金文強(qiáng) 陳 松* 謝中元 秦 能 王彥杰

(1.西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065;2.山西江陽化工有限公司, 太原 030041)

引 言

多室連續(xù)混合技術(shù)是含能材料混合領(lǐng)域的一項新型技術(shù),其設(shè)備主體由進(jìn)料口、出料口以及若干個適用于不同工藝的臥式混合單元連接而成,可以在一臺機(jī)器上完成多個工藝步驟,例如對高黏度介質(zhì)進(jìn)行混合、捏合、滾壓和擠出[1]。多室連續(xù)混合設(shè)備中,槳葉翼尖的剪切力能夠?qū)λ帩{中的固體微團(tuán)產(chǎn)生破碎與分散作用,上下槳葉的異向轉(zhuǎn)動能夠?qū)λ帩{產(chǎn)生從前向后的輸送效果,通過對混合物料均勻性的動態(tài)控制實現(xiàn)工藝的連續(xù)化。多室連續(xù)混合技術(shù)的一大優(yōu)點在于能夠消除大藥量制備過程中單鍋式混合的批次差異,同時將大鍋混合轉(zhuǎn)化為小室混合的方式具有混合壓力小、剪切強(qiáng)度低的特點,混合過程的安全性更高,因此該技術(shù)有著很好的發(fā)展前景。

國內(nèi)對多室連續(xù)混合技術(shù)的研究起步較晚,有關(guān)結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對于物料混合質(zhì)量和安全性的影響規(guī)律還有待深入探索。研發(fā)多室連續(xù)混合設(shè)備需要根據(jù)不同的物料特性,分析不同結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對流場的影響規(guī)律,進(jìn)而獲取多室連續(xù)混合工藝的質(zhì)量控制模型和安全控制模型,最終得到適用于多室連續(xù)混合設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。因此,揭示多室連續(xù)混合設(shè)備流場特性參數(shù)的演變規(guī)律對于多室連續(xù)混合技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

在混合設(shè)備領(lǐng)域中,常采用計算流體力學(xué)(CFD)來研究流場特性[2-7],并通過實驗來摸索工藝規(guī)律和驗證流場仿真模型[8-12]。CFD 仿真和實驗相結(jié)合的方法在單鍋式混合設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,特別是用于分析結(jié)構(gòu)參數(shù)或工藝參數(shù)對某一流場特性的影響規(guī)律。這是由于單鍋式混合設(shè)備的混合過程具有較強(qiáng)的周期性,通過提供足夠長的混合時間達(dá)到均勻混合的目的,并且往往對某一輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制即可實現(xiàn)對流場安全特性的調(diào)節(jié)。然而對于連續(xù)式混合設(shè)備而言,混合質(zhì)量和安全性之間存在一定的矛盾關(guān)系,其研究更注重流場特性參數(shù)的動態(tài)變化。目前,關(guān)于連續(xù)式混合設(shè)備的研究較少,且大多沿用與單鍋式混合設(shè)備類似的研究思路,即將混合特性和安全特性的變化規(guī)律分開研究,導(dǎo)致難以平衡混合質(zhì)量和安全性之間的關(guān)系。針對此問題,本文根據(jù)多室連續(xù)混合設(shè)備的混合機(jī)理,采用數(shù)值仿真方法建立了典型工況下單室容積為2.5 L 的多室連續(xù)混合設(shè)備的工藝模型,分析了各混合室的流場特性參數(shù),并通過實驗驗證了多室連續(xù)混合工藝的原理,初步揭示了多室連續(xù)混合設(shè)備混合均勻性和安全特性在相同工況下的動態(tài)變化規(guī)律,研究結(jié)果可以為后續(xù)多室連續(xù)混合設(shè)備槳葉和混合室腔體的優(yōu)化設(shè)計以及工藝參數(shù)選擇、適用性判定提供參考。

1 數(shù)值仿真

1.1 幾何模型

根據(jù)各混合室功能的不同,多室連續(xù)混合設(shè)備可劃分為預(yù)混室、混合加強(qiáng)室及泵壓室。預(yù)混室可以對進(jìn)料口處投放的固體粉料進(jìn)行破碎與分散,并與黏結(jié)劑進(jìn)行初步混合,使物料成為具有一定流變性的固液混合物;混合加強(qiáng)室對來自預(yù)混室的物料進(jìn)行充分混合,使混合物中各物料組分分布均勻;泵壓室能夠?qū)⒒旌线^程中裹入藥漿的氣泡徹底碾碎,并為設(shè)備提供穩(wěn)定的泵壓,將混合均勻的藥漿源源不斷地從出料口排出。

圖1 為某型多室連續(xù)混合設(shè)備原理樣機(jī)的幾何模型,包括1 個預(yù)混室、4 個混合加強(qiáng)室以及1 個泵壓室,單室容積為2.5 L。其中,預(yù)混室選用分散能力較強(qiáng)的四翼槳葉,混合加強(qiáng)室選用性能較為均衡的二翼槳葉(反向),泵壓室選用輸送能力較強(qiáng)的“8”字槳葉。

圖1 多室連續(xù)混合設(shè)備的幾何模型Fig.1 Geometric model of the multi-chamber continuous mixing equipment

1.2 有限元模型

采用ANSYS-FLUENT 流體仿真軟件對混合全過程進(jìn)行二維數(shù)值仿真,有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示。槳葉的轉(zhuǎn)動采用動網(wǎng)格模型,初始網(wǎng)格數(shù)為53 183,每隔兩個時間步長重構(gòu)一次,網(wǎng)格質(zhì)量保持良好。

圖2 二維有限元模型Fig.2 Two-dimensional finite element model

1.3 物性參數(shù)

仿真物料參數(shù)按照澆注高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)配方體系的物性參數(shù)給出,采用模擬料配方(表1)進(jìn) 行 混 合 實 驗。使 用 DV-Ⅲ Ultra 型 流 變 儀(BROOKFIELD 公司)測試了80 ℃下澆注PBX 模擬料的黏度,結(jié)果如圖3 所示。

表1 實驗配方Table 1 Experimental formulation

圖3 PBX 模擬料的黏度測試結(jié)果Fig.3 Viscosity test results of PBX simulant

根據(jù)測試結(jié)果可知物料黏度呈現(xiàn)出剪切稀化的非牛頓特性,屬于典型的假塑性流體,其流變模型可以用冪律方程[13]描述。

式中:η為表觀黏度,Pa·s;K為稠度系數(shù),Pa·sn;為剪切速率,s-1;n為流動行為指數(shù),n＜1 時流體為假塑性流體,n=1 時流體為牛頓流體,n＞1 時流體為脹塑性流體。經(jīng)擬合可得:n=0.24,K=202.47 Pa·sn。

采用歐拉多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬,其中主相為空氣相,其物性參數(shù)按默認(rèn)設(shè)置;第二相為流體相,用以表征藥漿在流體域中的流動狀態(tài),其物性參數(shù)按照混合終產(chǎn)物給出;第三相為顆粒相,用于檢驗設(shè)備流場中物料的分布均勻性,其物性參數(shù)按配方中的球形鋁粉給出。各相的物性參數(shù)如表2 所示。

表2 各相物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of each phase

1.4 初始和邊界條件

設(shè)置下槳葉轉(zhuǎn)速為45 r/min,上槳葉轉(zhuǎn)速根據(jù)轉(zhuǎn)速比進(jìn)行相應(yīng)變化,投料速度為20 kg/h,流體相投料比例為67%(體積分?jǐn)?shù)),顆粒相投料比例為33%(體積分?jǐn)?shù)),出入口與大氣壓相連,模型考慮重力影響。

仿真模型的假設(shè)條件為:(1)壁面為無滑移剛性壁面,與壁面接觸處的相速度與壁面處保持一致;(2)混合流場為等溫層流流場;(3)流場控制體積被各相共享,所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為100%。

混合過程為瞬態(tài)流動,壓力-速度耦合選取Phase Couple SIMPLE 算法,連續(xù)方程及對流項的離散選用一階迎風(fēng)差分格式,動量方程離散選用二階迎風(fēng)差分格式,壓力方程離散相選取PRESTO! 格式,瞬態(tài)時間步長設(shè)定為10-3s,每個時間步長最多迭代20 次。

2 數(shù)值仿真結(jié)果

2.1 混合壓力

PBX 藥漿在流道中受到高強(qiáng)度的擠壓和摩擦?xí)r容易使溫度升高,從而導(dǎo)致危險性增加[14],因此混合流場的壓力特性是衡量混合設(shè)備安全性的一項重要特性參數(shù)。為了考察多室連續(xù)混合設(shè)備中混合壓力的變化規(guī)律,選取混合室底部的最大壓力為擠壓安全特性參數(shù)。在每個混合室底部設(shè)置監(jiān)測點,待混合過程穩(wěn)定后,提取各混合室的下槳葉翼尖轉(zhuǎn)動至混合室底部時壁面所受的壓力,結(jié)果如表3 所示。

表3 各混合室底部的最大壓力仿真值Table 3 Simulation values of the maximum pressure at the bottom of each mixing chamber

可以看到,各混合室底部的最大壓力在59 726 ～62 954 Pa 之間,底部的最大壓力相差不大。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的仿真結(jié)果,不同結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的1 L 兩槳行星式攪拌設(shè)備的鍋壁擠壓應(yīng)力在0.2 MPa ～1 MPa 之間,多室連續(xù)混合設(shè)備的混合壓力遠(yuǎn)低于這一范圍,因此可判斷多室連續(xù)混合設(shè)備的擠壓安全性處于較高水平。

2.2 剪切應(yīng)力

剪切應(yīng)力是混合設(shè)備分散混合能力的評價指標(biāo)及安全性指標(biāo),剪切應(yīng)力越大,說明槳葉對物料的破碎性越強(qiáng),其分散混合能力越好,同時也更容易造成剪切生熱,導(dǎo)致安全性下降。為了定量分析各混合室中槳葉的剪切能力,提取每對槳葉在混合過程中的最大剪切應(yīng)力,結(jié)果如表4 所示。

表4 各混合室的最大剪切應(yīng)力仿真值Table 4 Simulation values of the maximum shear stress of each mixing chamber

可以看到,預(yù)混室中的最大剪切應(yīng)力較大,為21 798 Pa,混合加強(qiáng)室1 至4 中的最大剪切應(yīng)力稍小,在15 707 ～17 598 Pa 之間,泵壓室中的最大剪切應(yīng)力最小,僅為4 657 Pa。原因在于剪切能力和槳葉選型直接相關(guān),預(yù)混室為分散能力最強(qiáng)的四翼槳葉,混合加強(qiáng)室為性能較為均衡的二翼槳葉(反向),泵壓室則是排料穩(wěn)定但分散能力較弱的“8”字槳葉。1 L 兩槳行星式攪拌設(shè)備的最大剪切應(yīng)力根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的不同而有所變化,其范圍在0.08 MPa ～0.24 MPa 之間[15],多室連續(xù)混合設(shè)備的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)低于這一范圍,因此可認(rèn)為多室連續(xù)混合設(shè)備的剪切安全性處于較高水平。

2.3 分布均勻性

多室連續(xù)混合設(shè)備通過多個混合室內(nèi)的槳葉對物料進(jìn)行不斷捏合,最終使組分分布達(dá)到均勻,產(chǎn)物的均勻性與混合室的數(shù)量有著直接關(guān)系。研究混合室中物料混合均勻性的變化情況有助于確定混合均勻所需要的混合室數(shù)量,避免設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余,同時也使物料的混合更加高效。

圖4 為混合過程中鋁粉顆粒相在流體域內(nèi)不同時間的體積分布云圖?？梢钥吹?物料在混合室間的流動存在一定規(guī)律,當(dāng)物料進(jìn)入某一混合室后不會立刻流入下一混合室,而是逐漸充滿整個混合室后被擠入下一混合室,這使得物料在每個混合室中獲得了充足的混合時間。隨著混合室數(shù)量的增加,物料混合的總時間增加,其分布均勻性也隨之提升。

圖4 顆粒相在不同時間的體積分布云圖Fig.4 Contours of volume distribution for the particle phase at different times

為了獲得多室連續(xù)混合設(shè)備的分布混合能力與混合室數(shù)量的關(guān)系,在仿真模型的每個混合室中設(shè)置10 個監(jiān)測點,待混合過程穩(wěn)定后,提取每個監(jiān)測點處的鋁粉顆粒相在混合相中的體積分?jǐn)?shù),結(jié)果如表5 所示?？梢钥闯?鋁粉顆粒相的平均體積分?jǐn)?shù)隨混合室數(shù)量的增加持續(xù)上升,最終在泵壓室內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)(32.92%)接近投料量(33%);從預(yù)混室到泵壓室的鋁粉顆粒相體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差總體上呈現(xiàn)下降趨勢,從混合加強(qiáng)室3 開始趨于穩(wěn)定,泵壓室中顆粒相體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.260 3%。結(jié)果表明,多室連續(xù)混合結(jié)構(gòu)能夠為物料提供較好的分布混合能力,混合過程中物料的分布均勻性隨混合室數(shù)量的增加而提升。

表5 不同混合室中各監(jiān)測點的顆粒體積分?jǐn)?shù)Table 5 Particle volume fraction of each detection point in different mixing chambers

3 實驗驗證

3.1 多室連續(xù)混合原理樣機(jī)設(shè)計

為了驗證多室連續(xù)混合設(shè)備工藝模型的正確性,本實驗設(shè)計了一臺多室連續(xù)混合原理樣機(jī)(圖5)。原理樣機(jī)的混合室數(shù)量支持3 ～12 室可調(diào),本實驗采用6 室結(jié)構(gòu),單室容積為2.5 L,槳葉轉(zhuǎn)速10 ～60 r/min 可調(diào),工作溫度20 ～100 ℃可調(diào)。設(shè)置觀察窗對物料狀態(tài)進(jìn)行觀測,在混合室底部安裝壓力傳感器,前蓋板處安裝溫度傳感器,用于采集實驗過程的安全特性參數(shù)。

圖5 多室連續(xù)混合原理樣機(jī)Fig.5 Principle prototype of multi-chamber continuous mixer

3.2 混合壓力驗證

在設(shè)備穩(wěn)定出料后采集混合室底部的壓力傳感器輸出的最大值,用于考察多室連續(xù)混合設(shè)備在混合過程中的擠壓安全性,結(jié)果如表6 所示。將各混合室底部的最大壓力實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,如圖6 所示?？梢钥闯?各混合室底部最大壓力的實驗值與仿真值基本一致。其中,預(yù)混室至混合加強(qiáng)室2 中最大壓力的實驗值與仿真值相差較大,二者的差值在4 703 ～7 643 Pa 之間;從混合加強(qiáng)室3 開始,最大壓力的實驗值與仿真值之間的差值減小至2 848 Pa 以下,二者的偏差在5%以內(nèi)。這是由于實驗過程中前3 個混合室的物料處于非均勻狀態(tài),存在較多的固體微團(tuán),導(dǎo)致混合壓力較高,而從混合加強(qiáng)室3 開始物料的混合均勻性明顯提升,其物性參數(shù)與仿真物料的參數(shù)接近。由此可以得出,最大壓力的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,證明壓力仿真結(jié)果的正確性。

表6 各混合室底部的最大壓力實驗值Table 6 Experimental values of the maximum pressure at the bottom of each mixing chamber

圖6 各混合室底部最大壓力的仿真值與實驗值比較Fig.6 Comparison of simulated and experimental values of the maximum pressure at the bottom of each mixing chamber

3.3 分布均勻性驗證

在實驗過程中停機(jī)對各混合室中的物料取樣,用滴定法[16]測定樣品中鋁粉含量,鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差越小,說明物料的混合均勻性越好。圖7 顯示了混合過程中各混合室的物料情況。混合過程結(jié)束后在各混合室中取5 個樣品測定鋁粉含量,用于表征各混合室的物料中鋁粉的分布均勻性水平,結(jié)果如表7 所示。

表7 不同混合室中各樣品的鋁粉含量Table 7 Aluminum powder content of each sample in different mixing chambers

圖7 各混合室中的物料Fig.7 Materials in the mixing chambers

將鋁粉含量標(biāo)準(zhǔn)差的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如圖8 所示。可以看出,樣品中鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差隨混合室數(shù)量的增加呈現(xiàn)下降趨勢,前兩個混合室中鋁粉含量標(biāo)準(zhǔn)差的測定結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大,從混合加強(qiáng)室3 開始實驗結(jié)果接近仿真結(jié)果,實驗測得泵壓室中鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.327 5%。原因在于仿真過程中流體相的物性參數(shù)是按照混合終產(chǎn)物的均質(zhì)物性參數(shù)給出的,而在實際混合過程中由于前兩個混合室中物料尚未經(jīng)過充分混合,其物性與均質(zhì)物料差別較大,因此實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大;從混合加強(qiáng)室3 開始物料組分趨于穩(wěn)定,物性參數(shù)接近混合終產(chǎn)物,實驗標(biāo)準(zhǔn)差也更加接近仿真結(jié)果。此外,仿真監(jiān)測量為顆粒相的體積分?jǐn)?shù),而實驗檢測量為鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù),檢測量的不同也會導(dǎo)致仿真結(jié)果和實驗結(jié)果有所差異。由于實驗結(jié)果的整體趨勢與仿真結(jié)果一致,并且從混合加強(qiáng)室3 開始實驗值與仿真值的吻合度較高,因此該實驗結(jié)果可以證明分布均勻性仿真結(jié)果的正確性。

圖8 分布均勻性的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較Fig.8 Comparison of distribution uniformity between experimental results and simulation results

通過對圖8 的分析可知, 當(dāng)投料速度為20 kg/h,槳葉轉(zhuǎn)速為45 r/min 時,混合物料中鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差從混合加強(qiáng)室3 開始不再顯著下降,而是維持在同一數(shù)量級,說明物料組分基本混勻,經(jīng)過混合加強(qiáng)室4 的強(qiáng)化混合后其分布均勻性進(jìn)一步提升;混合加強(qiáng)室4 與泵壓室中鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差僅相差0.085 4%,繼續(xù)增加混合室數(shù)量已無法對混合均勻性產(chǎn)生顯著影響,因此6 室結(jié)構(gòu)為該量級設(shè)備的最佳結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值仿真方法建立了典型工況下單室容積2.5 L 的多室連續(xù)混合設(shè)備工藝模型,對混合過程的流場特性參數(shù)進(jìn)行了研究,并通過實驗驗證了混合壓力和分布均勻性的仿真結(jié)果,得到以下結(jié)論:

(1) 多室連續(xù)混合設(shè)備各混合室之間的混合壓力差別不顯著,泵壓室底部最大壓力的仿真值為62 954 Pa,遠(yuǎn)低于1 L 兩槳行星式攪拌設(shè)備的最大混合壓力,擠壓安全性處于較高水平。

(2) 多室連續(xù)混合設(shè)備的各混合室中剪切應(yīng)力值與槳葉種類有關(guān),預(yù)混室中剪切應(yīng)力較大,最大剪切應(yīng)力為21 798 Pa,遠(yuǎn)低于1 L 兩槳行星式攪拌設(shè)備的最大剪切應(yīng)力,剪切安全性處于較高水平。

(3) 多室連續(xù)混合設(shè)備的各混合室中鋁粉體積分?jǐn)?shù)(仿真值)的標(biāo)準(zhǔn)差隨混合室數(shù)量的增加呈下降趨勢,泵壓室中鋁粉體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.260 3%,混合物料的分布均勻性隨混合室數(shù)量的增加而提升。

(4) 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致,物料狀態(tài)穩(wěn)定后混合壓力的仿真值與實驗值的偏差在5%以內(nèi),仿真模型中鋁粉的分布均勻性變化趨勢與實際混合過程相同。

(5) 當(dāng)投料速度為20 kg/h,槳葉轉(zhuǎn)速為45 r/min 時,混合物料中鋁粉含量的標(biāo)準(zhǔn)差從混合加強(qiáng)室3 開始不再顯著下降,從泵壓室開始,繼續(xù)增加混合室的數(shù)量已經(jīng)無法顯著提升混合均勻性,因此6 室結(jié)構(gòu)為該量級設(shè)備的最佳結(jié)構(gòu)。