底入式攪拌器流場的影響因素研究

李明輝 李海風(fēng)

(中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司)

底入式攪拌器主要用于化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)、化肥及材料工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域中，尤其在生物大分子藥物高效化、己內(nèi)酰胺中和與結(jié)晶系統(tǒng)和潔凈大顆粒硫銨連續(xù)結(jié)晶系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的徑向流攪拌器普遍存在全罐混合差，槳區(qū)局部剪切作用強(qiáng)烈及功率因數(shù)偏高等缺點(diǎn)，而新型高效軸流式攪拌器與之相比則傳質(zhì)效率高、攪拌功率低、混合效果良好。筆者主要通過對(duì)高效軸流式攪拌器流場影響因素的研究，為底入式攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)某石化廠硫銨結(jié)晶裝置使用工況，制定硫胺結(jié)晶攪拌器的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如下[1]：

介質(zhì) 硫銨母液(硫銨、有機(jī)物、水)

使用壓力 常壓

釜內(nèi)溫度 常溫

安裝方式 底入式

槳葉形式 高效軸向流翼型

攪拌轉(zhuǎn)速 100～150r/min

槳葉回轉(zhuǎn)直徑 2 084mm

攪拌軸直徑 120～125mm

導(dǎo)流筒內(nèi)徑 2 200 mm

密封形式 雙端面機(jī)械密封+ 填料密封(API682 Plan 54+32)

硫銨結(jié)晶底入式攪拌器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 攪拌器總體結(jié)構(gòu)圖

2 攪拌器流場的數(shù)值模擬

以高效軸向流翼型攪拌槳為模擬對(duì)象，采用CFD方法來模擬和預(yù)測不同攪拌轉(zhuǎn)速及攪拌槳半徑對(duì)攪拌流場的影響，分析在高效軸向流翼型攪拌槳作用下的流場分布。

攪拌器的主要流動(dòng)特征是湍流,采用多重參考系法(MRF)，流體為不可壓縮的牛頓流體，研究體系為定常體系，其中描述湍流基本方程表達(dá)式為[2，3]：

式中φ——通用變量，可代表u、v、w等求解變量；

Γ——廣義擴(kuò)散系數(shù)；

S——廣義源項(xiàng)，其具體代表式和湍流模型見文獻(xiàn)[2]。

采用FLUENT前處理軟件GAMBIT2.2對(duì)攪拌釜和攪拌槳分別劃分網(wǎng)格，由于攪拌槳區(qū)域是計(jì)算中的核心，對(duì)其進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)約為299 500個(gè)；攪拌釜約832 300個(gè)網(wǎng)格。兩者均采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，圖2、3顯示了軸向截面上的網(wǎng)格。數(shù)值方法為SIMPLE算法[4]。計(jì)算域?yàn)?/3的完整模型，選取區(qū)域包括一個(gè)完整的攪拌槳葉。

圖2 攪拌釜的網(wǎng)格劃分圖3 槳葉區(qū)的網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果與分析

3.1攪拌器的剪切-循環(huán)特性

攪拌功率是混合設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù),常用功率準(zhǔn)數(shù)NP和排出流量準(zhǔn)數(shù)Nqd來表征攪拌器的剪切-循環(huán)特性。由于攪拌器對(duì)流體攪拌所作的功都消耗在對(duì)流體進(jìn)行剪切和促使流體循環(huán)兩方面,故用NP/Nqd表征消耗于剪切和循環(huán)的能耗比值參數(shù), 其值越大表示葉輪攪拌功率中消耗于剪切的比例越大[5，6]。功率準(zhǔn)數(shù)NP和排出流量準(zhǔn)數(shù)Nqd為：

式中d——葉輪直徑；

n——轉(zhuǎn)速；

NP——功率準(zhǔn)數(shù)；

Nqd——排出流量準(zhǔn)數(shù)；

P——功率；

Q——槳葉排出流量；

ρ——密度。

3.2攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)流場的影響

轉(zhuǎn)速是攪拌槳設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。在其他條件不變的情況下，改變槳葉轉(zhuǎn)速進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，結(jié)果見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的模擬數(shù)據(jù)

圖4為攪拌流場的速度分布云圖，其流場的分布大致相同，攪拌轉(zhuǎn)速的變化對(duì)攪拌釜內(nèi)流場的分布形式影響較小，導(dǎo)流筒內(nèi)均勻的分布5個(gè)速度區(qū)，表明流場中的速度梯度相同，但反應(yīng)釜內(nèi)流場的絕對(duì)速度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加(正相關(guān))。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下攪拌流場的速度分布云圖

由轉(zhuǎn)速與流量、攪拌功率的關(guān)系圖(圖5)可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流量和功率也隨之增加，近似呈線性規(guī)律分布。圖6為轉(zhuǎn)速與NP/Nqd比值的關(guān)系曲線，可以看出NP/Nqd值隨轉(zhuǎn)速增加而下降，說明當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，攪拌器內(nèi)循環(huán)性能更好，攪拌槳的軸流性能得到更大的發(fā)揮。但是，為控制攪拌器內(nèi)結(jié)晶的二次成核速度，需要在保證結(jié)晶器內(nèi)懸浮液混合良好的基礎(chǔ)上減小攪拌轉(zhuǎn)速。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下流量和功率曲線

圖6 不同轉(zhuǎn)速下NP/Nqd值曲線

3.3攪拌槳半徑對(duì)流場的影響

分別對(duì)不同攪拌槳半徑條件下的攪拌流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，結(jié)果見表2。

表2 不同攪拌半徑下的模擬數(shù)據(jù)

從圖7可以看出，隨著攪拌半徑的增大，導(dǎo)流筒內(nèi)的速度梯度從4個(gè)逐漸增加到6個(gè)，說明攪拌器內(nèi)速度分布逐漸均勻，導(dǎo)流筒出口和進(jìn)口處的速度逐漸增強(qiáng)，增加了出口的擴(kuò)散性，提高了混合效果，此外由于攪拌器底部的速度增加，利于消除底部的攪拌死區(qū)。

圖7 不同攪拌半徑下攪拌流場的速度分布云圖

由不同半徑下流量和功率的曲線(圖8)可以看出，隨著攪拌半徑的增加，流量和功率曲線大體上是呈增加趨勢，說明了釜內(nèi)循環(huán)流速有增加趨勢。但是從圖9可以看出，NP/Nqd曲線也在緩慢增加，說明隨著攪拌半徑的增加，剪切性能也在增加。

圖8 不同半徑下流量和功率曲線

圖9 不同半徑下Np/Nqd值曲線

攪拌器內(nèi)流體形成以上運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原因?yàn)椋河捎跀嚢璋霃降脑黾樱瑪嚢铇瞬颗c導(dǎo)流筒的間隙減小，容積損失減少，軸流性增強(qiáng)；隨攪拌半徑的增加，攪拌槳與流體的剪切作用面積增加，剪切性能有所增強(qiáng)，攪拌器內(nèi)流體的循環(huán)性能降低。

4 結(jié)論

4.1攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌釜內(nèi)流場的分布形式影響較小，反應(yīng)釜內(nèi)流場的絕對(duì)速度與攪拌轉(zhuǎn)速成正相關(guān)；隨著轉(zhuǎn)速的增加，流量和功率也隨之增加，近似呈線性規(guī)律分布；攪拌器內(nèi)循環(huán)性能更好，攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)具有較好的軸流性能。

4.2隨著攪拌半徑的增大，攪拌器內(nèi)速度分布逐漸均勻，導(dǎo)流筒出口和進(jìn)口處的速度逐漸增強(qiáng)，增加了出口的擴(kuò)散性，提高了混合效果，利于消除底部的攪拌死區(qū)；隨著攪拌半徑的增加，流量和功率曲線大體上是呈增加趨勢，葉輪攪拌功率中消耗于剪切的比例增大，提高了攪拌槳的剪切性能。

[1] 陳乙崇.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書: 攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1985:63～96.

[2] 朱培模.高效節(jié)能攪拌器的數(shù)值模擬及性能預(yù)測[D].昆明：昆明理工大學(xué), 2008.

[3] 張林進(jìn),葉旭初. 攪拌器內(nèi)湍流場的CFD模擬研究[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,27(2):59-63.

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