用于调整分散喷嘴的几何形状的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于根据借助分散喷嘴(10)在分散外相中分散的内相所需要的参量分布调整分散喷嘴(10)的几何形状的方法，具有步骤：a)从分散喷嘴(10)的预定的几何形状出发：计算剪切应力率S和在相之间的相对速度v0；b)由步骤a)中计算的参量：根据关系式Rb＝(2σ/CSρLSv0)1/2为分散内相确定至少一个局部最大稳定半径，其中σ是分散内相的表面应力，Cs是分散内相在分散外相中的摩擦系数并且ρL是分散外相的密度；c)确定局部最大稳定半径在分散喷嘴(10)的横截面(20，22，24)上的分布；d)在横截面(20，22，24)的至少一个区域内超过预定最大稳定半径时：改变分散喷嘴(10)的几何形状，使得至少部分区域地达到相的更高剪切应力率S和/或更高相对速度v0。
【专利说明】用于调整分散喷嘴的几何形状的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于根据借助分散喷嘴在分散外相(dispergierenden Phase)中分散的内相(dispergierten Phase)需要的参量分布来调整分散喷嘴的几何形状的方法。
【背景技术】
[0002]互不可溶的或者仅部分地互溶的材料的分散，例如液体中的气体或者制造油水乳状液、为生物和化学的反应器充气及诸如此类是许多工业过程的重要组成部分。特别地，这些用于多相混合地制造的过程是食品工业、化学、制药工业、石油化学和矿业中(在浮游选矿过程中)必要的关键过程。这要求在有部分极大的体积流量和质量流量时制造小型的且最小的气泡或液滴，由此耗费了可观的能量。
[0003]特别是在所有的应用中，都需要制造具有受控尺寸的分散内相，以便获得所期望的分散/乳化性能。
[0004]根据当今的现有技术，对于分散应用不同构造类型的分散喷嘴，在分散喷嘴中使得要分散的相进行高强度的充分混合。在该喷嘴中，为了充分混合该状态，通过使具有高剪切速率的区域交替地与具有集中涡流的区域相组合来实现分散。
[0005]在此，根据经验式规律实现喷嘴的设计，因为迄今不存在关于在这种布置中形成气泡和液滴的完整理论。经验的和半经验式方法,例如通过液体中的气泡的关键韦伯数来计算最大稳定的气泡尺寸，仅能够极受限制的且在狭窄的参数范围内应用。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的目的是，提供一种开头所述类型的方法，该方法使得能够特别可靠地调整分散喷嘴，从而能够特别可靠地设定借助分散喷嘴制造的分散的期望气泡或液滴尺寸。
[0007]该目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。
[0008]在这种用于根据借助分散喷嘴在分散外相中分散的内相所需要的参量分布来调整分散喷嘴的几何形状的方法中，首先从分散喷嘴的预定几何形状出发计算相之间剪切应力率S和在的相对速度V(l。剪切应力率在此理解为剪切应力经过分散内相的液体或气泡的变化过程。对于以线性的速度梯度流动的介质而言，S在此等于流动介质在液滴的伸展上的速度差与液滴的直径的商。
[0009]然后，基于分散喷嘴中如此表征的流动表现，根据以下关系式为分散内相确定至少一个局部最大稳定半径
[0010]Rb = (2 O /Cs P LSv0)1/2
[0011]其中，σ是分散内相的表面应力，Cs是分散内相在分散外相中的摩擦系数，并且P L是分散外相的密度。
[0012]已证实，与从现有技术中公知的韦伯数相反，如此求得的最大半径使得能够明显更好地估算分散表现。由此能够明显更准确地设定分散喷嘴的性能。
[0013]为了分析在整个分散喷嘴上的分散性能，此时求得局部最大稳定半径在分散喷嘴的横截面上的分布-这也基于上面给出的关系式和开头求得的在喷嘴中的流动表现。
[0014]在于横截面的至少一个区域中超过预定最大稳定半径时，最终如下地改变喷嘴的几何形状，使得至少部分区域地达到更高的剪切应力率S和/或相的更高的相对速度V(l。
[0015]由此，以简单并准确的方式获取了一种几何形状，其适合在运行这种分散喷嘴时设定所期望的分散性能。
[0016]在此适宜，在步骤a)中基于数字的流动模型执行对流动表现的计算。这种也公知为计算流体动力学模型(computat1nal-fluid-dynamics-Modelle CFD)的方法，使得能够以恰当的计算耗费获得分散喷嘴中的流动参数的足够详尽的图像。为了特别准确地确定流动表现，在此适宜，也将相的局部充分混合度加入到计算中。
[0017]此外，通过利用分散内相的局部份额的对于局部最大半径分布的加权平均还能够实现进一步改善了的准确度。
[0018]当在步骤d)中改变分散喷嘴的几何形状之后一直迭代执行步骤a)至d)，直到在横截面的任何区域内都不超过预定最大稳定半径时，能够特别可靠地优化分散喷嘴。通过这种迭代调整，以最简单的方式确保了分散喷嘴具有满足所提要求的几何形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面借助附图更详尽地阐述本发明及其实施方式。其示出:
[0020]图1:分散喷嘴的剖面示意图；
[0021]图2:分散喷嘴中的分散介质的液滴周围的流动表现的示意图；
[0022]图3:对于不同的局部剪切应力率和不同模型而言的在流动速度和分散液滴的最大稳定半径之间的相关性图表；
[0023]图4:在同时不出不同的实际分散喷嘴的工作点时,对于不同的局部剪切应力率而言的在流动速度和分散液滴的最大稳定半径之间的相关性图表；
[0024]图5:剪切应力率在分散喷嘴的横截面上的分布图；
[0025]图6:流动速度在分散喷嘴的横截面上的分布图；
[0026]图7:最大稳定半径在分散喷嘴的横截面上的分布图，以及
[0027]图8:最大稳定半径在根据图7的分散喷嘴中的不同的径向截面平面上的分布图。
【具体实施方式】
[0028]正如图1中示意性示出的分散喷嘴10中，液体流12与气流14混合。通过使液体流12中的和现有的涡轮区16中的速度梯度相组合，使得气流破裂成气泡18。
[0029]在此，如图2所示,在最大速度Vniax、平均相对速度Vtl和最小速度Vniin之间的速度梯度作用到每个气泡18上。此外，通过气泡的表面应力σ、起始的气泡半径Rb、液体密度Pi和气体密度P 8确定气泡18的属性，其中气体密度通常可忽略。
[0030]由这些参量能够确定，具有预定半径的气泡18是否稳定，或者基于剪切力而分成更小的气泡。
[0031]对于具有线性的速度梯度的气泡，剪切应力率S由此获得
[0032]S = (Vmax-V0) /Rb = (V0-Vmin) /Rb = Δ v/Rb(I)。
[0033]在基本静态的平衡状态中，在气泡18上的压差由此产生
[0034]Δρ = σ (Rfflin-^Rffla;1)(2)
[0035]其中，Rmin和Rmax描述了椭圆状的气泡18的短主轴和长主轴。在假设气泡18不可压缩的情况下，在气泡18的有流体以速度Vmax作用到的一侧上得到最大作用压力Pmax
[0036]Pfflax= 1/8.P1Cs* (RbS+2v0)2(3)
[0037]其中，Cs是半径为Rb的球体的摩擦系数。类似地能够确定最小作用压力，从而气泡18上的压差Λ P由
[0038]Δρ = CsP !SRbVtl(4)
[0039]产生，从中所产生的力也能够由
[0040]Fb = Cs P !SRbV0A(5)
[0041]获得。在假设气泡初始为球形的情况下，面A是作用横截面，从而力由
[0042]Fb = Cs P XSV0Rbjlin3V0 π(6)
[0043]获得。Rb min在此是气泡18因为流动而变形时的最短半轴。
[0044]在过渡状态中，其中气泡18暂时因为压力而变形，假设气泡18首先为扁球形。通过激发了形状振荡，气泡18在此可能变得不稳定，并且只要流体的接触面积超过关键面积
[0045]Acrit = R2b crit π(7)
[0046]气泡就能破裂成更小的气泡。关键半径在此能够由
[0047]R2b crit ^ I.44Rb 0(8)
[0048]来估算，其中，Rb』是初始的气泡半径。因此，关键横截面积由此来获得
[0049]Acrit ^ 1.44 Rb q π(9)
[0050]在最大程度稳定的气泡18中，此时力平衡
[0051]Fb = Cs P XSRbV0Rb3V0 π = Fst = 2 π σ Rb(10)
[0052]存在于由流体施加的力Fb和表面力Fst之间。因此,对于气泡18的最大稳定半径Rb而言有
[0053]Rb = [ (2 σ ) / (Cs P !Sv0) ]1/2(11)。
[0054]在图3中，与相之间的相对速度相关地绘出了对于不同的局部剪切应力率的等式11的解答。相反地，由虚圆所标记的函数给出了一种相关性，其由基于现有技术中公知的对于关键韦伯数4，7的半经验式方案获得(Hinze等著，Α.1.Ch.E Journal Vol.1，第3号，第289-295 页)。
[0055]在此能够明显识别出，上述的非经验式方案对于气泡18的最大稳定半径提供了明显不同的值。特别是对于高的流速，半经验式方案在此预测了小到不现实的气泡半径，该气泡半径不能得到实验性的确认。然而，这种几m/s到几十m/s的速度对于工业分散喷嘴有特别的意义。
[0056]在图4中，对于实验室尺度的分散喷嘴和采矿业中使用的工业浮选室的分散喷嘴而言的典型运行参数与已经在图3中示出的图表重合。应明显识别出，这些运行点位于半经验式方案已经不再预测肉眼可见的气泡的范围内。
[0057]在所述工作点中，在这种分散喷嘴中实际观察到的气泡半径在0.6到Imm内，这良好地与根据图4算出的值一致。在实验中还能够观察到，在气体含量为5-15%时，在喷嘴出口处形成额外的明显更小的气泡。这能够通过局部极其不同的剪剪切应力率和喷嘴横截面上的流速来解释。在图5和图6中示出了这些参量及其在喷嘴上的局部分布的数字计算。应识别出，特别是在靠近墙的区域中和在喷嘴出口处达到了直至3000s—1的剪切应力率S和直至25m/s的速度vQ。
[0058]如图7中所示，由如此计算的剪切应力率和速度能够为分散喷嘴10的单个区域基于等式11计算对于气泡18相应有效的最大稳定半径。此外在图8中，针对分散喷嘴10的三个剖面20，22，24在曲线26，28，30中还绘出了局部最大稳定的气泡半径的相应的径向变化过程。
[0059]这些曲线的局部最大值又与实验测定的值0.6-1_很好地一致。
[0060]基于所描述的对分散喷嘴中的流动表现的数字模拟和根据等式11对局部最大稳定半径的计算，能够使分散喷嘴的几何形状最优化。
[0061]为此，首先以所描述的方式借助数字的流体动力学模拟，为分散喷嘴10的预定几何形状和预定的工作参数，例如质量流、体积流或诸如此类，计算局部的剪切应力率S的分布、相的相对速度Vtl的分布、以及局部的充分混合度的分布。由等式11能够从中确定局部最大半径的分布。在对局部的分散物质份额进行加权平均以后，此时能够求得所穿流过的分散喷嘴10的横截面上的气泡或液滴尺寸的分布。
[0062]如果该分布偏离于气泡或液滴尺寸所需要的分布，那么如下地改变分散喷嘴的几何参数，使得在分散喷嘴10的重要部分中所算出的液滴或气泡半径太大时，实现更高的剪切应力率和/或更高的相对速度。
[0063]基于新预设的喷嘴几何形状，能够一直迭代地重复该过程，直至获得了产生液滴或气泡半径的所期望的分布的喷嘴几何形状。
[0064]由此能够以快速且可靠的方式迭代地优化分散喷嘴10。
【权利要求】
1.一种用于根据借助分散喷嘴(10)在分散外相中分散的内相需要的参量分布来调整所述分散喷嘴(10)的几何形状的方法，具有以下步骤: a)从所述分散喷嘴(10)的预定的几何形状出发:计算相之间的剪切应力率S和相对速度vQ; b)由步骤a)中算出的参量:根据关系式Rb=(2o/CsP JV(I)1/2为分散的所述内相确定至少一个局部最大稳定半径， 其中，σ是分散的所述内相的表面应力，Cs是分散的所述内相在所述分散外相中的摩擦系数，并且P L是所述分散外相的密度； c)确定所述局部最大稳定半径在所述分散喷嘴(10)的横截面(20，22，24)上的分布； d)在所述横截面(20，22，24)的至少一个区域内超过了预定最大稳定半径时: 改变所述分散喷嘴(10)的所述几何形状，使得至少区域地达到所述相的更高的剪切应力率S和/或更高的相对速度V。。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中的计算基于数字的流动模型来完成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)中还计算了所述相的局部的充分混合度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中基于分散的所述内相的局部份额对所述分布进行加权。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在于步骤d)中改变了所述分散喷嘴(10)的所述几何形状以后，迭代地执行所述步骤a)至d)，直至在所述横截面(20，22，24)的任何区域内都不超过所述预定最大稳定半径Rb。
【文档编号】B01F3/08GK104379245SQ201380029345
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年6月4日
【发明者】维尔纳·哈特曼, 索尼娅·沃尔夫鲁姆, 罗伯特·弗莱克 申请人:西门子公司