实验装置：搅拌反应器及桨型设计

图3.1搅拌反应器结构示意图1—控制箱；2—电机；3—联轴器；4—扭矩传感器；5—搅拌轴；6—搅拌槽；7—搅拌桨；8—升降台实验桨型实验中采用斜三叶刚性桨、单层钢丝刚性桨和单层钢丝柔性桨。柔性钢丝的上部与搅拌轴相连，下部与桨叶尖端相连，未重叠部分长度为垂直距离的两倍。

理论教育 2023-06-16

结果与讨论分析

在本次中试试验中，主要通过调节空气阀门开关，实现空气射流量的调控，并重点考察通气量对浸出液中Mn2+浓度及电耗的影响，如表7.2、表7.3 所示。图7.16酸度对除铁过程的影响为了进一步验证关于软锰矿氧化除铁过程的最佳酸度的推测，先进行试验，试验结果见表7.9。从图可知，将软锰矿的投入量降至原来工艺投入量的75%时，除铁至30～50 min 的Fe2+浓度仍然处于一个恒定值。表7.10 可以验证上述推测软锰矿的投入量是能够降至理论计算的85%左右。

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搅拌反应器的结构设计

搅拌反应器主要由搅拌装置、轴封和搅拌槽3 部分组成，其构成形式如图1.1 所示。图1.1搅拌反应器的构成形式搅拌反应器的典型结构如图1.2 所示。流体的混合性能与搅拌反应器的结构参数、操作参数，流体流场结构的演化规律以及流体自身性质之间存在复杂的关联性，致使搅拌反应器的设计与放大至今还强烈依赖于经验。因此，搅拌反应器结构设计与优化、流体混合强化方法以及流场结构特性的研究具有重要的理论意义和现实价值。

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搅拌器内部构件的强制对流及均匀混合

搅拌是通过搅拌器促使物料发生循环运动，使得溶液中的气体、液体甚至悬浮的颗粒得以混合均匀。为了达到这一目的，需要通过强制对流、均匀混合的器件来实现，即搅拌器的内部构件。搅拌单元是化工生产中常用的一项操作单元，目的是使反应物间充分混合，避免反应物浓度局部过大而造成受热不均匀，导致副反应的发生或有机物分解。在绝大多数情况下，液体搅拌几乎是依靠搅拌的方法。

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探究实验结果的发现和思考的介绍

锰矿品位取15.50%，三组试验的锰矿浸出率分别为77.42%，72.58%和78.45%，三组试验的平均锰矿浸出率为76.15%。试验过程中浸出槽内每小时Mn2+的浓度以及相应电耗数据如图7.10 所示。图7.10每小时Mn2+浓度以及电耗的变化趋势3）第三组试验数据阳极液中Mn2+初始浓度为17.34 g/L，加入矿粉量5 400 kg，锰矿品位为15%～16%。

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刚柔组合桨：解决流体混合不足的有效途径

但柔性体在流场中单独作用时形变大，其自身能量被耗散在无序运动上，难以形成大范围扰动行为。为此将刚性体和柔性体有机结合起来，提出一种刚柔组合桨。研究搅拌桨结构和流场拟序结构的关联性，认识刚柔流耦合运动行为与流场拟序结构演化规律，是解决上述方法不足的有效途径之一。结果表明，柔性反应器能够使流体达到良好的混合。

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锰矿浸出设备的设计与优化

搅拌装置及试验条件锰矿浸出槽上部为圆柱体，下部为圆锥体。浸出槽高度为4.4 m，浸出槽直径为4.6 m，桨叶离底高度为0.9 m，搅拌轴直径为0.18 m，液面高度为3.4 m。图7.19锰矿浸出槽实物图图7.20变频控制柜图7.21搅拌电机试验条件锰矿品位为15%～16%，搅拌槽内浸取液体积为40 m3，最终目标Mn2+浓度为36 g/L。图7.22取样口及电耗表锰矿浸出过程发生的主要反应为试验过程中每间隔1 h 检测一次浸出槽内的Mn2+浓度。

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酸碱中和消色法测定混合时间的实验方法和流变特性分析

本实验主要采用酸-碱中和消色法测定混合体系的混合时间，同时通过录像记录搅拌反应器内混沌混合区和混合隔离区的演化规律。混合时间数本实验采用混合时间数表征流体的混合效率。本实验的实验介质为1.5 wt%的羧甲基纤维素钠溶液，其流变特性参数见表5.3。表5.3羧基纤维素钠溶液的流变特性通过实验测量了R-RT 桨、RF-RT 桨和PRF-RT 桨3 种类型搅拌桨的Metzner 指数ks 分别为11.5，11.1 和10.7。最大Lyapunov 指数本实验计算LLE 过程如下：对压力脉动时间序列数据X1，X2，…

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近五年来取得的成果附录

（1）文章[1]Facheng Qiu,Zuohua Liu,Renlong Liu,et al. Fluid flow signals processing based on fractional Fourier transform in a stirred tank reactor[J]. ISA Transactions,2019,90:268-277.[2]Facheng Qiu,Zuoh

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径向测量点在罐内壁0.06m处的实验装置及流程

4 个宽0.048 m的竖直挡板对称安装。安装在叶轮轴上的扭矩传感器用于测量功耗。如图4.12 所示，测量点在径向方向上距离罐的内壁0.06 m，即径向位置r与罐半径R 的比率为0.75。图4.12实验装置及测量流程1—电机；2—转速控制器；3—扭矩传感器；4—搅拌轴；5—挡板；6—实验测量点；7—搅拌桨；8—计算机；9—数据采集卡；10—压力传感器；11—新型管式气体分布器；12—气体流量计；13—空气压缩机表4.1实验装置的具体参数

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流体混合中的混沌现象：无序却有规律

混沌混合现象的发生使得流体的运移过程，呈现出表观上的无序性及内在的规律性。在搅拌过程中，空间中最开始的两个点，经过混沌混合后到达最终点，这种现象的发生常常预示着体系进入混沌区流线轨迹具有不确定性、不可重复性及不可预测性。正是基于这种反复的折叠与拉伸，使流体的运动流线呈现出一种混沌状态，进而实现流体的充分混合。

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文章标题优化：结果与讨论详尽分析

图5.43DRF-RT-PBDT 桨柔性片长度对LLE 的影响3）气速对LLE 的影响如图5.44 所示为气速对DRF-RT-PBDT 桨气液分散体系中的LLE 的影响规律。如图5.45 所示为在孔隙率为12.56%，气速Vs =0.015 4 m/s 的条件下，DPRF-RT-PBDT 桨孔径对气液分散体系的LLE 的影响。如图5.48 所示为图5.48 中混沌吸引子相对应的分形维数。从图5.48 中可知，随着搅拌功耗的增大，混沌吸引子的分形维数增大，气液分散体系的混沌程度也相应增大。

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实验体系及过程优化方案

实验体系在室温条件下进行整个实验操作。实验过程①加水至液面高度为18 cm，称取32.15 g 的CMC-Na加入搅拌槽中，搅拌混合均匀，待溶解完全。滴加适量酚酞溶液，混合均匀后，加入5 mL 的氢氧化钠溶液。③量取稍过量的硫酸溶液加入搅拌槽中。利用罗技C310 高清晰网络摄像头进行录像，观察流体混合的全过程，同时采集相应的时间扭矩信号。⑦改变桨叶离底高度，重复上述步骤，得到不同桨叶离底高度下的扭矩信号和混合时间。

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整数阶混沌控制方案优化

然而，随着相关研究的进一步深入，人们发现控制混沌不仅能够消除混沌的消极影响，更为重要的是可以对混沌积极的影响加以利用。控制混沌在一定程度上也决定着混沌的应用。现代电子计算机之父冯·诺依曼是第一位产生混沌可控观点的学者，此后历经30 多年直到1987 年，控制混沌这一思想才被Hubler 和Lscher 渐渐引入。

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刚柔组合桨在LLE和MSE方面的性能优越性研究

刚柔组合桨比刚性桨的LLE 值大，其中RF-PBT 相比于其他3 种类型的搅拌桨，其LLE 值分别提高了约42.8%，27.0%，6.9%。偏心率等于0.6 时，其最大LLE 值相比于其他偏心率依次提高了6.5%，2.4%，17.6%，25.1%。在相同的尺度下，当空气射流量等于1.6 m3/h 时，大多数的MSE 值都大于其他条件下的MSE 值，表明该条件流体的运动形式呈更为明显的无序性状态，有利于流体的混沌混合。

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MA值和LLE值随通气量和搅拌转速增加呈同步上升趋势的研究发现

结果表明，随着通气量和搅拌转速的增加，MA 值与LLE 值呈现相同的增加趋势。同时，还发现随着外部条件的增加，相邻两个最大幅值特征量间的变化量以及同类型特征量之间的最大变化量都比LLE 值高了一到两个数量级。一般来讲，当外部条件稍微改变时，较大的AD 和MD 值更容易检测到流体的特性。通过FRFT 方法求解的特征值有助于捕获外部条件的变化引起的微小变化。这些发现将在未来扩展到搅拌反应罐内的单相或气液固体系统。

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