攪拌設(shè)備攪拌槳葉的設(shè)計(jì)

攪拌反應(yīng)器廣泛應(yīng)用在化工、制藥、廢水處理等工業(yè)領(lǐng)域中。隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致如今攪拌反應(yīng)器的高徑比也越來越大，單層槳難以滿足氣體分散性好、全罐混合均勻、氣泡停留時間長、傳質(zhì)系數(shù)高等要求，因此配置多層攪拌槳得到廣泛的應(yīng)用。采用組合槳比單層槳有更好的氣液分散效果與更高的混合效率，但組合槳攪拌反應(yīng)器內(nèi)部流場復(fù)雜性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層槳。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣普及與計(jì)算方法的新發(fā)展，計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)得到越來越多的應(yīng)用。通過CFD對攪拌反應(yīng)器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以模擬出不同操作條件下攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體的流動特性。

1 ?幾何模型與仿真參數(shù)

1.1 ?攪拌反應(yīng)器

攪拌反應(yīng)器由透明有機(jī)玻璃制作，其中筒徑T=380mm，高H=1000mm，液面高度h1=845mm，攪拌槳直徑d1=200mm，軸徑d2=30mm，下層攪拌槳距反應(yīng)器底部h2=95mm，雙層組合槳層間距分為低位C1=200mm，中位C2=400mm，高位C3=60s0mm，攪拌槳轉(zhuǎn)速為100r/min。

1.2 ?攪拌反應(yīng)器三維模型

三維模型圖

將三維模型按1:1與實(shí)驗(yàn)用攪拌反應(yīng)器進(jìn)行建模。建模時，將動(攪拌槳)、靜(釜體)區(qū)域分開建模，之后再進(jìn)行裝配組合。由于本文對雙層攪拌槳層間距進(jìn)行研究，因此需將動區(qū)域間距按低位、中位、高位做出調(diào)整，如上圖所示。

2 ?數(shù)值計(jì)算

2.1 ?網(wǎng)格劃分

本文采用CFD前處理軟件GAMBIT對此攪拌反應(yīng)器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將槳葉區(qū)設(shè)置為動區(qū)域，其余部分為流體靜區(qū)域，其中動區(qū)域和靜區(qū)域邊界層通過interface面進(jìn)行耦合。該攪拌反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置雙層攪拌槳。由于本文對雙層攪拌槳層間距進(jìn)行研究，因此需對該模型按攪拌槳層間距低、中、高位三種情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終得到三種槳型網(wǎng)格模型的總網(wǎng)格數(shù)分別為：526142、639482、607065。如下圖所示為網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖。

網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖

2.2 ?設(shè)置邊界條件與求解

設(shè)置兩個攪拌漿區(qū)域?yàn)閯訁^(qū)域，其余部分為靜區(qū)域。將動區(qū)域與靜區(qū)域的交界面定義為滑移面，邊界條件設(shè)置為interface，通過interface與靜區(qū)域耦合，共設(shè)置6對interface面。將雙層攪拌槳和攪拌軸的面設(shè)置為Moving Wall，在GAMBIT中定義為無滑移固壁，記為攪拌轉(zhuǎn)動面。

本文借助FLUENT軟件對攪拌反應(yīng)器進(jìn)行求解，多相流模型采用流體體積（VOF）模型。設(shè)置動區(qū)域?yàn)镸esh Motion，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速值為100r/min，并設(shè)置攪拌轉(zhuǎn)動面隨其所在區(qū)域轉(zhuǎn)動，相對速度為0。速度壓力耦合方式選用Phase coupled SIMPLE算法。殘差監(jiān)視器收斂精度設(shè)置為10-3。

3 ?計(jì)算結(jié)果討論及分析

本文中仿真結(jié)果基于瞬態(tài)方法進(jìn)行模擬。設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為100 r/min，攪拌器轉(zhuǎn)動一周需0.6 s，記為周期T=0.6s。此次仿真模擬結(jié)果分析按攪拌槳層間距的低、中、高位三種情況在50T時的結(jié)果進(jìn)行對比分析，因?yàn)樵谀M至50T時刻后反應(yīng)器內(nèi)流場特性已基本趨于穩(wěn)定。本文所要分析的模擬結(jié)果主要有速度云圖、流場跡線圖和氣液兩相圖。

3.1 ?不同層間距的流場速度分布變化

圖分別表示上層攪拌槳在低位、中位和高位三種不同層間距下的速度場分布情況。通過在不同層間距下流場速度對比來看，上面一層攪拌槳形成軸向流動，最下面一層攪拌槳形成徑向流動。在每種情況下速度影響區(qū)主要集中在攪拌槳周圍，遠(yuǎn)離攪拌槳區(qū)域速度相對較小，并且攪拌反應(yīng)釜底部流場速度較低，形成一個低流速區(qū)。隨著時間的推移速度場影響區(qū)由攪拌槳向外逐漸擴(kuò)大。上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應(yīng)釜內(nèi)形成一個循環(huán)流場。由下圖(a)、(b)看出在上層槳低、高位安裝時由于層間距相對過小或過大，攪拌反應(yīng)釜內(nèi)速度分布不均勻，不能較好的形成循環(huán)流場。相比而言，中位安裝時效果較好。

不同層間距下流場速度云圖

3.2 ?不同間距流場矢量分布變化

圖5為攪拌槳在不同層間距條件下反應(yīng)釜內(nèi)流場矢量圖。反應(yīng)釜內(nèi)液體在雙層槳葉區(qū)作環(huán)流上升運(yùn)動其中也包括了較少的環(huán)流下降運(yùn)動，并且在槳葉區(qū)運(yùn)動比較強(qiáng)烈。由圖5(a)、(b)、(c)可以看出最下方槳葉區(qū)液體的環(huán)流下降運(yùn)動較為強(qiáng)烈，這是由于最下方槳葉區(qū)沒有受到其他槳葉區(qū)產(chǎn)生的環(huán)流上升作用的影響。最上方槳葉區(qū)的液體通過環(huán)流上升到達(dá)液面后向心部流動，繼而沿?cái)嚢栎S向下返回槳葉區(qū)，這就造成了氣液兩相分界面出現(xiàn)中心下凹、四周上升的錐形的現(xiàn)象，其中以攪拌槳高位安裝時最為明顯。

不同間距下流場軸截面速度矢量圖

由矢量圖可以清晰直觀的看到反應(yīng)釜內(nèi)流場流體運(yùn)動規(guī)律：上層攪拌槳主要引起反應(yīng)釜內(nèi)流體軸向流動，下層攪拌槳主要引起徑向流動。由下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流到達(dá)反應(yīng)釜內(nèi)壁時與之發(fā)生碰撞并分成兩股，一部分流體沿內(nèi)壁向上并且受上面兩層攪拌槳的擾動影響繼續(xù)參與到軸向流運(yùn)動中；另一部分流體沿內(nèi)壁向下流動，當(dāng)?shù)竭_(dá)反應(yīng)釜底部時與之發(fā)生二次碰撞后返回向上流動，當(dāng)?shù)竭_(dá)下層攪拌槳的擾動區(qū)域后受其影響繼續(xù)參與徑向流動，與速度云圖模擬結(jié)果相一致。

3.3 ?不同層間距的流場湍動能變化

下圖分別為不同層間距下的流場湍動能變化分布圖。由圖可以看出，槳葉周邊區(qū)域k值最大，沿槳葉區(qū)域向外逐漸減小，在液面處和反應(yīng)器底部k值最小，說明湍流動能主要產(chǎn)生于槳葉周邊區(qū)域，這些區(qū)域湍動程度比較高，混合效果比較好。由圖還可以看出，在上層攪拌槳處于低位、高位情況時，湍動能分布明顯不均勻，上層攪拌槳湍動能相對較大，會使內(nèi)部液相晃動加劇。當(dāng)攪拌槳處于中位時，反應(yīng)器內(nèi)部湍動能分布相對均勻，說明此種情況下，混合效果最好。

不同層間距下流場湍動能云圖

?3.4 ?不同層間距條件下功率值變化

本文也對攪拌槳層間距低位、中位、高位三種情況下的攪拌功率進(jìn)行模擬研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于該實(shí)驗(yàn)裝置采集到的為轉(zhuǎn)速與扭矩值，需換算成功率值，其計(jì)算方法見公式（1）。

P=T*n*2π/60 ? ? ? ?(1)

式中T為扭矩值(Nm)；n為轉(zhuǎn)速值(r/min)。

此次仿真結(jié)果基于瞬態(tài)模擬方法。設(shè)定液面高度845mm保持不變，三種情況下設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速均為100r/min，當(dāng)攪拌穩(wěn)定后通過后處理軟件CFD－POST查看計(jì)算結(jié)果。

如表1所示，為數(shù)值模擬與測試實(shí)驗(yàn)攪拌穩(wěn)定后扭矩值、功率值隨轉(zhuǎn)速（設(shè)定為100r/min）的變化與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測試兩者的誤差。

表1 CFD模擬與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果匯總表

從表1中可以看出此次實(shí)驗(yàn)的最大誤差為6.4%，說明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合，且在實(shí)驗(yàn)的過程中，機(jī)械加工精度與安裝精度沒有考慮；仿真與建模過程中對結(jié)果影響較小的螺栓螺母等結(jié)構(gòu)也忽略不計(jì)，也是造成試驗(yàn)和仿真存在偏差的原因。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，可以采用數(shù)值模擬的方法為此類攪拌反應(yīng)器的驅(qū)動電機(jī)功率選型提供依據(jù)。

4 ?結(jié)論

本文應(yīng)用VOF多相流模型與帶旋流修正的k-ε模型對攪拌反應(yīng)器內(nèi)部流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比得到以下結(jié)論:

(1)上層六斜葉型攪拌槳形成軸向流動，下層新型三箭葉型攪拌槳形成徑向流動；上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應(yīng)釜內(nèi)形成一個循環(huán)流場；上層攪拌槳中位安裝時可以較好形成循環(huán)流場且反應(yīng)器內(nèi)部液相運(yùn)動平穩(wěn)具有更好的攪拌效果。

(2)在對攪拌槳不同層間距對驅(qū)動功率的影響中發(fā)現(xiàn)，攪拌槳在高位安裝時的驅(qū)動功率最小；且采用實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬方法得到的攪拌器驅(qū)動功率最大誤差為6.4%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬的可行性，并為該類攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高生產(chǎn)效率方面提供技術(shù)支持與理論依據(jù)。

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