SK静态混合器内停留时间分布的影响因素分析_金丹

第3期
金 丹等. SK 静态混合器内停留时间分布的 影响因素分析
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构, 采用计算流体力学( CFD) 技术首先对气流在复 杂结构下的流动分配、流型和停留时间分布进行了 详细的模拟, 并考察了操作参数和结构设计对流场 和停留时间分布的影响。随着实验技术和实验手段 的创新, 越来越多的学者致力于 RT D 的实验研究。 John T 等[ 4] 采用实验和模拟相结合的方法 研究了 微通道中的混合行为, 通过停留时间分布的概念对 混合行为进行了分析。张先明等[ 5] 运用双探头在线 荧光测量装置研究了螺杆转速和喂料量对部分和全 局停留时间分布的影响, 并用去卷积方法得到局部 停留时间分布。严超宇等[ 6] 采用脉冲磷光颗粒示踪 法, 对内混式石油焦燃烧器烧焦管内固体颗粒的停 留时间进行了实验测试, 分析了烧焦管内固体颗粒 的扩散特性, 并对颗粒扩散行为建立了径向扩散模 型和轴向两组分叠加模型。K eshav T R 等[ 7] 对静 态混合器内 RT D 进行 了研究。但总的来说对 SK 静态混合器内各截面 RTD 的研究仍以模拟为 主[ 8] 。
Fig. 1 Sketch of experiment 图 1 实验流程
1. 3 实验设计
根据正交实验原理[ 9] , 采用混合型正交表进行
正交实验设计, 考查截面位置( A ) 、管径( B ) 、流速
( C) 和旋片排列方式( D ) 4 个因素对 RT D 的影响。
实验条件如表 1 所示。因素 A : A 1 为截面 1, A 2 为
截面 2, A 3 为截面 3, A 4 为截面 4; 因 素 B : B1 = 40
m m, B2 = 80 mm ; 因素 C: C1 = 0. 02 m/ s, C2 = 0. 05
m/ s; 因素 D : D1 为 2 个元件 1 个左旋 1 个右旋排
列, 共 4 组, D 2 为 4 个元件 2 个左旋 2 个右旋排列,
文章编号: 1006- 396X ( 2011) 03- 0070- 05
V ol . 2 4 No . 3 Jun. 2011
SK 静态混合器内停留时间分布的影响因素分析
金 丹, 付海玲, 吴剑华* , 孙 丹
( 沈阳化工大学机械工程 学院, 辽宁沈阳 110142)
摘 要: 采用脉冲示踪法对 SK 静态 混合器内停留时间进行了 实验测试, 设计 混合正 交实验 并且采 用极差 分
实验流程见图 1。水由离心泵从水槽中抽出, 经转子流量计记录流量, 实验在保持流量和室温稳 定的情况下进行。实验时在入口处瞬时注入 N aCl 水溶液, 连续测定流体电导率随时间的变化, 经电导 率仪转换为电压信号。液体的浓度与电压值之间呈
线性关系, 因此, 记录的 V - t 曲线相当于示踪剂浓 度随时间变化的 RT D 曲线。由于自来水中含有较 高离子浓度, 事先标定自来水的初始电导率。电导 率仪通过数据采集卡与计算机连接, 由数据采集软 件控制数据采集过程, 并实时绘图, 动态直观的显示 数据采集过程。
共 2 组, 相邻混合元件呈 90 。
平均停留时间和方差是用于描述 RT D 的两个
基本统计特征参量, 另一特征参量为变异系数。变
异系数表征相对分散程度, 其值越小, RT D 曲线分
布越窄, 分布接近平均停留时间, 混合效果好。由平
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
均停留时间 t、无因次方差 2、变异系数 Co V 计算公
式:
n
n
JIN Dan, F U H ai- ling , WU Jian- hua* , SU N Dan
( School of M echanical E ng ineer ing , S heny ang Univer sity of Chemical T echnology , S heny ang L iaoning 110142, P. R. China)
1 实验部分
1. 1 实验方法 本文采用 刺激- 响应 技术对混合器多截面的
停留时间分布进行测定, 实验介质为自来水。并针 对湍流状态进行研究, 为减小实验误差, 每个实验条 件下进行 6 次平行实验, 取平均值作为实验结果。 1. 2 实验装置及流程
本文采用有机玻璃制成的 SK 型静态混合器, 尺寸分别为内径 D i = 40 mm, 长度 L = 750 mm 和 内径 D i = 80 m m, 长度 L = 1 300 mm。混合元件的 长径比为 R= 1. 5, 相邻两个混合元件成 90 排列, 针 对 4 对混合元件进行测量。每对混合元件后放置电 导率仪探头, 4 组电导率仪同时监测 4 个面的停留 时间。
析方法研究各因素对停留时间分布的影响。结果表明, 影响 平均停留时间 的各因素 大小依次为 流速、管径、截面、旋
片排列方式; 影响方差 的各因素 大小依次为 管径、截面、流速、旋片排列 方式。从停留 时间分布曲 线中可以看 出, 在
相同流速和直径下, 沿着轴线方向, 静态混合 器内流 动趋于活 塞流。采 用幂函 数形式 对混合 元件数、管径 及流速 等
sk静态混合器内停留时间分布的影响因素分析71构采用计算流体力学cfd技术首先对气流在复杂结构下的流动分配流型和停留时间分布进行了详细的模拟并考察了操作参数和结构设计对流场和停留时间分布的影响
第 24卷 第3期 2011 年 6 月
石油化工高等学校学报 JO U RN AL O F P ET ROCH EM ICAL U N IV ERSIT IES
N o.
A
1
CS 1
2
CS 1
批博士后基金项目( 20100480649) 。 * 通讯联系人。
有流程简单、结构紧凑、能耗低和特别适用于难混合 的连续工艺过程等优点[ 1- 2] 。
停留时间分布是描述静态混合器中流体流动情 况的一个重要量。通过停 留时间分布( RT D) 情况 可了解实际反应器内的流动状况及设备的性能, 改 善反应器的操作性能, 提高反应器的生产能力, 降低 反应过程中的消 耗, 提高 反应的转化率和 选择性。 张学佳等[ 3] 针对含新型内构件的复杂填充床内部结
本文以 NaCl 溶液作为示踪剂, 结合脉冲示踪 法, 设计混合正交实验考查管径、流速、截面位置及 旋片排列方式对平均停留时间和方差的影响, 得到 各条件下的 RT D 曲线, 采用极差分析方法对 结果 进行讨论。以内径 D i = 80 mm 的 SK 静态 混合器 为例, 进行不同流速下的 RT D 实验, 并对曲线特征 进行了分析。采用幂函数形式, 对各因素对平均停 留时间的影响进行了量化研究。
中图分类号: T Q051. 7
文献标识码: A
doi: 10. 3696/ j. issn. 1006- 396X. 2011. 03. 017
A nalysis for the Effect of Factors on Residence T im e Dist ribution in K enics St atic M ix er
对平均停留时间的影响进行了量化分析, 并针对 D i= 40 mm 的静态混合器对此幂函数的正 确性进行了验证, 平均 误
差为 12% 。在较低流速下, 由于 壁流 的影响靠近混合 器入口处方差值偏大。总的来说, 方 差分析结果 与停留时 间
分布曲线分析结果相一致。
关键词: 静态混合器; 停留时间分布; 流 速; 活塞流; 幂函数
静态混合器依靠本身的压降作为能源, 对反应 物系进行反复 切割 、剪切 及 旋转 等作用, 加快 了反应速度。与搅拌器之类的动态混合器相比, 具
收稿日期: 2011- 04- 26 作者简介: 金丹( 1976- ) , 女, 辽宁台安县, 副教授, 博士。 基金项目: 辽宁省高等学校创新团 队项目( 2008T 158) ; 第 48
Receiv ed 26 A p r il 2011; r ev ised 9 J une 2011; accep ted 15 J une 2011
Abstract: T he ex per iment s o f residence time distr ibution in SK st at ic mixer wer e done by using the pulse tr acer method. T he effect o f different facto rs on r esidence time distributio n was ev aluated based on mix ed or thog onal ex periments. T he results o f range analy sis sho wed that the facto rs impacting the mean residence time wer e velocity , diameter , cross sectio n, and arr ang e mode o f element s in turn; but for var iance the facto rs w ere diameter, cr oss sectio n, velocity , and ar range mode of elements in tur n. F rom the compariso n o f residence time distr ibut ion cur ves, the flo w in t he static mixer tended to be plug flo w alo ng the axial direction at the same velocit y and diameter . T he quantization analy sis, the effect o f factor s on the mean r esidence time, was done by using t he po wer funct ion co nsidering the number s o f mix er element, diameter and v elocity, and so on. T he validity of this functio n was testified by the ex per iment r esults of Di = 40 mm and the mean err or w as 12% . T he v ariance v alue w as lar ger at lo wer f low r ate due to the wall flow . T he r esults of the var iance analysis ag reed w ith the prev ious analysis o f residence time distr ibution curv es. Key words: Stat ic mix er; R esidence t ime dist ributio n; Velocit y; P lug flow ; Pow er funct ion * Co rr esponding author . T el. : + 86- 24- 89388221; e- mail: jianhuawu@ 163. com
tiE ( ti )
tic( ti )
t=
i= 1 N
= i= 1 N
( 1)
E( t i )
i= 1
c( t i )
i= 1
2=
2 t
/
t2
=
2 E( ) d - 1
( 2)
0
CoV = / t
( 3)
依据上述实验结果, 得到相应的 t , 2 和 CoV , 如表 1
所示。
2 结果与讨论
2. 1 极差分析 依据表1, 对影响各因素水平的平均效果计算
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石油化工高等学校学报
第 24 卷
如下: k1A = 26. 649 8, k2A = 40. 370 8, k3A = 54. 776 5,
k4A = 60. 796 1; k1B = 72. 449 7, k2B = 110. 143 8; k1C
= 134. 735 2, k2C = 47. 858 0; k1D = 89. 269 3, k2D = 93. 323 9。