一种固液两相体系中桨型组合的设计方法与流程

本申请涉及搅拌生产，尤其是涉及一种固液两相体系中桨型组合的设计方法。

背景技术：

1、高密度聚乙烯(hdpe)和超高分子量聚乙烯(uhmwpe)树脂在韧性、硬度、耐环境应力开裂和加工性能之间实现了出色的平衡，非常适合各种硬质制品的加工。其主要生产工艺包括：溶液法、气相法、淤浆法。淤浆法生产工艺反应压力低、操作条件易于控制、产品性能好，是hdpe和uhmwpe的主要生产方法。

2、以高密度聚乙烯为例，釜式淤浆聚合制备高密度聚乙烯过程中，搅拌聚合釜内物料为固液两相体系，生成的hdpe固体颗粒在釜内的悬浮状态直接影响最终hdpe产品的性能。因此，选择性能优异的搅拌桨(组合桨)至关重要。目前的淤浆法搅拌式聚合釜中应用较为广泛的是多层平直叶搅拌桨；但在实际使用过程中，高固含量工况下可能会出现由于桨叶匹配不合理会导致流场存在弱区、固含量分布不均匀，进而出现爆聚以及结成团块的现象。因此，需要对现有的桨型组合进行改进。

技术实现思路

1、本申请的其中一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中缺陷的桨型组合的设计方法。

2、为达到上述的目的，本申请采用的技术方案为：一种固液两相体系中桨型组合的设计方法，包括如下步骤：

3、s100：获取固液两相体系的搅拌槽的尺寸，以及现有的桨叶类型；

4、s200：根据固液两相体系的搅拌需求和搅拌槽的尺寸，初选出多种不同的桨型组合；

5、s300：利用仿真软件对步骤s200的不同桨型组合进行固液两相体系的搅拌模拟；

6、s400：搭建实验平台对步骤s200的不同桨型组合进行固液两相体系的搅拌实验；

7、s500：对步骤s300和步骤s400进行相互验证，并通过结合得到最佳的桨型组合。

8、优选的，在步骤s100中，桨叶的类型包括三叶后掠式搅拌桨、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨、三宽叶旋桨式搅拌桨、斜叶圆盘涡轮式搅拌桨和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨；其中，斜叶圆盘涡轮式搅拌桨的斜叶倾斜角度δ有45°和75°两种。

9、优选的，步骤s200中初选的桨型组合包括一个传统桨型组合和多个改进桨型组合；其中，传统桨型组合的桨叶均为平直叶圆盘涡轮搅拌桨；根据不同液面高度的搅拌需求，在改进桨型组合中，最底部的桨叶类型均为三叶后掠式搅拌桨，下部的桨叶类型均为抛物线圆盘涡轮式搅拌桨，中部的桨叶类型均为三宽叶旋桨式搅拌桨，上部的桨叶类型均为斜叶圆盘涡轮式搅拌桨，顶部的桨叶类型为斜叶圆盘涡轮式搅拌桨或平直叶圆盘涡轮式搅拌桨。

10、优选的，在步骤s200中，根据固液两相体系的固体含量和物料粘度，将各桨型组合中相邻两个桨叶的间距l与桨叶的直径d进行关联设计，l＝(0.9～1.1)d；桨叶的直径d与搅拌槽的直径d之间的关系为d＝(0.3～0.5)d；同时，最底部的桨叶的离底高度l′与桨叶直径d之间的关系为l′＝(0.1～0.4)d。

11、优选的，步骤s300包括如下过程：

12、s310：建立固液两相体系的搅拌数学模型，获得速度场和浓度场相关的函数；

13、s320：建立固液两相体系的搅拌三维模型，对三维模型进行网格无关性验证后于cfd仿真中进行数值模拟；

14、s330：根据不同桨型组合模拟所对应的速度场和浓度场，初选出较佳的桨型组合。

15、优选的，在步骤s310中，固液两相体系采用欧拉-欧拉双流体模型对搅拌槽内的固液两相流进行计算；计算过程为分别求解各相的连续性方程和动量方程；

16、其中，连续性方程为：

17、液相动量守恒方程：

18、

19、固相动量守恒方程：

20、

21、式中，αi为i相的体积分数；ρi为i相的密度(kg/m3)；ui为i相的速度(m/s)；i代表i相(l为液相，s为固相)；p为全部相所受压力(pa)；ps为固相压力(pa)；ksl为固液两相间动量传递系数(kg/s)；τ为切应力张量(n/m2)；g为重力加速度(m/s2)。

22、优选的，在固液两相体系的相互作用中，忽略虚拟质量力和升力，计算占主导地位的曳力；则固液两相间的动量交换方程为：

23、

24、其中，cd为曳力系数；

25、res为雷诺数；

26、式中，μl为液相粘度(kg/(m·s))，ds为固相颗粒直径。

27、优选的，步骤s330包括如下具体过程：

28、s331：根据固相体积分数云图分析各桨型组合对应的搅拌混合均匀程度；

29、s332：根据固相颗粒速度云图和速度矢量云图分析各桨型组合对应的流场均匀程度；

30、s333：结合步骤s331和s332的分析结果，初选出较佳的桨型组合。

31、优选的，步骤s400的实验过程如下：

32、s410：对不同桨型组合的搅拌功率进行检测，得到不同桨型组合在不同转速下对应的搅拌功率；

33、s420：对搅拌槽的不同高度位置进行浓度取样检测，得到所有检测位置的浓度都满足要求时各桨型组合对应的最低搅拌速度；

34、s430：根据步骤s410和s420的结果，并结合仿真模拟的结果，得到最佳的桨型组合。

35、优选的，转速的实验范围为100r/min～450r/min；浓度检测以取样点的固含率αs与平均固含率αavg的比值αs/αavg来进行表示；则取样点达到浓度需求时αs/αavg对应的取值范围为0.95≤αs/αavg≤1.05。

36、与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

37、针对传统多层平直叶搅拌桨进行改进得到多种桨型组合，并通过仿真模拟和实验模拟的方式对各桨型组合的混合性能和流场性能进行分析，根据分析结果可以得到固液悬浮效果更好、高效节能的桨型组合，以提高聚合釜的生产效率。

技术特征：

1.一种固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：

2.如权利要求1所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：在步骤s100中，桨叶的类型包括三叶后掠式搅拌桨、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨、三宽叶旋桨式搅拌桨、斜叶圆盘涡轮式搅拌桨和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨；其中，斜叶圆盘涡轮式搅拌桨的斜叶倾斜角度δ有45°和75°两种。

3.如权利要求2所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：步骤s200中初选的桨型组合包括一个传统桨型组合和多个改进桨型组合；

4.如权利要求3所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：在步骤s200中，根据固液两相体系的固体含量和物料粘度，将各桨型组合中相邻两个桨叶的间距l与桨叶的直径d进行关联设计，l＝(0.9～1.1)d；桨叶的直径d与搅拌槽的直径d之间的关系为d＝(0.3～0.5)d；同时，最底部的桨叶的离底高度l′与桨叶直径d之间的关系为l′＝(0.1～0.4)d。

5.如权利要求1所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于，步骤s300包括如下过程：

6.如权利要求5所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：在步骤s310中，固液两相体系采用欧拉-欧拉双流体模型对搅拌槽内的固液两相流进行计算；计算过程为分别求解各相的连续性方程和动量方程；

7.如权利要求6所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：在固液两相体系的相互作用中，忽略虚拟质量力和升力，计算占主导地位的曳力；则固液两相间的动量交换方程为：

8.如权利要求5所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于，步骤s330包括如下过程：

9.如权利要求1-8任一项所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于，步骤s400的实验过程如下：

10.如权利要求9所述的固液两相体系中桨型组合的设计方法，其特征在于：转速的实验范围为100r/min～450r/min；浓度检测以取样点的固含率αs与平均固含率αavg的比值αs/αavg来进行表示；则取样点达到浓度需求时αs/αavg对应的取值范围为0.95≤αs/αavg≤1.05。

技术总结
本申请公开了一种固液两相体系中桨型组合的设计方法，步骤如下：获取固液两相体系的搅拌槽的尺寸，以及现有的桨叶类型；根据固液两相体系的搅拌需求和搅拌槽的尺寸，初选出多种不同的桨型组合；利用仿真软件对各桨型组合进行固液两相体系的搅拌模拟；搭建实验平台对各桨型组合进行固液两相体系的搅拌实验；对仿真和实验的结果进行相互验证，得到最佳的桨型组合。本申请的有益效果：针对传统多层平直叶搅拌桨进行改进得到多种桨型组合，并通过仿真模拟和实验模拟的方式对各桨型组合的混合性能和流场性能进行分析，根据分析结果可以得到固液悬浮效果更好、高效节能的桨型组合，以提高聚合釜的生产效率。

技术研发人员：谢明辉,赵阳,吕世军,李帅亮,刘肖肖,吴亮,荆万仓,周国忠
受保护的技术使用者：浙江长城搅拌设备股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15