混合澄清槽内液-液两相混沌混合及分布规律研究

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混合澄清槽作为一种常见的萃取设备,具备操作简单、适应性强等特点,但传统混合澄清槽高能耗、低效率的问题依然普遍存在。此外,混合室内混合隔离区的存在也严重影响混合澄清槽混合效率。而搅拌桨作为混合澄清槽混合室内的重要组成部分,承担着为流体混合提供能量、强化液液两相混沌混合的重要角色,搅拌桨设计的合理与否直接关乎混合澄清槽的生产效率。本文通过在混合澄清槽中引入弹性搅拌桨,有效地提高了液液两相混沌混合程度;同时对流场的结构、分散相液滴的分布情况等也产生了积极的影响。首先,本文通过获取Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE)等混沌特性参数,间接反映出混合室内的两相间的混沌混合程度,同时对弹性搅拌桨体系下流场混合强化进行了研究;其次,利用智能颗粒实时测量技术(SOPAT),对搅拌过程中混合室内的液滴分布情况进行实时获取,研究了分散相液滴的粒径分布等情况;最后,在不同搅拌体系下通过粒子图像测速技术(PIV)分析了连续相流场结构和速度场分布的差异。由实验数据可知:(1)弹性搅拌桨体系能够利用搅拌过程中弹簧和刚性桨叶间的耦合作用,共同对流场提供剪切力,与此同时弹簧在搅拌过程中的不规则伸缩、弯曲运动也强化了混合室内液液两相的混沌混合。在相同的搅拌转速下,弹性搅拌桨体系和刚柔组合搅拌桨体系的LLE分别比刚性搅拌桨体系提高了18.3%~74.6%和8.8%~25.2%,弹性搅拌桨体系比刚柔组合搅拌桨体系的LLE提高了10.5%~26.6%。(2)弹性搅拌桨体系在当弹簧的线径和外径分别为0.6 mm和7mm、弹簧的长度为桨间距的1.2倍时,流场混沌特性较强。(3)弹性搅拌桨体系、刚柔组合搅拌桨体系和刚性搅拌桨体系下混合室内分散相液滴粒径的分布范围分别为15~450μm、15~500μm和15~650μm,最大峰值尺寸分别为190μm、260μm和360μm。(4)刚性搅拌桨体系下流场结构呈现出三循环的布局,刚柔组合搅拌桨和弹性搅拌桨由于柔性片和弹簧的存在,增加了混合室中部流场所受的应力,从而形成了近壁面的柱状高速流动区,流场呈双循环结构,有效降低了流场内混合隔离区的区域。综上所述,弹性搅拌桨体系可以有效强化混合室内液液两相的混沌混合,提高分散相液滴数量的同时减小分散相液滴粒径,优化流场结构。
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