旋转热管搅拌桨反应釜传热性能的安装步骤及方法[ 01-27 10:05 ]

实验中，旋转热管搅拌桨的蒸发段浸没于反应釜物料中。冷却段外布置有水冷夹套，加热棒提供的热量用于加热反应釜中的物料，模拟放热反应过程。热管的工质在蒸发段吸收热量，将热量传递至冷却段，再通过冷却水将热量带走。通过测量冷却水的进出口温差，可以得到传热功率。在不同的旋转速度和反应温度以及不同冷却水流量下对旋转热管进行传热试验研究，并分析旋转速度、冷却水流速以及反应温度对热管传热的影响。反应釜中采用水作为模拟介质，采用加热控温装置来控制温度，使得反应釜内温度分别保持在55、65、75、85、95 ℃。旋转速度分别取n = 3

旋转热管搅拌桨反应釜传热性能的实验装置[ 01-27 09:05 ]

实验装置如图1 所示，主要由反应釜筒体、电机、减速器、旋转热管、加热控温系统和冷却水系统构成。水冷夹套设有冷却水进口和冷却水出口。旋转热管由蒸发段、冷凝段和绝热段构成。冷凝段为光滑直管。蒸发段下部为枝状分叉结构，由3 根和轴呈30°的分支管均匀分布构成。旋转热管的具体尺寸如表1 所示。冷凝段配套的水冷夹套内径为120mm，长度为310mm。凤谷工业炉集设计研发,生产销售,培训指导,售后服务一体化,专利节能技术应用,每年为企业节省40%-70%的能源成本,主要产品加热炉,工业炉,节能炉,蓄热式炉,垃圾气化处理

旋转热管搅拌桨反应釜传热性能的实验研究[ 01-27 08:05 ]

在众多的传热元件中，热管是人们所知最有效的传热元件之一。它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，并具有均温的作用，其导热能力超过任何已知金属。目前，随着热管技术的快速发展，热管已用于工业生产中的各个领域。旋转热管，作为一种新型热管，也在工业应用中崭露头角。随着研究的深入，研究对象慢慢扩大到中、低速旋转热管。在这种情况下，工质的回流是离心力和重力共同作用的结果，在转速较低的情况下，重力作用甚至还占主导地位。现有的搅拌式反应釜，通常采用水冷夹套或者盘管来移除反应釜中的

反应釜设计的结论[ 01-26 10:05 ]

本文对适用于强放热反应的搅拌釜进行了传热过程研究和设计。总体研究思路是先进行传热实验，得到实验数据和规律；再进行CFD数值模拟，通过比较实验和模拟结果验证模拟方法的可靠性；最后改变结构参数进行模拟，研究其对传热效果的影响。研究得到结论后，结合设计手册与所得结论，针对某强放热反应的反应釜进行优化设计，该釜已投入实际生产且运行良好。(1)对装有五个不同螺距盘管的搅拌釜进行对流传热过程实验，得到6个转速下共30组传热特性数据，用Wilson法处理得到盘管外侧的对流传热系数。结果显示，转速越大，传热效果越好，且转速对管外对

反应釜设计图纸[ 01-26 09:05 ]

反应釜设计要求[ 01-26 08:05 ]

此含能化合物的合成过程要控制在．5~0℃温度范围进行反应(取平均温度．2．5℃进行计算)，之后在35℃左右进行蒸馏。反应釜通过盘管进行冷却换热，通过夹套进行加热蒸馏，盘管内的冷却介质采用-20℃的冷冻盐水，夹套的加热介质采用水。反应物为浓硫酸、水、亚硝酸钠和物质A。根据50kg产量要求和转化率估算，需要浓硫酸233．4kg，亚硝酸钠39．2kg，水579埏，A71．2kg，另需乙酸乙酯380kg。由于重氮化反应具有高放热的特点，装料系数不宜过大，取60％左右，实际装料量约1130L，故反应釜按照容积为1900L来设

不同结构参数下搅拌釜对流传热过程的数值模拟[ 01-25 10:05 ]

对于搅拌设备的研究，大多集中在搅拌器上，关于盘管的研究很少，老版的设计手册对于管间距、盘曲直径等设计尺寸有较严格的要求，而新版的设计手册没有提及。故本章从盘曲直径、桨径、双层盘管和双层桨4个设计因素考察它们对盘管外侧对流传热系数的影响。通过第三章的模拟结果与实验结果比较，已经验证了CFD模拟方法的可靠性，本章将继续采用CFD模拟的方法进行搅拌釜研究，釜内流体依然采用甘油。观察不同温度下的速度场可知，在产323．15K时，釜内流体混合较好，盘管的传热效果受管间距的影响也较大，故本章仅模拟Ⅳ_300印m，产323．15

湍流模型[ 01-25 09:05 ]

可知其处于过渡流区域，CFD模拟过渡流常用采用层流模型lamier，但搅拌桨附近的动区域内湍动剧烈，用层流不合理，故设定动区域为湍流，盘管内部也为湍流，采用流动和传热都吻合较好的标准k．￡模型，静区域设定为层流。为了盘管边界层的传热计算更加准确，采用强化壁面函。压力．速度的耦合方式采用simple算法，湍流动能和湍流动能耗散率的离散格式采用一阶迎风格式(first order upwind)，动量的离散格式采用二阶迎风格式(second orderup），模拟速度场时的动量方程和湍动方程残差设置为10-5，模拟温度

模拟策略[ 01-25 08:05 ]

实际情况中，搅拌反应釜内温度由323．15K下降到308．15K过程复杂且时间长，若直接进行数值模拟将耗费大量存储空间和运行时间，故采用简化的分段模拟策略来近似求解。具体策略是：选取323．15K，318．15K，313．15K和308．15K为冷却过程中的四个关键温度点，然后将这四个温度下的物性参数分别输入至除温度外操作参数相同的四个case中，先仅开启动量方程计算速度场，待速度场稳定后，再关闭动量方程，打开能量方程，进行温度场的模拟，直至稳定，最后计算出每个算例的对流传热系数，求平均。其中，判断速度场稳定的标准

网格划分与边界条件[ 01-24 10:05 ]

本文采用CFD前处理软件Gambit对模型进行网格划分。由于搅拌反应釜结构较复杂，须分三块进行网格划分：动区域，静区域和盘管。动区域：采用多重网格法进行模拟，搅拌器附近圆柱体区域设定为动网格区域，单独划分，动区域面与搅拌器桨叶面附近采用尺度函数为网格加密。盘管：Gambit中对于柱体一般采用cooper的划分网格方法，即先划分截面网格，之后通过固定步长的扫掠划分体网格，使每个截面上的网格保持一致。但由于螺旋盘管圈数多，扭曲大，直接cooper会引发巨大的网格畸变导致错误，故将每圈盘管切分为4段相等长度，再使用coo

搅拌釜结构参数和物性参数[ 01-24 09:05 ]

模拟过程中搅拌釜的模型只取液面以下的部分，以装有I号盘管的搅拌釜为例，具体参数如下表：为了验证模拟方法的可靠性，物性参数设置也要与实验相吻合。动区域和静区域均设定为甘油，盘管内设定为水。模拟过程中盘管内水的温度变化较小，物性可设为定值，密度为998k·m-3，比热容为4200J·kg～·K-1，导热系数为O．6W·m～·K-1，黏度为0．001 Pa·s。甘油的密度、比热容和导热系数随温度变化不大且对搅拌釜内传热影响较小，故可分别设

搅拌釜对流传热过程的数值模拟方法[ 01-24 08:05 ]

上章通过对流传热实验测量计算了盘管外侧对流传热系数，进而比较不同螺距盘管的换热效果，结果可靠，但局限性也很大，一是实验过程耗费大量人力、物力，二是无法采得清晰准确的速度场和温度场分析原因，三是设计参数一旦确定，要改变则只能定制新的设备，不仅浪费时间，而且重复性无法保证，可能引入其他干扰因素影响实验结果。所以，目前很多学者更倾向于采用CFD软件模拟的方法来研究搅拌釜性能。本章采用与实验相同大小的模型(包括装有I—V号盘管的五个搅拌釜模型)对N-300rpm况下的冷却传热过程进行模拟，得到速度场和温度场，并

搅拌釜的模拟方法[ 01-23 10:05 ]

搅拌釜内流场数值模拟的难点主要在于运动的桨叶与静止的壁面之间因相对速度不同而产生的影响作用。很多学者陆续提出了各自的解决方法，主要包括：黑箱模型法、内外迭代法、滑移网格法和多重参考系法。其中，滑移网格法(SlideMethod，简称SM)和多重参考系法(Multiple Ref-erence Frame，简称MRF)模拟效果较好，被FLⅦNT软件采用。MRF法最初由Luo等在1994年提出，其核心思想是将计算区域划分为两个独立的区域，搅拌桨及附近的区域定义为动区域，采用旋转速度与搅拌桨转速相同的运动坐标系，而其他的

标准k-з加模型[ 01-23 09:05 ]

最简单的完整湍流模型是两方程模型，需要求解速度和长度尺度两个变量。标准k-з模型是通过实验得到的半经验模型。模型假设流体处于完全湍流状态且忽略分子黏性的影响，通过精确的方程推导得到湍动能输运方程，通过无力推导、数学上模拟相似原型方程得到耗散率方程，表达式如下：式中：Gb为由浮力产生的湍动能项；Gk为由平均速度梯度产生的湍动能项； 场为可压缩流体的湍流流动脉动扩张项；C1、C2、C3。为模型的经验常数；o1和o2分别为k和з的湍流Prandtl数。由于忽略分子粘性力对流动的影响，标准k-з模型适用于完全湍流流体的模拟

CFD湍流模型[ 01-23 08:05 ]

流体流动的三大守恒定律：质量守恒、动量守恒和能量守恒定律可用一个通用的微分方程表达为：其中多代表因变量，I代表时间项，II代表对流项，III代表扩散项，Ⅳ代表源项。当Φ分别等于1，u，T，k和s时，式1．20分别代表了质量、动量、能量、湍流动能和湍流动能耗散率的守恒方程。层流区域的动量守恒方程，即N-S方程为：湍流区域的动量守恒方程较层流方程增加了雷诺应力张量一项，即：本文所使用的FUJENT软件提供了多种湍流模型：标准加模型、重整化群抽模型、可实现露嵋模型、层流模型、Spalan-A11nlaras单方程模型、砌

CFD简介[ 01-22 10:05 ]

CFD进行流动和传热模拟分析的基本思想是利用一系列有限个离散点上的变量值来代替空间域上连续的物理量的场，如速度场和温度场，之后，按照流体力学原理建立这些离散点上变量之间的代数方程组，通过求解这些方程组来获得场变量的近似值。常用的CFD软件包括CFX、FLUENT、PHOENICS、STAR-CD等。CFD软件包括三个主要环节：前处理、求解过程和后处理，对应的程序模块分别为前处理器、求解器和后处理器。前处理环节是向CFD软件输入待求问题的相关数据，这个过程要借助与求解器对应的对话框等图形界面完成，一般分为以下几个步骤

流动特性[ 01-22 09:05 ]

搅拌反应釜内的流动特性包括叶轮雷诺数、搅拌功率、流体循环量和压头等。搅拌釜内的雷诺数表达式为：其中，d为桨径，Ⅳ为转速。一般认为，Rg≤10处于层流区，Re≥10000处于湍流区，10≤Re≤10000时为过渡流区。搅拌功率是流体搅拌程度和运动状态的量度，也是选择电机功率的重要依据。搅拌功率的影响因素十分复杂，主要分为几何因素和物理因素两大类，包括以下三个方面：一是搅拌器的几何参数和操作参数，包括搅拌器直径、宽度、桨叶角度、安装位置及转速等；二是搅拌釜的结构，包括内径、液高、挡板数等；三是搅

传热部件[ 01-22 08:05 ]

强放热反应过程中为了使反应温度维持在一定范围内，需要有传热部件对反应物料进行冷却。搅拌反应器内常用的传热部件有夹套、内构件、内附件以及搅拌反应器本身，其中，内构件包括横向和竖式盘管，内附件包括挡板和导流筒等。选择传热部件的一般顺序为：当夹套能够满足换热需求时，首先选择夹套，这样可以减少容器内构件，不影响釜内流体流动，不占用有效体积且易于清洗；当夹套的换热面积不够时，可增设内盘管；若换热仍达不到要求，可选用挡板或将搅拌器本身做成空心结构，内通入载热介质进行换热。夹套根据结构形式可以分为整体夹套、蜂窝夹套、半管夹套和螺

搅拌器[ 01-21 10:05 ]

搅拌器是搅拌反应釜的主要部件，它将自身机械能通过转动转化为周围流体的动能，强化反应物料的传质与传热。搅拌器的流型对搅拌效果影响很大，搅拌器的改进和新型搅拌器的开发通常都从流型着手。影响流型的因素主要有搅拌方式、容器形状、搅拌器形状等几何特征，以及流体性质转速等。对于工业上应用最多的立式圆筒搅拌釜，将产生三种基本的流型，如图所示：径向流：流体垂直于搅拌轴沿径向流动，在容器壁面处分成上下两股，再分别回到叶端，不穿过叶片形成两个循环流，见图1．2(a)。轴向流：流体平行于搅拌轴向下流动，到达容器底向上折回，形成整体循环流

搅拌反应釜结构[ 01-21 09:05 ]

搅拌反应釜主要由搅拌装置(传动装置、搅拌轴、搅拌器)、轴封和搅拌容器(简体、传热装置、附件)三大部分组成，根据安装形式可以分为立式容器中心搅拌反应釜、底搅拌反应釜、倾斜式搅拌反应釜、偏心式搅拌反应釜、卧式容器搅拌反应釜和旁入式搅拌反应釜等，其中，立式容器中心搅拌反应釜是应用最为普遍的一种。图1．1是一个典型的立式搅拌反应釜。立式反应釜釜底封头一般为椭圆形，也有平底、锥形底等，有时也可用方形釜。搅拌机包括搅拌轴、搅拌器和传动装置。传动装置包括电动机、轴承、变速器、联轴器和机架等，它的作用是使搅拌轴获得所需扭矩，以一定