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Ansys搅拌混合设备解决方案

优飞迪科技
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3月前浏览2764
背景
搅拌混合是指搅动液体使之发生某种方式的循环流动，从而使物料混合均匀或使物理、化学过程加速的操作。
应用：油气化工，生物制药，废水处理，建筑，电池制备，家电等等
现状：机械搅拌用于加快均相体系的混合、保持非均相体系的均匀分散或强化传热，对于不同的物料系统、不同的搅拌目的，需要工程师对不同类型的搅拌器做出选择。影响搅拌釜搅拌功率的几何因素包括：搅拌器直径、桨叶的叶形（形状、长度、宽度、数量）、搅拌釜直径、物料的装液高度、搅拌桨叶在釜内的安装高度、挡板数量及宽度等。搅拌釜设计过程中有许多放大准则，但是针对具体的搅拌过程，究竟哪个准则比较使用却极大的依赖于经验。通过试验的方法逐级放大，造成设计过程周期长、投入的人力、物力、财力大。

搅拌设备解决方案  

搅拌混合设备的种类    
从单元到系统存在多尺度，多区域以及多物理场的过程
单相混合系统  
气液体系（生物反应器）  
液固体系（固体溶解）
啮齿搅拌混合器
静态混合器
清洗装置
定制化以及系统级的仿真  

搅拌混合设备解决方案  

单相混合系统  
挑战    
‐ 通过加快设计速度缩短上市时间（放大：放大反应器所需的操作条件是什么？）
‐ 确保产品质量（准确预测混合时间；管理产品在剪切下暴露程度，例如防止细胞损伤）
‐ 混合不良会导致浪费
显著的仿真复杂性  
‐ 对混合罐中的稳态和瞬态流进行建模
‐ 模拟混合容器中的层流和湍流
‐ 处理不同的流变学（恒定粘度，与剪切速率和温度相关粘度）
‐ 混合定量处理【后处理】，确定性的和统计性的（需要开发后处理工具，为决策提供定性、定量和统计结果）
Ansys关键功能应对挑战  
• 内置功能：在AnsysFluent中能对层流以及具有强大漩涡的的湍流进行建模
• 快速预处理：AnsysSpaceClaim和Fluent Meshing的组合，可以轻松处理搅拌混合器（叶轮、挡板）的细节，并能够对模型进行参数化，以进行假设研究
• 已验证：湍流模型已得到验证
• 可扩展：针对大型3D问题提供高性能计算（HPC）
混合时间预测  
复杂流变性  
剪切变稀效果清晰可见。叶轮周围的应变率最高，粘度最小。此外，在应变率非常低的地区，粘度最高。这将影响流场，如下图所示。
与这种复杂流变（剪切变稀）情况，局部测量速度与归一化径向位置非常吻合。
气液体系（生物反应器）  
挑战  
‐ 通过加快设计速度缩短上市时间（放大：放大反应器所需的操作条件是什么？）
‐ 确保产品质量（准确预测混合时间；管理产品在剪切下暴露的时间，例如防止微生物细胞损伤）
‐ 氧气传质和化学反应需要适当的混合程度（高效的气体分布器可提高气含率，从而改善传质；混合速率控制反应的快慢【速率、选择性和生产】）
‐ 涡旋，气体在液相中的停留，气相的短路
显著的仿真复杂性  
‐ 前面描述单相搅拌器遇到的问题相同
‐ 模拟气泡，考虑不同的尺寸分布（气泡的尺寸通过群平衡计算）
‐ 准确预测传质速率需要准确计算气液接触面积
‐ 自由表面形状
‐ 气体滞留
气液流动：发酵罐建模  
验证
传质（溶解氧）  
优化  
液/固体系（固体溶解）    
挑战    
– 固体悬浮液是固体催化反应、晶体生长和溶解系统的关键问题
– 需要均匀的固体悬浮液
– 存在固体颗粒时功率的预测
– 均匀的固体悬浮液和流场，能够确保最大化的传质/反应速率（增加产量）
Ansys CFD工具的优势  
‐ 流场的详细信息
‐ Ansys FluentEularian-Eularian (Granular) 模型被验证过能够模拟固体在流体中的运动
‐ 能够与与群平衡模型结合考虑直径的分布
‐ 剪切速率特性：许多晶体可能因暴露于高剪切区域而受损
‐ 预测悬浮速度
‐ 预测固体浓度分布(会影响反应/溶解速率)
‐ 传质预测（溶出）
云图高度  
Ansys解决方案
啮齿搅拌混合器  
挑战    
‐ 量化物料混合:添加剂颗粒/液滴随时间的扩散
‐ 量化物料混合:颗粒/液滴“破碎”成更小的尺寸
‐ 混合器几何形状和操作条件的影响（e.g.rpm）
‐ 处理通常非常粘稠的材料，这些材料通常为非牛顿流体
‐ 连续系统的吞吐量（e.g.单螺杆和双螺杆挤出机）
‐ 避免因热/剪切而导致的材料降解
相关的仿真复杂性  
‐ 由于啮齿几何结构的特性，使得仿真本质是瞬态
‐ 需要解析不同的尺度变化（啮齿的间隙以及整体的直径、长度）
‐ 复杂流变学（非牛顿流体与剪切速率和温度有关t）
‐ 非常高的佩克雷特数（非常薄的热边界层）
Ansys关键功能应对挑战  
静态混合器    
挑战  
选择适当尺寸的静态混合器（成本），满足混合的同时：
‐ 将压降保持在限值内（运行成本）
‐ 避免由于粘性加热影响产品（产品质量）
‐ 确保温度均匀 （产品质量）
‐ 在高温下工作时的热应力
相关的仿真复杂性    
‐ 几何结构具有大量复杂细节和小特征
‐ 非线性流变学 + 粘性加热（内部剪切）效应
‐ 当两种液体之间的粘度比较大时，导致数值收敛挑战
Ansys关键功能应对挑战
清洗装置（CIP）  
关键挑战    
‐ 使用最少量的清洁剂清洁容器，在最短的时间内完成冲洗，降低成本.
模拟挑战  
‐ 尺寸跨度大：容器尺寸通常以米为单位（甚至可能是十米），而喷雾喷嘴尺寸通常以毫米或更小为单位
‐ 为了确保覆盖范围，喷嘴的运动轨迹复杂（绕着不同的轴）。旋转可以是流量驱动的，也可以是电机驱动的。
Ansys关键功能应对挑战  
定制化以及系统级的仿真  
关键挑战  
‐ 仿真需要专业知识（前处理、设置和后处理）
‐ 操作员可能需要基本假设场景的结果，CFD分析师通常被占用
‐ 操作员培训（数字调试）
模拟挑战  
‐ CFD需要培训（人力和专业知识）、软件和硬件
‐ 了解混合过程，需要预处理、问题设置和后处理方面的特定专业知识
‐ 某些模拟可能会占用大量CPU资源
Ansys关键功能应对挑战    
‐ Ansys开发相应的模板，保留CFD专家的仿真经验，提高仿真效率。
‐ Reduced OrderModels (ROM’s)可以很容易地创建用于混合模拟，工厂操作员可以轻松使用，这消除了对CFD知识，培训或模拟就绪硬件的需求。
‐ ROM’s还可以集成到Ansys Twin Builder中，表征更大的操作系统，其中包含用于数字调试和操作员培训的附加组件。

深圳市优飞迪科技有限公司成立于2010年，是一家专注于产品开发平台解决方案与物联网技术开发的国家级高新技术企业。

十多年来，优飞迪科技在数字孪生、工业软件尤其仿真技术、物联网技术开发等领域积累了丰富的经验，并在这些领域拥有数十项独立自主的知识产权。同时，优飞迪科技也与国际和国内的主要头部工业软件厂商建立了战略合作关系，能够为客户提供完整的产品开发平台解决方案。

优飞迪科技技术团队实力雄厚，主要成员均来自于国内外顶尖学府、并在相关领域有丰富的工作经验，能为客户提供“全心U+端到端服务”。

来源：IFD优飞迪
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首次发布时间：2024-01-02
最近编辑：3月前
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