Maxblend攪拌槳在高粘性流體中的微觀混合性能研究

陳若釗，秦 青，梁武斌，張敏革，羅根祥

(1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2. 沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

Maxblend攪拌槳在高粘性流體中的微觀混合性能研究

陳若釗1，秦 青2，梁武斌2，張敏革2，羅根祥1

(1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2. 沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

應(yīng)用商用FLUENT軟件包，采用多重參考系法，對(duì)Maxblend攪拌槳在多種不同類型流體中的混合性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出攪拌槽內(nèi)流體的速度分布特征和循環(huán)狀況。結(jié)果表明，流體的高速流動(dòng)區(qū)域很大，約占整個(gè)攪拌槽體積的70%左右；最大軸向速度出現(xiàn)在攪拌槽的中間橫截面上(Z/H=0.5)，最大無(wú)因次切向速度出現(xiàn)在液面處；在攪拌槽底部，流體主要進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)；不同類型流體的無(wú)因次軸向速度均隨著攪拌雷諾數(shù)的增大而增大，隨著流體特征指數(shù)的增大而減小；軸向和切向循環(huán)量數(shù)隨流體特征指數(shù)有下降趨勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)攪拌裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及Maxblend攪拌槳的廣泛應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

多重參考系法；Maxblend攪拌槳；非牛頓流體；混合性能

攪拌器是一種典型的過(guò)程設(shè)備單元，它主要通過(guò)強(qiáng)制手段對(duì)物料中的氣體或氣泡、液體或液滴、甚至懸浮顆粒等物料攪拌混合均勻[1]。Maxblend攪拌槳是日本住友重機(jī)公司開(kāi)發(fā)的一種大型寬葉攪拌槳，具有低能耗、制造簡(jiǎn)單且易清潔、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。它可應(yīng)用于懸浮物聚合、高粘度液體中氣體吸收等工業(yè)過(guò)程[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)Maxblend攪拌槳的宏觀流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的研究比較多[4]。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)[5-7]技術(shù)應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、化工、海洋等領(lǐng)域已屢見(jiàn)不鮮，它借助于計(jì)算機(jī)將過(guò)程中的流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象計(jì)算出來(lái)。與實(shí)驗(yàn)不同是，CFD的計(jì)算結(jié)果能充分展示過(guò)程中的微觀行為，解決一些實(shí)驗(yàn)手段難以完成的工作，同時(shí)節(jié)省大量時(shí)間和資金[8]。CFD技術(shù)用于攪拌單元時(shí)，能給出攪拌槽內(nèi)的總體宏觀流動(dòng)狀況及局部微觀流動(dòng)信息，信息量十分強(qiáng)大[9-10]。本文著重研究Maxblend攪拌槳在多種不同類型流體中的微觀流場(chǎng)特點(diǎn)，并分析攪拌槽內(nèi)流體的流速隨其物理性質(zhì)的變化特征，為提高攪拌設(shè)備的混合效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算方法及條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

Maxblend攪拌槳在混合高粘性流體時(shí)，攪拌速度普遍較低，一般處于層流狀態(tài)，其流動(dòng)規(guī)律可用納維-斯托克斯方程(N-S方程)來(lái)描述[11-13]。對(duì)于牛頓型高粘性流體來(lái)說(shuō)，流體的粘度μ為一常數(shù)：

μ=constant

(1)

(2)

式中：Kpsu為稠度系數(shù)，kg/m·s2-n；n為流體特征指數(shù)；γ為形變速率張量，與速度之間存在一定的關(guān)系：

(3)

N-S方程分別與式(1)、式(2)聯(lián)立即為高粘性牛頓型流體和高粘性非牛頓型流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

1.2 攪拌裝置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

攪拌裝置的二維結(jié)構(gòu)[14]見(jiàn)圖1，攪拌槽直徑R及高度H分別為720mm和600mm，攪拌槳最大寬度D=600mm，槳葉距底部軸封高度c=10mm，總?cè)莘eV=190L，擋板寬度w=47mm，底部橢圓封頭高度h=150mm。

圖1 Maxblend攪拌槳幾何結(jié)構(gòu)

1.3 攪拌介質(zhì)屬性

攪拌介質(zhì)采用不同的高分子溶液或熔液。其中牛頓流體為80%和90%的淀粉糖漿溶液，溶液密度分別為1310kg/m3和1350kg/m3，粘度分別為0.1Pa·s和1.0Pa·s。非牛頓流體采用了五種，分別為卡伯波樹(shù)脂、1.0%CMC水溶液、1.5%CMC水溶液、2.0%CMC水溶液和1.0%結(jié)冷膠溶液；這五種溶液的密度均為1000kg/m3，稠度系數(shù)分別為23.687kg/m·s2-n、10.8kg/m·s2-n、7kg/m·s2-n、14.96kg/m·s2-n、10kg/m·s2-n，流體特征指數(shù)分別為0.181、0.59、0.75、0.4208、0.3。

1.4 計(jì)算條件

采用多重參考系法對(duì)Maxbled槳在攪拌槽內(nèi)的混合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型流動(dòng)區(qū)域劃分和網(wǎng)格劃分方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11-13]，網(wǎng)格總數(shù)為148332個(gè)。模擬計(jì)算時(shí)，攪拌槳轉(zhuǎn)速控制在0.5～3.0rad/s，攪拌雷諾數(shù)或表觀雷諾數(shù)范圍控制在0.01～6.7之間。邊界條件設(shè)置時(shí)，將槽壁、槽底部以及攪拌槳等固體表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，液面為自由液面。

2 結(jié)果與討論

2.1 槽內(nèi)流型特點(diǎn)

圖2所示為Maxblend攪拌槳在卡伯波樹(shù)脂中、攪拌轉(zhuǎn)速為2.6rad/s時(shí)，攪拌流場(chǎng)縱截面和橫截面的速度分布圖，其中Z表示橫截面距離槽底的高度。由圖2可見(jiàn)，由于Maxblend槳為寬槳葉攪拌槳，在攪拌高粘性流體時(shí)，流體高速流動(dòng)區(qū)域較大，約占整個(gè)攪拌槽體積的70%左右。結(jié)合圖2c、2d可以看出，擋板的存在對(duì)流體的流動(dòng)起到擾動(dòng)作用，但同時(shí)在擋板根部出現(xiàn)較大面積的低速區(qū)。因此，在混合高粘性流體時(shí)，擋板數(shù)量多造成預(yù)混合液體結(jié)塊，數(shù)量少則不能起到加速混合目的，所以在設(shè)計(jì)攪拌裝置時(shí)需要根據(jù)具體情況綜合考慮。在不同橫截面上，流速在攪拌槽內(nèi)基本呈軸對(duì)稱分布，隨著橫截面高度的增大，槳葉外緣處流體高速運(yùn)動(dòng)區(qū)域減小，這與攪拌槳的結(jié)構(gòu)型式相對(duì)應(yīng)。攪拌槳在其它流體中的流型特點(diǎn)與圖2相似。槽內(nèi)流體的這些流型特點(diǎn)與文獻(xiàn)[14]研究結(jié)果相似，驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果的可靠性。

2.2 槽內(nèi)流體流動(dòng)速度變化特點(diǎn)

2.2.1 速度沿半徑方向變化特點(diǎn)

圖3和圖4所示為Maxblend攪拌槳在1%的結(jié)冷膠溶液中，當(dāng)雷諾數(shù)為1.8時(shí)，槽內(nèi)橫截面上無(wú)因次軸向、切向速度沿截面半徑方向上(從圓形出發(fā))的變化規(guī)律。r表示點(diǎn)到橫截面圓心的距離，R表示攪拌槽的半徑。由圖3可以看出，攪拌槽內(nèi)流體軸向運(yùn)動(dòng)比較明顯，在攪拌槽內(nèi)靠近攪拌軸的柱形區(qū)域內(nèi)軸向速度向下，靠近攪拌槽壁面的環(huán)形區(qū)域內(nèi)軸向速度向上，形成了良好的軸向循環(huán)流動(dòng)；在橫截面上同一位置處，中間橫截面上(Z/H=0.5)的軸向速度最為明顯，無(wú)因次軸向速度最高達(dá)0.45，其次為近槽底的橫截面上，軸向速度最大為0.4，然后是槽底與中截面之間的區(qū)域，最后是近液面處，軸向速度最小。與圖4對(duì)比可見(jiàn)，由于槳葉的攪動(dòng)形式為繞攪拌槽的軸線圓周運(yùn)動(dòng)，因此流體的切向流動(dòng)仍然在攪拌槽內(nèi)占主導(dǎo)作用，最大無(wú)因次切向速度達(dá)0.82，出現(xiàn)在靠近槳葉外徑的內(nèi)側(cè)區(qū)域，越靠近攪拌槽壁面，無(wú)因次切向流速越小，越靠近攪拌軸，切向速度越??；同時(shí)可知液面處的切向速度最為顯著，橫截面距離液面越大，切向速度逐漸減弱。切向速度在攪拌軸附近和壁面附近均不明顯。攪拌槽內(nèi)其它非牛頓流體流速沿半徑方向變化特點(diǎn)與圖3和圖4相似。

圖2 攪拌流場(chǎng)縱截面和橫截面的流型特點(diǎn)

圖3 不同橫截面上無(wú)因次軸向速度沿徑向的變化規(guī)律

圖4 不同橫截面上無(wú)因次切向速度沿徑向變化規(guī)律

2.2.2 雷諾數(shù)對(duì)槽內(nèi)流速的影響

圖5所示為攪拌雷諾數(shù)為0.56和0.3，攪拌介質(zhì)為80%的淀粉糖漿溶液(高粘性牛頓流體)，攪拌槽內(nèi)橫截面上無(wú)因次軸向速度曲線。圖6所示為介質(zhì)和操作條件均相同、截面上無(wú)因次切向速度變化曲線。由圖5圖6可知，流體的無(wú)因次軸向流度的最大值隨著攪拌雷諾數(shù)的增大而增大，說(shuō)明攪拌雷諾數(shù)越高，越有利于流體的軸向循環(huán)。而流體的無(wú)因次切向流度隨雷諾數(shù)的變化不大，說(shuō)明流體切向速度隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大。

圖7所示為攪拌介質(zhì)為2%CMC水溶液(高粘性非牛頓流體)，Z/H為0.5的橫截面上流體的無(wú)因次軸向速度隨半徑的變化情況。圖8所示為介質(zhì)和攪拌雷諾數(shù)均相同的條件下，流體的無(wú)因次切向速度隨半徑的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，非牛頓流體的無(wú)因次軸向速度沿半徑方向有些震蕩現(xiàn)象；無(wú)因次切向速度隨雷諾數(shù)的變化幅度不大，但無(wú)因次軸向速度隨雷諾數(shù)的增大而顯著減小，這主要是由于非牛頓流體受到剪切速率越高，表觀粘度越低，導(dǎo)致流體流速降低。

圖5不同雷諾數(shù)下無(wú)因次軸向速度隨半徑的變化曲線(牛頓流體)

圖6不同雷諾數(shù)下無(wú)因次切向速度隨半徑的變化曲線(牛頓流體)

圖7 無(wú)因次軸向速度沿徑向變化規(guī)律(非牛頓流體)

2.2.3 流體特征指數(shù)對(duì)槽內(nèi)流速的影響

流體特征指數(shù)的大小代表流體偏離牛頓流體的程度，流體特征指數(shù)越小，說(shuō)明流體在受到較大的剪切速率時(shí)，表觀粘度越小。圖9和圖10為表觀雷諾數(shù)為1.8時(shí)，不同特征指數(shù)的流體在槽內(nèi)的無(wú)因次軸向流速和切向流速的變化曲線。

圖8 無(wú)因次切向速度沿徑向變化規(guī)律(非牛頓流體)

圖9 不同特征指數(shù)流體的無(wú)因次軸向速度特點(diǎn)

圖10 不同特征指數(shù)的流體的無(wú)因次切向速度特點(diǎn)

對(duì)比圖9和圖10可知，流體特征指數(shù)越小，流體的無(wú)因次軸向速度越大。這主要是因?yàn)殡S著流體特征指數(shù)的減小，流體的剪切稀化性質(zhì)增強(qiáng)，流體的表觀粘度減小，導(dǎo)致流體的無(wú)因次軸向速度增大；說(shuō)明流體的特征指數(shù)越小，在相同操作條件下，流體的軸向循環(huán)越強(qiáng)，有利于流體的混合；流體特征指數(shù)對(duì)于無(wú)因次切向速度影響不大，這與高粘性牛頓流體的變化相一致。

2.3 攪拌流場(chǎng)的循環(huán)狀況

流體的軸向流動(dòng)無(wú)疑對(duì)混合有益，為定量分析流體在攪拌槽內(nèi)的軸向循環(huán)情況，研究流體軸向循環(huán)量數(shù)和切向循環(huán)量數(shù)，計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[9]和[12]。圖11和圖12為表觀雷諾數(shù)為1.8時(shí)，槽內(nèi)流體的軸向循環(huán)量數(shù)和切向循環(huán)量數(shù)隨流體特征指數(shù)的變化曲線。

圖11 軸向循環(huán)量數(shù)隨流體特征指數(shù)變化關(guān)系

圖12 切向循環(huán)量數(shù)隨流體特征指數(shù)變化關(guān)系

從圖11和圖12中的曲線可以看出，隨著流體特征指數(shù)的減小，流體的軸向循環(huán)量數(shù)和切向循環(huán)量數(shù)均有降低趨勢(shì)，最大降低幅度分別為3%和0.2%。這主要是因?yàn)榱黧w的特征指數(shù)越小，在相同剪切速率下，表觀粘度越小，尤其在高剪切速率下，流體的粘度很低，槳葉在該處受到的摩擦力或阻力小，容易形成低壓，導(dǎo)致部分流體產(chǎn)生漩渦，從而在一定程度上消弱了流體的軸向循環(huán)及切向循環(huán)。同時(shí)可以看出，特征指數(shù)在0.2～0.5之間時(shí)，流體軸向循環(huán)量數(shù)隨流體特征指數(shù)變化較快，而流體切向循環(huán)量數(shù)在特征指數(shù)為0.6～0.8范圍內(nèi)變換較快。

3 結(jié)論

(1)Maxblend攪拌槳槳葉較寬，攪拌槽內(nèi)高速流動(dòng)區(qū)域較大，約占整個(gè)攪拌槽體積的70%，擋板對(duì)高粘非牛頓流體起到擾動(dòng)作用，能加速流體混合速度，但要注意到高粘流體易在擋板處結(jié)塊，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

(2)攪拌槽內(nèi)流體切向運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位，但仍存在較明顯的軸向流動(dòng)；流體在攪拌槽中央軸向速度向下，攪拌槽壁附近流體軸向速度向上，流體在槽內(nèi)形成良好的軸向循環(huán)流動(dòng)；流體軸向速度隨雷諾數(shù)的升高而降低，無(wú)因次切向速度幾乎不隨雷諾數(shù)的變化而變化。

(3)流體特征指數(shù)主要對(duì)槽內(nèi)流體的軸向速度產(chǎn)生影響，對(duì)切向速度的改變不大。流體的循環(huán)量數(shù)隨著流體特征指數(shù)的減小有下降趨勢(shì)。

[1]王魯敏，潘家禎，李程.攪拌釜流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].化工機(jī)械，2005，32(5)：288-290.

[2]倉(cāng)津正文,彌富隆.多機(jī)能型反應(yīng)裝置實(shí)用設(shè)計(jì)[J].化學(xué)裝置,1995,37(8):86-92.

[3]三守島.最近攪拌槽進(jìn)步[J].化學(xué)工學(xué),1992,56(2):131-137.

[4]張和照，楊中偉，馮波.多功能大型寬葉攪拌槳[J] .化學(xué)工程，2004,32(4)：30-34.

[5]Hiraoka S，Yamada I，Mizoguchi K. Numerical analysis of flow behavior of highly viscous fluid in agitated vessel[J]. J. Chem. Eng. Japan，1978，11(6)：487-493.

[6]欒德玉.錯(cuò)位槳攪拌假塑性流體流動(dòng)與混合特性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[7]谷磊.海洋微結(jié)構(gòu)剪切流傳感器及其載體設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[8]張永震，韓振為.計(jì)算流體力學(xué)在攪拌混合過(guò)程模擬中的應(yīng)用[J]. 科技通報(bào)，2005，21(3)：332-336.

[9]楊鋒苓.擺動(dòng)式攪拌流場(chǎng)與混合過(guò)程的數(shù)值模擬[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[10]欒德玉,周慎杰，陳頌英.流體流變性對(duì)錯(cuò)位六彎葉槳流場(chǎng)特性的影響[J].化學(xué)工程，2012，40(7)：52-56.

[11]張敏革. 超高分子量HPAM溶液流變行為與雙螺帶螺桿槳攪拌流場(chǎng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[12]張敏革，張呂鴻，姜斌，等.雙螺帶-螺桿攪拌槳在不同流體中的攪拌流場(chǎng)特性[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,42(10):885-887.

[13]張敏革，張呂鴻，姜斌，等.雙螺帶螺桿氣液混合性能數(shù)值模擬及其工業(yè)應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,40(9):85?87.

[14]Thibault F,Tanguy P A.Power-draw analysis of a coaxial mixer with Newtonian and non-Newtonian fluids in the laminar regime,Chem. Eng. Sci,2002,57(18):3861-3872.

MicroMixingPerformanceofMaxblendImpellerinHighViscousFluid

CHEN Ruozhao1,QIN Qing2,LIANG Wubin2，ZHANG Minge2，LUO Genxiang1

(1. Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2. Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Commercial FLUENT software and the method of multiple reference frame method were used to research on the numerical simulation of the Maxblend impeller in a variety of different types of fluid mixing performance,and the fluid velocity distribution and circulation condition within the agitation tank were examined. The results show that high-speed flow area of the fluid is very big,accounted for about 70%of the whole mixing tank or so. The maximum axial velocity is found in the middle of the cross section of the stirred tank(Z/H=0.5),and the largest dimensionless tangential velocity is found in liquid level. The fluid was mainly doing axial movement when being stirred at the bottom of tank. Non-dimensional axial flow of different types of fluid increased with the rise of mixing Reynolds number,and decreased with the rise of the fluid characteristic index;Number of axial and tangential circulation with the fluid characteristics index has a downward trend.The study on the structure optimization of mixing plant and Maxblend impeller has important guiding significance in more widespread application.

multiple reference frame method;maxblend impeller;non-newtonian fluid;mixing performance

2013-03-07

遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2013090)；遼寧省博士后集聚工程項(xiàng)目(2011921015)

陳若釗(1987—)，女，碩士研究生；通訊作者：張敏革(1980—)，女，副教授，博士后，研究方向：化工過(guò)程模擬.

1003-1251(2014)05-0032-06

TQ 027

A

趙麗琴)