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SK型静态混合器与喷射混合器的CFD模拟研究

作　者: 刘涛
导　师: 郑世清
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 静态混合器喷射混合器计算流体力学(CFD) 数值模拟宏观混合微观混合
分类号: TQ051.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

静态混合器是一种新型化工单元设备,优点为分散效果好、占地面积小、操作成本低、维修简单等;喷射混合器是一种具有高强度混合效果的混合器,优点为混合强度高、改善浓度及温度分布等。与传统混合机械不同,二者均没有机械动力装置,能耗大大降低,且适用范围广,可用于物料的掺混、传质、传热及制备乳液、悬浮液等。近年来,喷射混合器在某些场合还作为反应器来使用,例如催化加氢及青霉素的生产等。国内对静态混合器和喷射混合器的研究尚处于初始阶段,方法上多以实验研究为主,受实验条件限制,不能获得混合器内部详细的流场和浓度信息,只能从宏观上评价混合器的性能,不能直接用来优化设计新的混合器。近年来,已有应用CFD方法对静态混合器和喷射混合器研究,但这些研究只从宏观角度对两者的性能进行考察,没有考虑微观混合对过程的影响。本文运用CFD方法对SK型静态混合器和喷射混合器内的液-液多尺度混合过程进行模拟研究,通过建立混合器内混合效果的评价指标,考察操作条件和设备参数对混合效果及压降的影响。采用纯水、乙醇胺和苯胺盐酸盐溶液三种体系分别对SK型静态混合器与喷射混合器进行对比研究。CFD方法模拟结果表明:(1)长径比e越小、混合元件个数越少、流体雷诺数越小,SK型静态混合器的压降就越小,混合元件多于6个时单元压降值显著增加;(2)长径比e越小、雷诺数越高,SK型静态混合器的混合效果越好;(3)喷射混合器压降随着主流流速的增大而显著增大,引射流速对压降的影响没有主流流速显著;(4)主流流速增加有利于喷射混合器内流体的混合,引射流体流速增加对喷射混合器物料流体的混合不利。采用纯水、乙醇胺和苯胺盐酸盐溶液三种体系对SK型静态混合器与喷射混合器进行对比研究,结果表明:(1)压降:体系粘度对喷射混合器的影响要高于对SK型静态混合器,后者更适宜处理粘度大的物系。相同条件喷射混合器的压降大约是SK型静态混合器压降的几十倍,故后者能耗要低得多,更适合大流量物料的混合;(2)混合时间:雷诺数Re< 2000时SK型静态混合器的混合时间随着流量的增加而增加,Re>2000时正相反;低雷诺数时混合时间要比高雷诺数时长很多。喷射混合器的混合时间随着主流流速增加而逐渐变短,提高主流流速能够显著缩短喷射混合器的混合时间;(3)对于SK型静态混合器与喷射混合器,两者的微观混合长度Ls都大于宏观混合长度Lm,说明微观混合是流体混合过程的控制步骤。最终给出的中试装置乙醇胺反应体系的SK型静态混合器与缩合中试装置苯胺/甲醛喷射混合器关键参数的优化设计。目前乙醇胺实验装置正在准备,本文设计的喷射混合器经中试应用验证,达到预期要求,中试装置运转良好,为MDA工业生产装置的设计奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
第一章绪论  16-26
  1.1 课题研究的背景及意义  16-17
  1.2 静态混合器与喷射混合器简介  17-22
    1.2.1 静态混合器  17-20
      1.2.1.1 静态混合器的混合机理  18
      1.2.1.2 静态混合器的特点  18-19
      1.2.1.3 静态混合器产品常用型号  19-20
    1.2.2 喷射混合器  20-22
      1.2.2.1 喷射混合器的特点  21-22
      1.2.2.2 喷射混合器的工业应用  22
  1.3 国内外研究概况  22-24
    1.3.1 静态混合器及 CFD 模拟  22-23
    1.3.2 喷射混合器及CFD 模拟  23-24
  1.4 本论文研究内容  24-26
第二章数值模拟的基本原理  26-49
  2.1 计算流体力学概述  26-30
    2.1.1 CFD 简介  26
    2.1.2 CFD 技术基本原理  26-27
    2.1.3 CFD 模拟的环节及步骤  27-30
      2.1.3.1 建立物理与数学模型  28
      2.1.3.2 选择坐标  28-29
      2.1.3.3 网格划分  29
      2.1.3.4 方程的离散  29
      2.1.3.5 边界条件和初始化条件  29
      2.1.3.6 求解代数方程  29-30
      2.1.3.7 解的分析  30
  2.2 流体动力学控制方程  30-39
    2.2.1 CFD 模拟中通用控制方程  30-32
      2.2.1.1 质量守恒方程（连续性方程）  31
      2.2.1.2 动量方程（Navier-Stokes 方程）  31-32
      2.2.1.3 能量方程  32
      2.2.1.4 组分守恒方程  32
    2.2.2 控制方程的数值求解  32-34
      2.2.2.1 直接数值模拟法（DNS）  32-33
      2.2.2.2 大涡模拟法（LES）  33
      2.2.2.3 雷诺平均法(RANS)  33-34
    2.2.3 湍流模型  34-35
      2.2.3.1 雷诺应力模型法（RSM）  34
      2.2.3.2 湍流粘性系数模型  34-35
    2.2.4 k-ε两方程湍流模型  35-39
      2.2.4.1 标准k-ε湍流模型  36-37
      2.2.4.2 重整化群k-ε模型  37
      2.2.4.3 可实现的k-ε模型  37-39
  2.3 FLUENT 软件构成及求解  39-46
    2.3.1 FLUENT 软件构成  40-41
      2.3.1.1 前处理器  40-41
      2.3.1.2 求解器  41
    2.3.2 FLUENT 的算法原理及计算过程  41-46
      2.3.2.1 FLUENT 的核心算法  43-44
      2.3.2.2 物理量的量纲  44
      2.3.2.3 数学物理模型控制方程  44
      2.3.2.4 迭代方法  44-46
  2.4 结果后处理及评价指标  46-48
    2.4.1 结果后处理  46
    2.4.2 混合效果评价指标  46-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章静态混合器的数值模拟及优化设计  49-73
  3.1 物理模型与网格划分  49-50
  3.2 数学模型与求解方法  50-53
    3.2.1 模型求解策略  51
      3.2.1.1 计算模型  51
      3.2.1.2 边界条件  51
      3.2.1.3 其它设置  51
    3.2.2 求解步骤  51-53
  3.3 SK 型静态混合器的数值模拟  53-66
    3.3.1 SK 型静态混合器内流场  53-56
      3.3.1.1 速度场  53-54
      3.3.1.2 压力场  54-55
      3.3.1.3 湍流强度  55-56
      3.3.1.4 混合组件数对流场的影响  56
    3.3.2 SK 型静态混合器压降的数值模拟与分析  56-60
      3.3.2.1 流量对SK 型静态混合器压力降影响  58-59
      3.3.2.2 混合元件个数对SK 型静态混合器压力降影响  59
      3.3.2.3 长径比对SK 型静态混合器压力降影响  59
      3.3.2.4 不同长径比与混合元件个数对压力降影响  59-60
    3.3.3 SK 型静态混合器混合性能的数值模拟与分析  60-66
      3.3.3.1 面平均混合分率  60-61
      3.3.3.2 宏观混合分率方差与微观混合分率方差  61-63
      3.3.3.3 SK 型静态混合器混合性能的研究  63-66
  3.4 乙醇胺反应系统的SK 型静态混合器优化设计  66-71
    3.4.1 物理模型与网格划分  67
    3.4.2 模型求解  67-68
    3.4.3 模拟结果与讨论  68-71
      3.4.3.1 不同长径比与混合元件个数对压降的影响  68-69
      3.4.3.2 不同长径比与混合元件个数对混合性能的影响  69-71
  3.5 本章小结  71-73
第四章喷射混合器的数值模拟及优化设计  73-88
  4.1 模型建立与求解策略  73-75
    4.1.1 物理模型与网格划分  73-74
    4.1.2 数学模型  74
    4.1.3 湍流模型  74-75
    4.1.4 模型求解策略  75
  4.2 喷射混合器的CFD 数值模拟  75-81
    4.2.1 喷射混合器内流场分析  75-78
      4.2.1.1 速度场  75-76
      4.2.1.2 压力场  76-77
      4.2.1.3 湍动能与湍流耗散率  77-78
    4.2.2 喷射混合器内压降的数值模拟与分析  78-80
      4.2.2.1 主流流速对喷射混合器压降的影响  78-79
      4.2.2.2 引射流体流速对喷射混合器压降的影响  79-80
    4.2.3 喷射混合器混合效果的数值模拟与分析  80-81
      4.2.3.1 主流流速对喷射混合器混合长度的影响  80-81
      4.2.3.2 引射流体流速对喷射混合器混合长度的影响  81
  4.3 缩合中试装置的苯胺/甲醛喷射混合器的优化设计  81-87
    4.3.1 模型建立  82
    4.3.2 模型求解  82-83
      4.3.2.1 计算模型  82
      4.3.2.2 边界条件  82
      4.3.2.3 物料性质  82-83
    4.3.3 模拟结果与讨论  83-87
      4.3.3.1 喷射混合器内流场分析  83-85
      4.3.3.2 喷射混合器混合效果的数值模拟与分析  85-86
      4.3.3.3 喷射混合器压降的数值模拟与实验验证  86-87
  4.4 本章小结  87-88
第五章 SK 型静态混合器与喷射混合器的对比研究  88-95
  5.1 不同物系混合器压降的对比研究  88-90
  5.2 不同物系混合器混合效果的对比研究  90-91
  5.3 不同物系均匀混合时间的对比研究  91-93
  5.4 本章小结  93-95
结论  95-97
参考文献  97-100
致谢  100-101
攻读学位期间发表的学术论文目录  101-102

SK型静态混合器与喷射混合器的CFD模拟研究

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