Новости

Apr 26, 2023

Проектирование и оценка высокоэффективных наклонных аддитивных

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 19477 (2022) Цитировать эту статью

623 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы разрабатываем новый смеситель миллимасштаба (смесительный агрегат с наклонными лопастями, блок TWM) на основе конструкции для аддитивного производства (DfAM). Предлагаемый смеситель с наклонными лопастями в основном спроектирован так, чтобы иметь три отдельных крыла, которые разделяют и объединяют жидкости для эффективного смешивания. Его структура проста для облегчения изготовления: два основных расчетных параметра: угол между тремя крыльями и угол соединения между наклоненными блоками, которые оптимизированы с использованием анализа вычислительной гидродинамики (CFD). В результате анализа CFD мы получаем наилучший комбинированный модуль смешивания из анализа различных комбинаций блоков TWM для высокоэффективного соотношения смешивания. Коэффициент смешивания трех объединенных агрегатов достигает около 100%, что подтверждено экспериментом и анализом. Мы считаем, что предлагаемый смеситель миллимасштаба можно использовать в различных химических смесителях и реакторах непрерывного действия для минимизации использования химикатов, которые могут загрязнять окружающую среду.

Смешивание жидкостей — важный процесс в химической технологии1,2, пищевой промышленности3, электронике, горнодобывающей промышленности4 и других. До сих пор было проведено множество исследований по повышению эффективности соотношения смешивания с помощью смесителей различных конструкций3,4. Поскольку развитие различных отраслей промышленности и экологические проблемы поднимаются, процесс смешивания химикатов требует высокой производительности, а также низкого загрязнения и безопасности2,3,4,5,6,7. Например, ППО (оксид полифенилена) является одним из ключевых материалов для антенн связи пятого поколения (5G) с хорошими электрическими характеристиками, низкими диэлектрическими потерями и небольшим изменением диэлектрических характеристик в широком диапазоне частот. Однако при смешивании ППО с помощью смесителя периодического действия, который обычно применяется на химических предприятиях из-за низкой себестоимости производства, существует риск взрыва и трудно получить высокий выход смеси8. Для устранения ограничений смесителей периодического типа было проведено множество исследовательских работ по смесителям непрерывного действия благодаря высокой производительности смешивания, безопасности, простоте управления, масштабируемости и низкому образованию загрязняющих веществ по сравнению с характеристиками смесителей периодического типа9,10. .

Смеситель непрерывного действия имеет некоторые технологические условия, такие как число Рейнольдса (Re), тип жидкости и количество потока жидкости. В зависимости от условий смешивания были предложены различные смесители непрерывного действия; хаотический смеситель11, трехпериодический смеситель с минимальной поверхностью (TPMS)12, смеситель горизонтального и вертикального плетения (HVW)13 и Kenics14. В частности, большое внимание привлек смеситель на основе решетчатой ​​структуры (LSM) из-за его высокой эффективности перемешивания по сравнению с его длиной. Обычно он состоит из сложных пересекающихся стержней или стержней (обычно десять или более), и жидкость смешивается при прохождении через решетчатую структуру. Таким образом, спроектированная форма и структура LSM влияют на производительность смешивания. Концептуальная конструкция LSM была впервые предложена компанией Sulzer в 1960-х годах, когда несколько стержней внутри смесителя выполняют разделение по Бейкеру и рекомбинацию для смешивания жидкостей15. LSM может быть спроектирован так, чтобы иметь широкий диапазон Re от десятков до тысяч потоков жидкости за счет изменения количества и размеров стержней для управления соотношением смешивания.

С момента первой разработки LSM увеличение соотношения смешивания и расширение сферы применения было основным направлением деятельности многих исследователей. Аримонд и др. провели анализ смешивания в области пассивных смесителей, используя смеситель типа Kenics16, а Fradette et al. провели анализ потока для решетчатого смесителя17. Пьянко-Оприч и др. выполнили анализ смешивания двухфазного потока и показали влияние конструкции смесителя с помощью вычислительной гидродинамики (CFD)18, а Li et al. изучал анализ течения неньютоновских жидкостей, чтобы расширить применение LSM19,20. Раулин и др. сравнили производительность нескольких миксеров с помощью CFD-анализа21, а Zalc et al. объяснил принцип перемешивания в ЛСМ по распределению скоростей22. Heniche et al.23 и Liu et al.24 исследовали соотношение смешивания LSM в зависимости от формы единичной структуры. Ганем и др. обобщены предыдущие исследования и собраны характеристики формы, принципы смешивания и области применения LSM25. Хиршберг и др. выполнили изменение формы, чтобы уменьшить повышение давления LSM26, а Шахбази и др. попытались оптимизировать форму LSM с помощью генетического алгоритма27.