多室连续混合设备工艺参数对混合能的影响.pdf

第 50 卷 第 3 期2023 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:金文强,陈松,谢中元,等.多室连续混合设备工艺参数对混合能的影响J.北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):109-117.JIN WenQiang,CHEN Song,XIE ZhongYuan,et al.Influence of the process parameters of a multi鄄chamber continuousmixing equipment on the mixing energyJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2023,50(3):109-117.多室连续混合设备工艺参数对混合能的影响金文强摇 陈摇 松*摇 谢中元摇 魏宗亮摇 秦摇 能(西安近代化学研究所,西安摇 710065)摘摇 要:为了建立适用于多室连续混合设备的系统性设计方法,采用数值计算与高聚物黏结炸药(PBX)模拟料实验相结合的方法对单室容积为 2郾 5 L 的多室连续混合设备的混合加强室进行工艺参数(投料速度、桨叶转速)响应分析,得到单位体积混合能与各输入参数之间的关系,并通过实验验证了以单位体积混合能作为混合能力评价指标的多室连续混合设备的设计方法。结果表明:平均扭矩的仿真值与实验值的最大偏差不超过 15%,所建立的模型能够较好地反映平均扭矩随工艺参数的实际变化规律;设备所提供的单位体积混合能总量随桨叶转速的增加而增大,随投料速度的增加而减小,随混合室数量的增加而增大,随药浆密度的增加而增大;实验中各工况的混合质量排序与单位体积混合能的排序吻合较好,单位体积混合能越大,混合终产物的混合质量越好;当投料速度为 20kg/h,桨叶转速为45 r/min 时,单位体积混合能为 32 562 J/L,混合终产物中铝粉含量的偏差在 1%以内,满足 PBX的工业要求。基于单位体积混合能的混合能力评价指标能够指导多室连续混合设备的结构设计与工艺参数选择,可以为后续不同量级设备的设计提供依据。关键词:连续混合设备;工艺参数;投料速度;桨叶转速;数值仿真;单位体积混合能中图分类号:TQ051郾 7摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2023.03.013收稿日期:2022-08-25第一作者:男,1997 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:引摇 言多室连续混合设备是一种由多个独立运转而又相互连通的卧式混合单元组合而成的连续化混合设备,与传统的立式、卧式混合设备相比,这种设备最大的优点在于能够实现物料的连续化混合,即通过多对桨叶的异向转动将物料逐渐混合均匀的同时实现对物料的横向输送。目前,国内对多室连续混合设备的相关研究极少,相关成果鲜有公开。朱宏亮等1设计了一种卧式连续捏合机,能够实现连续混合作业,但该连续捏合机并未应用于含能材料领域。杨治林等2采用 ProCAST软件模拟了一种多腔连续捏合机水浴温控系统的传热过程,并优化了其结构。刘晶等3针对火炸药连续高效制造过程中存在的问题,对多室连续混合工艺进行了系统的论证和研究,建立了多室连续混合工艺模型,揭示了多室连续混合设备在混合过程中流场特性参数的动态变化规律。然而,目前多室连续混合设备尚未形成系统的设计方法,并且在设计上较为依赖经验,难以将设备的性能提升至最佳。建立系统的设计方法需要研究多室连续混合设备的输入量与混合能力之间的对应关系。影响多室连续混合设备性能的参数主要包括结构参数和工艺参数,对于桨叶这类复杂型面而言,改变其结构参数会对设备整体结构产生影响,从而产生较高的研究成本。因此,可以考虑先从工艺参数入手,通过改变工艺参数获得不同工况下的设备参数,初步建立起输入量与混合能力之间的定量关系。混合设备工艺参数的研究手段包括数值仿真和实验研究,数值仿真可以减少实验次数和成本,实验研究可以对仿真结果进行验证4-6。在搅拌与混合设备领域,常用单位体积混合能作为设备混合能力的评价指标,即在混合物料相同的前提下,设备对单位容积的物料所提供的能量越多,其混合能力越强,终产物的混合质量越好。这一指标也常常作为混合设备放大设计中的参考量,用于指导大型混合设备的设计7。单位体积混合能可通过混合功率进行计算,混合功率又与桨叶所受的扭矩直接相关,因此研究单位体积混合能首先应对设备的混合功率和扭矩进行分析8。为了建立适用于多室连续混合设备的设计方法,本文采用数值计算与高聚物黏结炸药(PBX)模拟料实验研究相结合的方法,对单室容积为 2郾 5 L的多室连续混合设备的混合加强室进行了工艺参数(投料速度、桨叶转速)响应分析,得到单位体积混合能与各输入参数之间的关系,并验证了以单位体积混合能作为混合能力评价指标的多室连续混合设备的设计方法。研究结果可以指导多室连续混合设备的结构设计与工艺参数选择,为后续多型号设备的设计提供依据。1摇 混合加强室的流场数值计算图 1摇 多室连续混合设备的结构示意图Fig.1摇 Schematic diagram of the structure of a multi鄄chamber continuous mixing equipment1郾 1摇 几何模型多室连续混合设备的各混合室按照功能不同可分为预混室、混合加强室和泵压室,其结构如图 1 所示。其中,混合加强室是承担混合工作的核心混合室,一台多室连续混合设备中往往设置多个混合加强室,以保证将物料中的各种组分充分混合至分布均匀。混合加强室的几何模型如图 2 所示,包括混合室腔体以及一上一下两个捏合桨叶,其中上下桨叶皆为二翼桨叶(反向)结构,即迎料面为桨叶的非捏合面,其捏合转速比为 1 颐 2,混合室总容积为2郾 5 L,有效混合容积约为 2郾 2 L。在混合过程中,物料从混合室左侧入口进入,经过上下桨叶的反复捏合后从右侧出口挤出,流入下一个混合室,形成动态的连续混合与输送。图 2摇 混合加强室的几何模型Fig.2摇 Geometric model of the reinforcedmixing chamber摇1郾 2摇 有限元模型由于上下桨叶间的间隙很小,其捏合运动对流场的影响很大,网格会随桨叶的运动发生扭曲,因此只能选用非结构四面体网格。数值仿真过程中多室连续混合设备上下桨叶的捏合运动借助 ANSYS鄄FLUENT 仿真软件中的动网格技术加以实现,动网格通过加载 profile 文件进行驱动。图 3摇 不同网格尺度下上桨叶的扭矩随时间的变化Fig.3摇 Variation of the torque of the upper blade withtime for different mesh sizes网格重构过程的数量无法控制,为确保计算结果的准确性,采用 3 种网格(最小网格尺度分别为 1郾 6、1郾 8、2郾 0 mm)对 同 一 工 况(投 料 速 度20 kg/h,桨叶转速 60 r/min)进行计算,绘制上桨叶的扭矩 Tup随时间 t 的变化曲线,结果如图 3 所示。对上桨叶的平均扭矩值进行网格无关性验证,结果如表 1 所示。可以看出不同的网格尺寸对计算结果的影响很小,为节省计算时间,选择最011北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2023 年小网格尺度为 2 mm。为保证网格质量良好,设置网格大小 2 4 mm,每两个时间步长重构一次,有限元网格模型如图 4 所示。表 1摇 网格无关性验证结果Table 1摇 Verification results for mesh independence最小网格尺度/mm初始网格单元数量上桨叶的平均扭矩/(N m)1郾 63 850 8612郾 3781郾 83 519 2972郾 3202郾 03 298 6982郾 306图 4摇 混合加强室的网格模型Fig.4摇 Mesh model of the reinforced mixing chamber摇1郾 3摇 物性参数多室连续混合设备中,物料经过预混室预混后成为具有一定流变特性的浆状物料,在混合加强室中药浆呈现非牛顿流体特性。物料参数按照 PBX配方体系混合终产物的物性给出,采用模拟料进行混合实验,其具体配方见表 2。模拟料的密度为1 800 kg/m3,黏度采用 DV鄄芋 Ultra 型旋转流变仪(BROOKFIELD 公司)进行测定。表 2摇 实验配方Table 2摇 Experimental formulation成分含量(质量分数)/%Na2SO454郾 5铝粉33黏结剂12固化剂及小组分添加剂0郾 5摇 摇 图 5 为浆状 PBX 模拟料在混合温度为 80益时的黏度测试结果,可以看出在该条件下药浆是剪切稀化的假塑性流体,其黏度变化符合幂律模型9。摇 摇 浊=K 酌n-1(1)式中:浊 为表观黏度,Pas;K 为稠度系数,Pasn;酌为剪切速率,s-1;n 为流动行为指数,n 1 时流体为胀塑性流体。在 ANSYS鄄FLUENT 流体属性设置中提供非牛顿幂律流体黏度模型,需用户给定非牛顿指数 n 及稠度系数 K,对黏度测试结果进行拟合,可得:n=0郾 24,K=202郾 47 Pa sn。图 5摇 浆状 PBX 模拟料的黏度测试结果Fig.5摇 Viscosity test results of the simulated PBX slurry摇1郾 4摇 初始和边界条件为了研究工艺参数(投料速度、桨叶转速)对多室连续混合设备混合能力的影响规律,分别对不同投料速度(20、30、40 kg/h)及桨叶转速(15、30、45、60、75 r/min)的工况进行数值计算。计算前对仿真模型做出以下假设:(1)混合室壁面为无滑移刚性壁面,与壁面接壤处的药浆速度与壁面相同;(2)混合流场为等温层流流场;(3)混合过程中药浆充满整个混合室,忽略桨叶转动过程中物料内产生的气体空穴;(4)考虑重力因素影响。混合过程为瞬态流动,瞬态时间步长为 10-3s,每个时间步长迭代 20 次,总计算时间大于下桨叶转动一周所需时间,从而保证对上下桨叶在所有相对位置的情况进行计算。压力-速度耦合选取Phase Couple SIMPLE 算法,连续方程及对流项的离散选用一阶迎风差分格式,动量方程离散选用二阶迎风差分格式,压力方程离散相选取 PRESTO!格式。2摇 数值计算结果2郾 1摇 平均扭矩扭矩是混合设备最重要的特性参数,与混合过程的功耗直接相关,因此是搅拌与混合设备领111第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金文强等:多室连续混合设备工艺参数对混合能的影响域研究的重点10-12。为量化桨叶在混合过程中的扭矩水平,分别计算不同投料速度下上桨叶和下桨叶在一个旋转周期内扭矩的平均值,结果如图 6 所示。可以看到,在 20、30、40 kg/h 的投料速度下,上、下桨叶的平均扭矩曲线基本重合,说明投料速度对桨叶的平均扭矩无显著影响。原因在于投料行为对流场速度产生的影响远远小于桨叶转动对流场的影响,因此两种扰动对流场的耦合作用以桨叶转动为主导。由图 6 还可以看出,平均扭矩随桨叶转速的增加而显著增加,其中上桨叶的平均扭矩随转速增加呈现斜率逐渐减小的趋势,下桨叶的平均扭矩随转速增加近似呈线性增长。这是由于上、下桨叶的转速差异所致,上桨叶的转速仅为下桨叶的一半,导致上桨叶对物料的剪切速率偏低,受物料非牛顿属性的影响较大,而下桨叶的转速始终处于较高水平,受物料黏度的影响较小,因此扭矩近似呈线性增长。图 6摇 不同投料速度下上桨叶和下桨叶的平均扭矩随转速的变化Fig.6摇 Variation of the average torque of the upper andlower blades