雙層槳攪拌槽的混合過程研究

徐 金, 逄啟壽, 郜飄飄， 羅 松

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

雙層槳攪拌槽的混合過程研究

徐 金, 逄啟壽, 郜飄飄， 羅 松

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

為了提高雙層槳酸溶攪拌槽的混合速率，本文利用數(shù)值模擬的方法對雙層槳以及改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后的攪拌槳的混合過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：槳葉直徑、葉片角度、擋板寬度等五個結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合過程的影響不同，其中槳葉直徑的增大能有效縮短混合時間，葉片角度的增加主要影響攪拌槽內(nèi)的流場流型，擋板寬度對混合過程基本無影響。

混合過程； 數(shù)值模擬； 結(jié)構(gòu)參數(shù)

0 引言

攪拌混合過程的研究是設(shè)計攪拌設(shè)備的重要依據(jù)，一直是國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的問題。計算流體力學(xué)(CFD)方法因其較實驗方法具有操作簡單、耗時較短、性能預(yù)測強(qiáng)、內(nèi)部流場可視化等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在攪拌混合過程的研究中。施力田等[1]采用數(shù)值模擬的方法對雙層渦輪槳攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體的流動和混合進(jìn)行了研究，并試驗測試了混合過程，兩個結(jié)果吻合良好。趙靜等[2]研究了三層組合槳攪拌槽內(nèi)流場，通過改變槳的三個結(jié)構(gòu)參數(shù)得到了4種不同流型。逄啟壽[3]對直斜組合槳不同安裝順序下的混合過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了加料點和監(jiān)測點的位置對混合時間的影響。

本文利用數(shù)值模擬的方法對雙層折葉槳以及改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后的攪拌槳的混合過程進(jìn)行研究。分析了初始槳的示蹤劑擴(kuò)散過程和響應(yīng)曲線，并重點討論了雙層槳酸溶槽的5個結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合過程的影響。

1 研究對象

1.1 幾何模型

以贛州某企業(yè)的釹鐵硼酸溶攪拌槽為研究對象，該攪拌槽為弧形底的圓桶，桶徑D=3 000 mm，桶高H=3 000 mm，有效液面高度H1=2 800 mm。內(nèi)部有對稱分布的4塊擋板，擋板寬度Wb=250 mm，擋板離桶壁距離Sb=50 mm。初始攪拌槳為雙層折葉槳，兩層槳葉交叉90°，槳葉直徑d=1 200 mm，槳葉寬度b=120 mm，葉片角度θ=60°，層距SP=500 mm，下槳葉離槽底部距離Sc=600 mm。

1.2 參數(shù)設(shè)計

本文以初始槳葉和擋板寬度結(jié)構(gòu)尺寸作為基礎(chǔ)并根據(jù)多層槳葉和擋板寬度的尺寸設(shè)計推薦公式，選取了五個結(jié)構(gòu)參數(shù)：槳葉直徑d、葉片角度θ、擋板寬度Wb、下槳葉離底部距離Sc、兩槳葉之間的層距SP，經(jīng)過計算后在合適的取值范圍內(nèi)各結(jié)構(gòu)參數(shù)選取五組數(shù)值作為研究對象。各結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取值如表1。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT軟件采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方式對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于攪拌槳的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此，劃分槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域和外部桶體靜止區(qū)域的網(wǎng)格時采用不同增長率，同時對攪拌旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚?，提高該區(qū)域的計算精度。攪拌槽整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

2.2 模擬計算方法和物料屬性

模擬計算方法與文獻(xiàn)[3]中提供的方法一致。采用多重參考系法處理旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域，模擬選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用隱式分離求解器，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解流場，待流場穩(wěn)定后，加入示蹤劑進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)

表1 攪拌槳參數(shù)選取值

圖1 攪拌槽整體網(wǎng)格劃分

求解濃度場。示蹤劑一般選能和工作介質(zhì)互溶的物質(zhì)，通常選用NaCl或KCl[4]，本文模擬選用NaCl作為示蹤劑材料，其密度(20 ℃)為1 186 kg/m3，粘度μ=2.3×10-3Pa·s。它的加入是通過設(shè)置好的投料點作為球心，將半徑為100 mm的球體所包含的區(qū)域作為示蹤劑，將其濃度值定義為1，槽內(nèi)其他區(qū)域濃度值定義為0。利用Fluent初始化功能中的補(bǔ)丁功能，通過補(bǔ)丁的方式加入到計算當(dāng)中。

物料屬性：本模擬選用的工作介質(zhì)為水和甘油的混合物，參照實際生產(chǎn)物料溶解后的料液宏觀上類似污水，粘度范圍一般在5×10-3Pa·s～10×10-3Pa·s之間，根據(jù)化學(xué)化工物性手冊- 有機(jī)卷查得58%甘油水溶液其密度(20 ℃)為1 148.3 kg/m3，粘度μ=9.586×10-3Pa·s。

2.3 模擬條件與參數(shù)

混合時間是描述混合過程的一個重要參量，它是通過監(jiān)測槽內(nèi)設(shè)定點的示蹤劑濃度值得來的，當(dāng)所有設(shè)定點的示蹤劑濃度值達(dá)到穩(wěn)定濃度的±5%且后續(xù)波動不超過該范圍[5]，則認(rèn)為最后達(dá)到該濃度值的監(jiān)測點所需時間為最終混合時間。本文選取靠近液面的一點T作為加料點。在相鄰兩擋板之間選取四個監(jiān)測點，分別為P1、P2、P3、P4，且各監(jiān)測點離桶壁距離相等。監(jiān)測點及加料點具體分布如圖2所。

圖2 監(jiān)測點與加料點位置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 示蹤劑擴(kuò)散分析

圖3是初始槳在轉(zhuǎn)速為75 rpm下不同時刻的示蹤劑擴(kuò)散云圖，云圖觀測面是處于相鄰兩擋板之間夾角45°的中間面。由于示蹤劑在前期擴(kuò)散運動不是太明顯，因此，云圖截取時間選10 s～35 s，時間間隔為5 s，在該段時間內(nèi)示蹤劑擴(kuò)散運動較為劇烈和明顯。從圖中明顯看到示蹤劑擴(kuò)散表現(xiàn)出軸向循環(huán)排液的特點，液面加料點處的示蹤劑首先向葉輪區(qū)靠近，后沿槳葉向下排液方向運動碰觸槽底后反向沿槽壁向上運動，到達(dá)液面處后又沿攪拌軸向葉輪區(qū)運動形成一個大循環(huán)，這與軸向攪拌槳的“單循環(huán)”流動相一致；由于示蹤劑的擴(kuò)散與速度場密切相關(guān)[6]，從t=25 s時刻的示蹤劑擴(kuò)散云圖可知攪拌軸遠(yuǎn)離槳葉的上部分區(qū)域介質(zhì)流速比較低，示蹤劑向此處的擴(kuò)散主要靠濃度差。

圖3 不同時刻示蹤劑擴(kuò)散云圖

3.2 混合時間與混合準(zhǔn)數(shù)分析

根據(jù)設(shè)置的監(jiān)測點，通過監(jiān)測得到每一時刻下的濃度值進(jìn)而繪制出時間濃度曲線，得到混合時間，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，在這里只給出了初始槳葉的濃度時間變化曲線，如圖4所示。其余監(jiān)測數(shù)據(jù)均在表2中給出。

圖4 監(jiān)測點濃度隨時間變化曲線

從圖4中可以看出，在同一槽體內(nèi)各監(jiān)測點所得到的濃度響應(yīng)曲線不相同，雖然都有明顯的濃度峰值，峰值的大小不同，出現(xiàn)的時刻也不同，P1點和P2點基本同時出現(xiàn)峰值，隨后P3點出現(xiàn)峰值，最后P4點出現(xiàn)峰值，這與前面的濃度擴(kuò)散云圖相一致，再次證明了槽內(nèi)的流場是“單循環(huán)流”。由于槳葉結(jié)構(gòu)尺寸改變而引起槽內(nèi)流場變化，使得在同一位置上的監(jiān)測點所獲得的濃度響應(yīng)曲線也不盡相同，監(jiān)測點得到的混合時間也不同。

為了更好地對混合效果進(jìn)行評價，在這里引入攪拌槳的混合準(zhǔn)數(shù)：通常用無量綱為一的物理量來表示，由攪拌槳轉(zhuǎn)速與混合時間的乘積而得到[7]：

Tm=θmN

(1)

式中：θm——最終混合時間，s；

N——攪拌轉(zhuǎn)速，rpm。

Tm的物理意義為達(dá)到所設(shè)定的混合效果，攪拌槳需要旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的數(shù)值越小，則說明攪拌槳的混合速率越高。因此，混合準(zhǔn)數(shù)也常作為評價攪拌槳混合性能好壞的指標(biāo)之一。各變量下的混合準(zhǔn)數(shù)計算結(jié)果見下表2。

表2 各監(jiān)測點所得混合時間與 混合準(zhǔn)數(shù)的計算結(jié)果

從表2中可以看出，槳葉直徑對各監(jiān)測點的混合時間影響較大，直徑<1 000 mm時，遠(yuǎn)離槳葉的監(jiān)測點P4的混合時間明顯比其他監(jiān)測點的混合時間長，而直徑≥1 000 mm時此現(xiàn)象消失；槳葉直徑增加能有效縮短最終混合時間且變化范圍差值接近100 s，但縮短趨勢逐漸減弱且未隨著直徑增加而一直減小，說明直徑對混合時間的縮短作用在一定的尺寸范圍內(nèi)。在角度影響下所得到的最終混合時間作用規(guī)律類似直徑變化產(chǎn)生的效果，角度對混合時間縮短作用同樣存在著一個的范圍；角度為30°時P4點最先混合均勻，這是因為加料點與P4點處在同一水平面，此角度下流場表現(xiàn)為切向流為主，隨著角度的增加，最短混合時間由P4點逐漸變到P1點，說明切向流逐漸轉(zhuǎn)為軸向流，這與文獻(xiàn)[8]結(jié)果一致。隨著層距的增加最終混合時間呈現(xiàn)出先減小后增大的“波谷”狀，這與文獻(xiàn)[9]結(jié)果一致。隨著底距的增加，最終混合時間出現(xiàn)“M”狀，在底距為550 mm和750 mm處最終混合時間比較長，混合效率比較低。擋板寬度對最終混合時間基本無影響，且最終混合時間均由離槳葉最遠(yuǎn)的監(jiān)測點P4決定。

由表2中計算得到的混合準(zhǔn)數(shù)可以看出，在槳葉直徑為1 300 mm的情況下大約只需要旋轉(zhuǎn)33圈即可達(dá)到規(guī)定的混合效果，而直徑在為600 mm的情況下則要轉(zhuǎn)203圈才能達(dá)到，相差近6倍關(guān)系。同時混合準(zhǔn)數(shù)的最小與最大值均在直徑組當(dāng)中出現(xiàn)，可見直徑對于混合速率的影響是非常大的。折葉角度在本文所選取的最大值66°時，其達(dá)到混合均勻要求時需要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)卻不是該變量組中最少的，角度在30°-50°內(nèi)增加時對于混合速率有一定的提高作用，當(dāng)折葉角度超過這個范圍時混合速率沒有提高反而出現(xiàn)下降。層距在300 mm～600 mm時混合速率會隨著層距增大而出現(xiàn)小幅提高，在超過600 mm同樣出了混合速率下降的情況。

4 結(jié)論

(1)在轉(zhuǎn)速不變的情況下，槳葉直徑增大，葉片末端線速度增大，湍動能增大，因此能有效縮短最終混合時間，提高混合速率，但其作用效果逐漸降低，且在一定的尺寸范圍內(nèi)。

(2)隨著折葉槳葉片角度的增加，流場逐漸從切向流過渡到軸向流，這和葉片的排液方式相關(guān)，其和層距對混合速率的影響類似，都存在一個最佳值。

(3)擋板寬度在推薦值范圍內(nèi)對混合速率基本無影響，當(dāng)超過推薦值時對混合速率的影響還有待研究。

[1] 施力田,高正明,閔健.雙層渦輪槳攪拌反應(yīng)器內(nèi)混合時間的大渦模擬[J].華東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,32(3):352-356.

[2] 趙靜,程先明,高正明.組合槳液相攪拌槽內(nèi)流動特性的實驗研究及數(shù)值模擬[J].北京化工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,38(3):22-27.

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Research of mixing process in stirred tanks with dual impeller

XU Jin, PANG Qi-shou, GAO Piao-piao， LUO Song

To increase the mixing rate of acid-soluble stirred tanks with dual impeller, this paper studies on the mixing process of dual impeller and agitating impeller after adjusting structure parameters by numerical simulation. The results show that five structure parameters, such as impeller diameter and angle, width of baffle had different effects on nixing process. The increase of the impeller diameter could significantly shorten the mixing time. The impeller angle mainly affects the flow field of the stirred tank. The width of baffle hardly effects on mixing process.

mixing process; numerical simulation; structure parameter

徐 金(1990—),女，山東沂南人，碩士，主要研究方向：機(jī)械制造與冶金設(shè)備。

2016-04-21

TQ051.7

B

1672-6103(2017)01-0046-04