基于CFD仿真分析的攪拌反應(yīng)釜混合特性研究

張 仂

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

攪拌是一種常用的化工單元操作，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、生物等行業(yè)。在鹽行業(yè)，槳葉式攪拌釜是常用的一種反應(yīng)器。在攪拌釜結(jié)構(gòu)布置方案不合理的情況下，往往會(huì)引起攪拌不均勻、攪拌死區(qū)等問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的攪拌效率不高，影響反應(yīng)進(jìn)程。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過CFD方法對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析成為可能。對(duì)于攪拌反應(yīng)釜這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，很難采用傳統(tǒng)流體力學(xué)手段獲得其內(nèi)部流場(chǎng)信息，而CFD仿真方法很大程度上彌補(bǔ)了測(cè)試手段有限的不足[1-3]。為此，利用CFD仿真分析方法對(duì)兩種槳葉反應(yīng)攪拌釜器進(jìn)行了仿真分析，比較了不同攪拌速率和不同槳葉布置下的攪拌效果，為類似結(jié)構(gòu)的反應(yīng)攪拌釜設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

2 反應(yīng)釜幾何模型

圖1為某反應(yīng)反應(yīng)釜外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部攪拌器結(jié)構(gòu)。攪拌器分別采用是3層槳和2層槳。攪拌釜內(nèi)徑1 800 mm，直筒高度5 450 mm，擋板四塊均布，寬度360 mm，攪拌器直徑950 mm。

圖1 某反應(yīng)反應(yīng)釜外形及攪拌器結(jié)構(gòu)Fig.1 The shape and agitator structure of a reactor

3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

3.1 數(shù)學(xué)模型

反應(yīng)釜中的介質(zhì)為濃鹽水，在槳葉的攪拌下，反應(yīng)釜中的流動(dòng)過程可以假定為三維不可壓縮的黏性湍流流動(dòng)。需用連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[4-5]等控制方程對(duì)問題進(jìn)行求解。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

湍動(dòng)動(dòng)能k輸運(yùn)方程：

(3)

湍動(dòng)耗散率ε輸運(yùn)方程：

(4)

式(1)～式(4)中，i,j=1,2,3；u為介質(zhì)的流動(dòng)速度;p為介質(zhì)壓力；t為時(shí)間；μ為介質(zhì)黏度；δij為Kronecker算子；k為流體的湍動(dòng)強(qiáng)度；ε為流體的湍動(dòng)耗散率；μeff為湍流黏度；YM為湍流膨脹耗散相；Gk為與平均速度梯度有關(guān)的湍動(dòng)動(dòng)能生成項(xiàng)，Gb為與浮力有關(guān)的湍動(dòng)動(dòng)能生成項(xiàng)。k-ε方程中的其它參數(shù)分別為：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1，σε=1.3。

壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。上述控制方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力—速度耦合計(jì)算。

3.2 計(jì)算方法

攪拌釜仿真模型采用FLUENT軟件建立。為解決運(yùn)動(dòng)槳葉和靜止擋板及釜壁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，文章采用多重參考坐標(biāo)系(MRF)法進(jìn)行模擬。選取整個(gè)流場(chǎng)域?yàn)橛?jì)算域，對(duì)槳葉區(qū)和非槳葉區(qū)分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，槳葉區(qū)附近的流體區(qū)域劃分為動(dòng)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)為與攪拌槳葉相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系。固體壁面條件均采用無滑移固體壁面條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

3.3 網(wǎng)格劃分

文章采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型離散。為提高計(jì)算結(jié)果精度，對(duì)槳葉和攪拌軸區(qū)域做了網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格總數(shù)量約為140萬個(gè)。反應(yīng)釜的網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of reactor

3.3 邊界條件和介質(zhì)條件

反應(yīng)釜入口流量為60 m3/h；出口為完全發(fā)展條件；槳葉轉(zhuǎn)速為80 r/min和120 r/min兩種工況。

反應(yīng)釜內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為濃鹽水，密度1 300 kg/m3，黏度2.2×10-3Pa·S。

4 結(jié)果分析

通過對(duì)比不同槳葉結(jié)構(gòu)下的反應(yīng)釜流場(chǎng)(圖3)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)釜在兩槳結(jié)構(gòu)下，其內(nèi)部的軸向混合效果欠佳，在反應(yīng)釜上部存在較多的循環(huán)滯流區(qū)，沒有形成有效的軸向流動(dòng)。三槳結(jié)構(gòu)下，反應(yīng)釜的軸向循環(huán)比較充分，基本無循環(huán)滯流區(qū)，在反應(yīng)器的上部也形成了較為充分的軸向循環(huán)流動(dòng)。

圖3 反應(yīng)釜內(nèi)的流場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of flow field in reactor

圖4是兩槳葉和三槳葉在不同高度下的軸向速度分布。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三槳葉結(jié)構(gòu)可以大大提升反應(yīng)反應(yīng)釜上部軸向循環(huán)流速，尤其是液面附近的流速，由原來的0.2 m/s～0.4 m/s，上升到1.0 m/s～2.5 m/s左右，從而使得整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)混合效果更佳。

表1對(duì)比了兩種反應(yīng)器的攪拌軸功率。兩槳葉的輸出軸功率較小，單位體積攪拌功率約為0.95 kW(80 r/min)；三槳葉單位體積攪拌功率約為1.4 kW(80 r/min)，比兩槳葉結(jié)構(gòu)提高了約1.5倍，軸功率提升明顯。

圖4 反應(yīng)器不同高度的軸向速度分布Fig.4 Axial velocity of different heights of reactor

槳葉數(shù)/個(gè)轉(zhuǎn)速80 r·min-1時(shí)/kW轉(zhuǎn)速120 r·min-1時(shí)/kW250165.1373.2245.7

5 結(jié)論

研究表明，CFD技術(shù)可以有效地預(yù)測(cè)攪拌反應(yīng)器的流場(chǎng)分布特性、攪拌功率和操作參數(shù)。尤其是針對(duì)較大體積的反應(yīng)器，可以在無法采用傳統(tǒng)試驗(yàn)手段觀測(cè)的情況下，得到反應(yīng)釜內(nèi)部的詳細(xì)流場(chǎng)信息，為反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的理論支持。