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攪拌與混合研究新技術

攪拌與混合研究新技術
        經過近一個世紀的實驗研究和理論探索,當今的流體混合技術已進人快速發展時期,并積累了大量可用于分析和預測混合體系的設計經驗和關聯式。但由于流體混合體系的多樣性和物料流變特性的複雜性,目前對于攪拌設備的選型和設計還主要依賴經驗和實驗,對其優劣很難用理論預測,對于能耗和生産成本,隻能在一定規模的生産裝置上進行對比後才能分出高低。另外對攪拌設備的放大規律至今仍無足夠的認識,缺少理論指導。因此從更微觀更本質的角度,采用先進的測試手段和計算流體力學方法,獲取攪拌設備中的速度場、溫度場和濃度場,不僅對攪拌與混合設備的優化設計具有重要的經濟意義,而且對放大和混合的基礎研究具有現實的理論意義。
1 LDV / PIV測量技術
       攪拌設備内流速的精确測量是一件複雜的工作。這是由于攪拌設備内的流動是三維和高度不穩定的湍流,脈動和随機湍流給流速測量帶來了很大困難。早期的流速測量方法如畢托管、電磁流速計、壓電探頭和熱線或熱膜風速儀等,都由于插人流場中的探頭而使流動受到幹擾。20世紀80年代以來,國内外開始運用激光多普勒測速儀LDV(Laser Doppler Velocimetry)來測量攪拌釜内流場。LDV測量是在某一測點處一段時間内進行的,因此所測速度是時均定量值,通過對攪拌釜中每一點的測量可以得到整個流場。但由于這些測量不能同時進行,因此LDV不能用于研究非穩态流動。
       為了研究時變流動,必須采用更先進的粒子成像測速儀PIV(Particle Image Velocimetry),可在瞬時得到整個流場分布。其原理是攪拌設備由一狹縫激光束照射,用兩個脈沖激發光源,得到粒于場的兩次曝光圖像,接着從曝光時間内粒子的位移計算出速度場。但PIV的技術開發仍未完善,尚處于應用初期,目前還不能很好地測量高速湍流下的湍流參數。
       利用LDV測量技術,可以準确獲取攪拌釜中豐富的信息如時均速度場、湍流強度場、雷諾應力場、剪切速率場,并可進一步計算得到宏觀特征參數如排量和功耗等。因此目前LDV測量數據的一個主要用途就是驗證CFD(Computational Fluid Dynamics)模型的仿真結果和提供模型邊界條件。近幾年LDV還被用于測量多層槳的攪拌特性,如排量和循環流量等。因為在單層攪拌器條件下所采用的測量排量的粒子跟蹤法,在多層槳條件下是不适用的。
2 CFD模拟技術
       LDV僅僅提供了一些重要參數如排量準數、時均速度和脈動速度的分布等,而不能從本質上認識混合與流動,無法改變日前這種依靠經驗來放大的現狀。因此采用計算流體力學的方法,來模拟和預測不同幾何尺寸和操作條件的攪拌設備中詳細的流動和混合特性,是流體混合技術的發展趨勢。
       攪拌設備内流動數值模拟目前應用最廣泛的是對攪拌器采用黑箱模型進行穩态分析,即由實驗測得攪拌器周圍虛構表面的速度場作為邊界條件或将槳葉對流體的作用看作流體動量的産生源。從數值計算來看,黑箱模型具有簡捷、方便等特點,能較準确地預報攪拌器在不同條件下的運動特性,但該方法需要實驗數據作為槳葉邊界條件,因此不能用于多相流體系的模拟。
       CFD最重要的應用(也是CFD技術的最主要優點)是對流場的分析,可以明确在不同攪拌器的型式、尺寸、離底距離等條件下,流場對混合、懸浮和分散等過程的影響,即CFD流動、能量耗散等的計算可視化。從而使用戶可以直觀地了解釜内的混合情況,幫助用戶确定已存在系統中的問題,指導用戶進行攪拌器的優化設計,消除死區,确定加料口位置等。目前國外的專業混合設備公司己經利用CFD技術優化攪拌器的幾何尺寸,開發了第二代高效軸向流攪拌器。
       CFD的另一個主要優點就是模型的設備大小無關性,一旦它們被驗證可以合理準确地描述攪拌反應器過程,就被用于放大,以預計放大後的棍合和反應性能。
        随着CFD技術的發展,可壓縮性流體和一些簡單的非彈性粘性流體在商業軟件中已經可以模拟。目前多相流(尤其是氣-液體系)混合的CFD模拟也得到了長足發展,但與實際應用仍有相當距離。
3 電子過程斷層成像技術
       電子過程斷層成像技術EPT是一種多相流體系的非接觸式的實時檢測和可視化技術,可以測量不透明介質的流場。
        EPT的工作原理與醫學測試儀器中的CT相差不多。在被測攪拌釜或管道外壁等距離貼附一組8到16隻傳感器一周,此傳感器為長方形不鏽鋼電極片,既是發射器又是接收器。釜或管道内要有兩種具有不同電性能(電導率、電容率等)的物料(不同電導率的液體、氣體和固體、液體和固體),然後在有規律的電脈沖作用下,所有可能的相鄰傳感器組合的電壓通過數據采集單元傳送回計算機。計算機将記錄所有電極的信号和先後次序,并采用圖像重建技術還原出釜或管道橫截面的圖像,每秒可獲得高達100幀圖像。如果采用多組傳感器對不同高度進行斷層成像,則可在圖像重建技術的輔助下,建立釜或管道的三維圖像和實體造型。
        EPT系統無輻射危險、價格便宜、易于制造,響應速度比CT快且可以滿足工業實時過程要求。但圖像解析度比CT要低。
       由于EPT可以準确地測量出攪拌反應器中的流動區域、速度場、氣體和固體組分濃度分布,而這些數據可用于從空間和時間兩方面驗證多相體系的混合模型和CFD模型,因而EPT技術可直接用于優化攪拌器的設計和操作,随着電子技術、圖像重建算法和計算機硬件的發展,EPT還将被用于過程的在線監測和控制。
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