的流场。
        EPT的工作原理与医学测试仪器中的CT相差不多。在被测搅拌釜或管道外壁等距离贴附一组8到16只传感器一周,此传感器为长方形不锈钢电极片,既是发射器又是接收器。釜或管道内要有两种具有不同电性能(电导率、电容率等)的物料(不同电导率的液体、气体和固体、液体和固体),然后在有规律的电脉冲作用下,所有可能的相邻传感器组合的电压通过数据采集单元传送回计算机。计算机将记录所有电极的信号和先后次序,并采用图像重建技术还原出釜或管道横截面的图像,每秒可获得高达100帧图像。如果采用多组传感器对不同高度进行断层成像,则可在图像重建技术的辅助下,建立釜或管道的三维图像和实体造型。
        EPT系统无辐射危险、价格便宜、易于制造,响应速度比CT快且可以满足工业实时过程要求。但图像解析度比CT要低。
       由于EPT可以准确地测量出搅拌反应器中的流动区域、速度场、气体和固体组分浓度分布,而这些数据可用于从空间和时间两方面验证多相体系的混合模型和CFD模型,因而EPT技术可直接用于优化搅拌器的设计和操作,随着电子技术、图像重建算法和计算机硬件的发展,EPT还将被用于过程的在线监测和控制。
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