臺灣博碩士論文加值系統

摘要
本研究目的是用計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 針對氣-液-固三相攪拌系統進行模擬，探討 Rushton 攪拌翼在攪拌槽中粒子懸浮並測定最小懸浮轉速，與氣體分散的觀察更進一步探討功率消耗、功率數關係。
本研究使用的CFD 軟體是 Ansys-Fluent ver.16.2，多相流模式為 Eulerian model。為了驗證模擬結果的正確性，先討論固-液兩相最小懸浮轉速模擬結果與文獻比對，再討論氣體通入系統改變為氣-液-固三相系統與固-液兩相的變化，最後比較氣-液-固三相系統與氣-液兩相，有無粒子對於氣-液系統的差別。研究結果發現：固-液攪拌系統，可以由觀察槽底的粒子體積分率，或轉速對功率數作圖尋找最小懸浮轉速。氣-液-固三相系統與固-液兩相的差異，氣體的加入會降低攪拌槽流體流速與改變氣穴結構，使功率消耗降低。氣-液-固三相系統與氣-液兩相的改變，固體的加入亦會降低攪拌槽流體速度與氣穴結構，但功率消耗因為固體存在有些許提升。

Abstract
The purpose of this study is to simulate the gas-liquid-solid three-phase agitation system using Computational Fluid Dynamics (CFD). We investigate the particle suspension of the Rushton stirring in the stirred tank and to determine the minimum suspension speed. We also observe the gas dispersion, and further explore the relationship between power consumption and power number.
The CFD software used in this study is Ansys-Fluent ver.16.2, and the multiphase Eulerian model. First, the results showed the solid-liquid two-phase minimum suspension speed and the value is compared with literature. Second, in gas-liquid-solid three-phase system. Finally, the gas-liquid-solid three-phase system is compared to the gas-liquid two phase system with or without particles in the gas-liquid system. The results show that observing the particle volume fraction at the bottom of the tank, or the speed versus power number to find the minimum suspension speed in the solid-liquid agitation system. And showed difference between the addition of gas will reduce the fluid flow speed of the agitation tank and change the cavitation structure, so that the power consumption is reduced. When the solid add in will also reduce the fluid velocity and cavitation structure of the agitation tank, but the power consumption is slightly improved due to the solid.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 2
2.1固-液懸浮相關研究 2
2.1.1固-液實驗研究 2
2.1.2固-液模擬研究 7
2.2 氣-液相關研究 10
2.2.1氣-液實驗研究與Rushton攪拌翼 10
2.2.2氣-液模擬研究 15
2.3氣-液-固懸浮相關研究 16
2.3.1氣-液-固懸浮實驗 16
2.3.2氣-液-固懸浮模擬 20
2.4 攪拌操作與CFD 22
第三章 模擬與方法 24
3.1 計算機流體力學 24
3.2 計算機流體力學數值模擬架構 25
3.2.1 前處理 (Pre-Processing) 26
3.2.2 求解器 (Solvers) 26
3.2.3後處理 (Post-Processing) 26
3.3 統御方程式 27
3.3.1 基本假設 27
3.3.2 統御方程式 (Governing Equation) 28
3.3.3 紊流模式 k-ε 模式 29
3.3.4 Eulerian model 31
3.3.5 求解器設定 32
第四章 系統條件設定及網格劃分 35
4.1 攪拌槽的幾何設計 35
4.2 建立網格 37
4.2.1 有限體積法 37
4.2.2 網格結構 37
4.3 網格品質討論 38
4.4 系統條件設定 42
4.4.1 邊界條件設定 42
4.4.2 初始條件設定 43
4.4.3 氣相設定參數表 44
4.4.4固相設定參數表 45
第五章 結果與討論 46
5.1 單相之液相攪拌系統功率消耗 46
5.2 固-液攪拌系統 48
5.2.1 固-液攪拌系統最小懸浮轉速 48
5.2.2 固-液攪拌系統的功率消耗與功率數 53
5.3 氣-液攪拌系統 55
5.3.1 氣-液攪拌系統攪拌翼與流態情形 55
5.3.2 氣-液攪拌系統氣穴情形與功率消耗 57
5.4 氣-液-固攪拌系統 61
5.4.2 氣-液-固攪拌系統各相情形 61
5.4.3 氣-液-固攪拌系統氣穴情形與功率消耗 71
5.4.4 氣-液-固攪拌系統完全懸浮轉速與通氣量關係 75
5.5氣-液-固攪拌系統與氣-液系統比較 83
第六章 結論 87
第七章 參考文獻 88

圖目錄
圖2. 1 實驗之最小懸浮轉速與計算懸浮轉速關係圖 [5] 5
圖2. 2固液隨轉速上升改變粒子懸浮的狀態 [6] 6
圖2. 3固-液系統轉速與功率數關係曲線 [26] 7
圖2. 4 不同轉速的粒子懸浮高度與模擬粒子濃度分布對照圖 [7] 8
圖2. 5 4 %固體濃度下轉速與功率數關係 [27] 9
圖2. 6 不同轉速的粒子懸浮與模擬粒子濃度分布對照圖 [8] 9
圖2. 7 三種攪拌槽中氣液分散類型 10
圖2.8不同通氣量下的氣穴與功率消耗比 [10] 12
圖2.9 轉速與通氣量對氣泡分散狀態之影響 [11] 12
圖2.11 不同轉速於相同通氣的氣相體積分率圖 [13] 15
圖 2.13 不同粒子濃度最小懸浮轉速與通氣量關係 [5] 17
圖 2.14 不同粒子濃度懸浮轉速與通氣量關係 [5] 18
圖 2.15 氣泡在不同大小聚苯乙烯顆粒水溶液的運動情形 [16] 19
圖 2.16 固相體積分率圖於固相分率 3.2% 通氣量 4.3x10-3 (m/s) [18] 21
圖 2.17 氣相體積分率圖於固相分率 3.2% 通氣量 4.3x10-3 (m/s) [18] 21
圖4. 1 攪拌槽幾何設計示意圖 35
圖4. 2 Rushton 攪拌翼 36
圖4. 3攪拌翼結構示意圖 36
圖 4. 4 四種網格結構 (a) 楔型網格 (b) 錐形網格 38
圖4. 5四面體的最佳網格與實際網格示意圖 39
圖4.6 攪拌槽網格 41
圖4.7旋轉流體區網格 41
圖4. 8攪拌槽自浮粒子起始狀態 43
圖5.1 模擬 Rushton 攪拌翼在250 rpm 的流態分佈 47
圖 5.2 單段 Rushton 攪拌翼在液相 Np 對轉速關係 48
圖 5.3 2% 粒子體積分率在不同轉速下Y平面粒子分佈圖 49
圖5.4 2 % 粒子體積分率不同轉速下槽底粒子分佈圖 50
圖 5.5 2 % 粒子體積分率於槽底截線粒子體積分率圖 51
圖 5.6 250 rpm 流態分佈與水平高度0.04 m 截線示意圖 52
圖 5.7 2 % 粒子體積分率在不同轉速時高度0.04 m速度分佈圖 53
圖5.8 2 % 粒子體積分率不同轉速與功率消耗關係 54
圖 5.9 2 % 粒子體積分率在不同轉速下功率數關係圖 55
圖5.10 Rushton 攪拌翼表面流線圖 56
圖5.11 250 rpm有無通氣量Y平面流態圖 57
圖 5.12 氣穴結構隨通氣量增加時的變化 [11] 58
圖 5.13 250 rpm不同通氣量在攪拌翼後方的氣穴結構圖 59
圖5.14 不同通氣量下與功率消耗關係 60
圖5.15 不同通氣量下與Pg/Pu關係 60
圖 5.16 2 % 粒子體積分率在相同轉速不同通氣量之液相流態分佈圖 63
圖 5.17 2 % 粒子體積分率在相同轉速不同通氣量Y平面氣相分佈圖 64
圖 5.18 2 % 粒子體積分率在相同轉速不同通氣量Y平面粒子分佈圖 65
圖 5.19 2 % 粒子體積分率在相同轉速不同通氣量槽底粒子分佈圖 66
圖5.20 2 % 粒子體積分率在相同轉速不同通氣量於槽底截線粒子體積分率圖 67
圖 5.21 2 % 粒子體積分率相同轉速有無通氣量流態分佈與三段截線示意圖 69
圖5.22 2 %粒子體積分率時有無通氣於高度0.25 m垂直速度圖 69
圖5.23 2 %粒子體積分率時有無通氣於高度0.04 m垂直速度圖 70
圖5.24 2 %粒子體積分率時有無通氣於高度r/R = 0.25 m水平速度圖 70
圖5.25 2 % 粒子體積分率相同轉速不同通氣量在攪拌翼附近的氣相體積分率與壓力等位面 73
圖5.26 2 % 粒子體積分率相同轉速下功率消耗關係 74
圖5.27 2 % 粒子體積分率相同轉速下 Pg/Pu 關係 74
圖 5.28 2% 粒子體積分率在 0.06 vvm 於槽底體積分率圖 76
圖5.29 2 % 粒子體積分率在 0.06 vvm 於槽底截線粒子體積分率圖 77
圖 5.30 2% 粒子體積分率在 0.18 vvm 於槽底體積分率圖 78
圖5.31 2 % 粒子體積分率在 0.18 vvm 於槽底截線粒子體積分率圖 79
圖 5.32 2% 粒子體積分率在 0.25 vvm 於槽底體積分率圖 80
圖5.33 2 % 粒子體積分率在 0.25 vvm 於槽底截線粒子體積分率圖 81
圖 5.34 2% 粒子濃度懸浮轉速與通氣量關係 82
圖 5.35 相同轉速與通氣量Y平面氣相體積分率圖 84
圖 5.36 相同轉速與通氣量Y平面氣相體積分率圖 84
圖5.37 相同通氣量與轉速在高度 0.25 m 垂直速度圖 85
圖 5.38 相同通氣量與轉速在 r/R = 0.5 m 水平速度圖 85


表目錄
表 2 – 1近年研究三相模擬與CFD軟體 39
表 4 - 2不同攪拌系統之網格表 41
表 4 - 3氣相設定參數 44
表 4 - 4固相設定參數 45
表 5 – 1 通氣時有無粒子功率消耗表 86

第七章 參考文獻
[1] <流體攪拌技術>，呂維明、許瑞祺與巫鴻章；高立出版，2008
[2] Zwietering, Th.N., “Suspending of solid particles in liquid by
agitators”,Chem. Eng. Sci., Vol.8, p.244-253 (1958)
[3] Conti, R., S. Sicardi and V. Specchia, “Short Communication”, Chem.
Eng. J., Vol.22, p.247-249 (1981)
[4] Armenante, Piero M., E. U. Nagamine and J. Susanto, “Determination of
Correlations to Predict the Minimum Agitation Speed for Complete Solid
Suspension in Agitated Vessels”, the Can. J. of Chem. Eng., Vol.76,
p.413-419 (1998)
[5] 洪瑞陽，〈三相攪拌系統中粒子分佈與氣體的影響〉，長庚大學，碩士論文，民國 88 年
[6] Kraume, Matthias., “Mixing Times in Stirred Suspensions”, Chem.
Eng.Technol. Vol.15, p.313-318 (1992)
[7] Micale, G., Grisafi, F., Rizztui, L., Brucato. A., “CFD simulation of
particle suspension height in stirred vessels”, IChemE, Vol.82(A9),
p.1204-1213 (2004)
[8] Tamburini, A., Cipollina, A., Micale, G., “CFD Simulation of Solid iquid
Suspensions in Baffled Stirred Vessels Below Complete Suspension
Speed”, Chem. Eng. Tra. Vol.24, p.1435 (2011)
[9] Van’t Riet K, Boom JM, Smith JM. "Power Consumption, Impeller
Coalescence and Recirculation in Aerated Vessels". Trans. Inst. Chem.
Engrs.; 54:124-131 (1976)
[10] Bruijn W, Riet K, Smith JM. " Power Consumption with Aerated
Rushton Turbine". Trans. Instn. Chem. Engrs.; 52:88-104. (1974)
[11] Nienow AW, Wisdom DJ, Middleman JC. "The Effect of Scale and
Geometry on Flooding, Recirculation and Power in Stirred Vessels".
Proc.2nd Euro.Conf.on Mixing, F1-1. (1977)
[12] Kong L, Li W, Han L, Liu Y, Luo H, Dahhan M, Milorad P. " On the
measurement of gas holdup distribution near the region of impeller in
a gas-liquid stirred Rushton tank by means of γ-CT2". Chem. Eng.
Sci. 188(22):191-198. (2012)
[13] Cheng D, Wang S, Yang C, Mao Z. "Numerical Simulation of Turbulent Flow and Mixing in Gas−Liquid−Liquid Stirred Tanks", University of Chinese Academy of Sciences. (2017)
[14] 楊清全，〈盤式攪拌翼分散氣體之研究>，長庚大學，碩士論文，民國 107 年
[15] Abdullah B, "The Performance of a Gas-inducing Stirred Tank Reactor for Fischer-Tropsch synthesis: Electrical Process Tomography Analysis and Computational Fluid Dynamics Studies", The University of New South Wales. (2011)
[16] Hooshyar N, Ommen 1 J. Ruud van, Hamersma1 Peter J., Sundaresan1 Sankaran, and Mudde R. "Dynamics of Single Rising Bubbles in Neutrally Buoyant Liquid-Solid Suspensions", PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 110, 244501 (2013)


[17] Panneerselvam R, Savithri S, Gerald Devasagayam Surender. "Computational Fluid Dynamics Simulation of Solid Suspension in a
Gas-Liquid-Solid Mechanically Agitated Contactor".Ind. Eng. Chem.
Res., 48, 1608–1620 (2009)
[18] Li L, Xu B. "CFD Simulation of gas-liquid floating particles mixing in
an agitated vessel", Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 23 (3) 377−389 (2017)
[19] O. Simonin and P. L. Viollet. Numer. Meth. "Multiphase Flows "
91 73-82 (1990)
[20] Sachs JP, and J H Rushton, “Discharge Flow from Turbine Type Mixing Impeller”, Chem. Eng. Progrs., Vol.50, p.597(1954).
[21] Julia Hofinger, "Micro- and Macromixing Studies in Two- and Three-Phase (Gas-Solid-Liquid) Stirred Chemical Reactors", University of Birmingham.(2012)
[22] Qi N, Zhang H, Zhang K, Xu G, Yang Y, "CFD simulation of particle suspension in a stirred tank", North China Electric Power University.(2012)
[23] Azargoshasb H, Seyyed Mohammad Mousavi, Jamialahmadi O, Seyed Abbas Shojaosadati ,Seyyed Babak Mousavi, " Experiments and a Three-Phase Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation Coupled with Population Balance Equations of a Stirred Tank Bioreactor for High Cell Density Cultivation", Tarbiat Modares University.(2018)
[24] Zheng C , Guo J , Wang , Chen Y , Zheng H ,Yan Z, Chen Q, "Experimental study and simulation of a three-phase flow stirred bioreactor", Fuzhou University.(2018)

[25] D.P.Karadimou,P.A.Papadopoulos,N.C.Markatos, "Mathematical modelling and numerical simulation of two-phase gas-liquid flows in stirred-tank reactors", King Saud University.Science 31, Issue 1, Pages 33-41(2019)
[26] Rewatkar, Vilas B., K. S. M. S. Raghava Rao, “Critical Impeller Speed
for Solid Suspension in Mechanically Agitated Three-phase Reactors. 1.
Experimental Part”, Ind. Eng. Chem. Res. Vol.30, p.1770-1784(1991)
[27] 康哲銓，固液攪拌槽系統中粒子懸浮之模擬，長庚大學，碩士論文，
民國 101 年
[28] D. G. Schaeffer. "Instability in the Evolution Equations Describing
Incompressible Granular Flow". J.Diff. Eq. 66. 19–50. (1987)
[29] Samuel W. J. Welch and Wilson J, "A Volume of Fluid Based Method for Fluid Flows with Phase Change", University of Colorado at Denver. Journal of Computational Physics 160, 662–682 (2000)
[30] A. D. B. Burns, Th. Frank, I. Hamill, and J.-M. Shi. The Favre Averaged
Drag Model for Turbulent Dispersion in Eulerian Multi-Phase Flows.
Fifth International Conference on Multiphase Flow, ICMF-2004,
Yokohama, Japan. (2004)
[31] Bakker A. , Montante G., Rondini D., Magelli F. “CFD predictions of
solid concentration distributions in a baffled stirred vessel agitated with
multiple PBT impellers”, CHISA, p.25-29 (2002)
[32] Lane, G. L., Koh, P.T.L., “CFD simulation of Rushton turbine in a
Baffled tank ”, CSIRO , p.377-386 (1997)