液體噴射混合技術研究

張曉歡

摘 要：針對傳統機械攪拌設備中存在的不足，該文提出了一種新型的液體噴射混合技術，即采用液體循環流代替工業機械攪拌。以水和沙子為例，對液體噴射混合進行了初步研究。研究發現，當液體噴口角度向下時，液體攪拌具有良好的混合效果，其混合時間不超過4s；同時，通過固-液懸浮實驗可知，液體攪拌具有很好的固液懸浮效果，尤其當噴口角度在120°～135°內時，具備較佳混合效果；以上實驗證明了液體攪拌技術具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替傳統的機械攪拌技術，具有很好的工業應用前景。

關鍵詞：液體噴射 機械攪拌 混合時間 懸浮高度

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0101-02

混合操作廣泛應用于化工、石油、食品、水處理、冶金等行業，是應用最廣泛的化工單元操作之一，尤其以化學工業中應用最為廣泛[1-3]。

目前為止，化工工業中的混合設備中主要以機械攪拌為主。一般說來，機械攪拌可以通過合理的選擇攪拌葉輪以達到不同的工藝混合要求，所以，其涵蓋的工業范圍很廣，尤其是液-液、氣-液和固-液等液體混合工藝，幾乎都涉及機械攪拌設備[5-6]。

但是，機械攪拌設備結構比較復雜。而且，機械攪拌主體結構在運輸以及裝置運行過程中易損壞，需要經常停車檢修以替換零件，難以實現裝置持續、穩定、安全地運行。因此開發一種合理利用回流液體的噴動混合技術具有很好的應用前景。

1 實驗裝置及材料

實驗研究對象中水的密度為1 000 kg/m，沙子的物性如表1所示。

裝置示意圖如圖1所示，底部為平面，液位高度500mm，噴口直徑為14mm，噴口的離底高度為50mm。液體噴入總體流量為8m3/h，每個噴口的速度為4.2m/s。

2 混合時間測量原理和模擬方法

2.1 混合時間測量原理-pH法

混合時間的檢測通常是局部注入具有相同流動性質但不同檢測性質的物質，如溫度、顏色、電導率、pH等，然后利用測量裝置檢測這些介質均勻遍及整個體系所需的時間[4]。結合該實驗條件，該文采用pH法測定混合時間。

pH法的測量方法如下：先在在容器內部插入pH傳感器，待內部流場穩定后在液面加入示蹤劑NaOH溶液，利用pH傳感器記錄pH值隨時間的變化規律，待pH值趨于穩定時的時間即為混合時間。

2.2 CFD模擬

該文利用FLUENT 12.0 商用軟件，結合標準k-ε雙方程湍流模型，對反應器內的固-液混合效果進行數值模擬。反應器內流體為固-液兩相操作，物性參數具體見表1。計算模型以設備整個流體域為計算域進行網格劃分。流體入口采用速度進口邊界條件，入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強度I（I取5%）；出口采用自由出口邊界；固壁采用無滑移固壁條件并采用標準壁面函數處理。采用有限體積法對控制方程進行離散，分離式求解器求解，壓力和速度的耦合采用SIMPLE 算法，利用歐拉-歐拉模型計算多相流模型，對流項的離散使用一階迎風差分格式。模擬計算中，收斂殘差設定為10-4，計算直至收斂。

3 結果與討論

3.1 混合時間測量

在該混合時間測量實驗中，以單相液態水為例，液位高度為300mm，噴口離底高度為100mm，考察的噴口角度的范圍為30°～150°，共9個角度，其角度分布如圖2所示，利用pH法測量混合時間，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著噴口角度的增加，混合時間呈現先增加后減少的趨勢，尤其當噴口角度為105°～135°時，其混合時間不超過4s，具有較好的混合效果；同時，我們注意到，當噴口角度30°～90°，即液體向上噴動，其混合時間大大高于向下噴動所需要的時間，特別當角度為30°時，混合時間為5.5s。這是因為，當液體向上運動時，反應器內的流體主要以頂端循環流為主，而底部液體的運動則很容易形成流動死區。正是因為這種流動死角的存在，大大增加了底部流體混合所需要的時間，從而影響了整個反應器內的混合過程，而下噴的流體就不存在這一問題，所以具有較好的混合效果。

由此可知，上噴的流體極易形成底部流動死角，所以在工業應用中盡可能地摒棄這一操作工藝，采用具有良好混合效果的向下噴動形式。

3.2 固-液懸浮高度

固-液懸浮高度作為釜式反應器中的基本參數，代表了固體粒子在釜內的軸向分布，經常用于測量固體粒子懸浮程度。它的大小直接反應了釜內固-液混合效果的好壞。本節采用實驗與CFD模擬相結合的方法對液體攪拌的固-液懸浮高度進行研究。

根據3.1節的實驗結論，向下的噴口設置具備更佳的混合效果，所以，懸浮高度研究所考察的噴口角度范圍為90°～150°，液位高度為300mm，噴口離底高度為100mm，固體材料為沙子，體積含量V/V為13.3%，以固體懸浮高度與液位高度的比值H/H作為固液懸浮的標準高度，物性參數見表1所示，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著噴口角度的增加，固液懸浮高度呈現先增大后減小的過程，當噴口角度為120°～135°，具有較佳的固液懸浮效果，尤其當角度為135°時，混合效果最佳，其懸浮高度為0.91。因此，不管是CFD模擬還是實驗過程都進一步說明了通過設置合理的噴口角度可以達到固液兩相的均勻混合。

4 結語

針對傳統機械攪拌設備中存在的不足，該文提出了一種新型的液體噴射混合技術，即采用液體循環流代替工業機械攪拌。以水和沙子為例，對液體噴射混合進行了初步研究。研究發現，當液體噴口角度向下時，液體攪拌具有良好的混合效果，其混合時間不超過4s；同時，通過固-液懸浮實驗可知，液體攪拌具有很好的固液懸浮效果，尤其當噴口角度在120°～135°內時，具備較佳混合效果；以上實驗證明了液體攪拌技術具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替傳統的機械攪拌技術，具有很好的工業應用前景。

參考文獻

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[2] 陳慶鈴.醋酸生產技術與市場前景[J].化工技術經濟，2001（6）：23-26.

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[6] Nienow.A.W， Suspension of solid particles in turbine-agitated， baffled vessels[J].Chemical Engineering Science，1968（23）：1453-1459.