攪拌設備攪拌槳葉的設計

攪拌反應器廣泛應用在化工、制藥、廢水處理等工業(yè)領域中。隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，導致如今攪拌反應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、傳質系數高等要求，因此配置多層攪拌槳得到廣泛的應用。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，但組合槳攪拌反應器內部流場復雜性要遠遠大于單層槳。隨著計算機技術的推廣普及與計算方法的新發(fā)展，計算流體動力學(CFD)得到越來越多的應用。通過CFD對攪拌反應器內部流場進行數值模擬，可以模擬出不同操作條件下攪拌反應器內流體的流動特性。

1 ?幾何模型與仿真參數

1.1 ?攪拌反應器

攪拌反應器由透明有機玻璃制作，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，攪拌槳轉速為100r/min。

1.2 ?攪拌反應器三維模型

三維模型圖

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

2 ?數值計算

2.1 ?網格劃分

本文采用CFD前處理軟件GAMBIT對此攪拌反應器模型進行網格劃分。將槳葉區(qū)設置為動區(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面進行耦合。該攪拌反應器內部設置雙層攪拌槳。由于本文對雙層攪拌槳層間距進行研究，因此需對該模型按攪拌槳層間距低、中、高位三種情況進行網格劃分。最終得到三種槳型網格模型的總網格數分別為：526142、639482、607065。如下圖所示為網格質量檢查截面圖。

網格質量檢查截面圖

2.2 ?設置邊界條件與求解

設置兩個攪拌漿區(qū)域為動區(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，邊界條件設置為interface，通過interface與靜區(qū)域耦合，共設置6對interface面。將雙層攪拌槳和攪拌軸的面設置為Moving Wall，在GAMBIT中定義為無滑移固壁，記為攪拌轉動面。

本文借助FLUENT軟件對攪拌反應器進行求解，多相流模型采用流體體積（VOF）模型。設置動區(qū)域為Mesh Motion，設定實驗的轉速值為100r/min，并設置攪拌轉動面隨其所在區(qū)域轉動，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)視器收斂精度設置為10-3。

3 ?計算結果討論及分析

本文中仿真結果基于瞬態(tài)方法進行模擬。設定攪拌轉速為100 r/min，攪拌器轉動一周需0.6 s，記為周期T=0.6s。此次仿真模擬結果分析按攪拌槳層間距的低、中、高位三種情況在50T時的結果進行對比分析，因為在模擬至50T時刻后反應器內流場特性已基本趨于穩(wěn)定。本文所要分析的模擬結果主要有速度云圖、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，遠離攪拌槳區(qū)域速度相對較小，并且攪拌反應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大。上層攪拌槳產生的軸向流和下層攪拌槳產生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個循環(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，攪拌反應釜內速度分布不均勻，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釜內流場矢量圖。反應釜內液體在雙層槳葉區(qū)作環(huán)流上升運動其中也包括了較少的環(huán)流下降運動，并且在槳葉區(qū)運動比較強烈。由圖5(a)、(b)、(c)可以看出最下方槳葉區(qū)液體的環(huán)流下降運動較為強烈，這是由于最下方槳葉區(qū)沒有受到其他槳葉區(qū)產生的環(huán)流上升作用的影響。最上方槳葉區(qū)的液體通過環(huán)流上升到達液面后向心部流動，繼而沿攪拌軸向下返回槳葉區(qū)，這就造成了氣液兩相分界面出現中心下凹、四周上升的錐形的現象，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釜內流場流體運動規(guī)律：上層攪拌槳主要引起反應釜內流體軸向流動，下層攪拌槳主要引起徑向流動。由下層攪拌槳產生的徑向流到達反應釜內壁時與之發(fā)生碰撞并分成兩股，一部分流體沿內壁向上并且受上面兩層攪拌槳的擾動影響繼續(xù)參與到軸向流運動中；另一部分流體沿內壁向下流動，當到達反應釜底部時與之發(fā)生二次碰撞后返回向上流動，當到達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，在液面處和反應器底部k值最小，說明湍流動能主要產生于槳葉周邊區(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，會使內部液相晃動加劇。當攪拌槳處于中位時，反應器內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行模擬研究與實驗驗證。

由于該實驗裝置采集到的為轉速與扭矩值，需換算成功率值，其計算方法見公式（1）。

P=T*n*2π/60 ? ? ? ?(1)

式中T為扭矩值(Nm)；n為轉速值(r/min)。

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

如表1所示，為數值模擬與測試實驗攪拌穩(wěn)定后扭矩值、功率值隨轉速（設定為100r/min）的變化與數值模擬、實驗測試兩者的誤差。

表1 CFD模擬與實驗測試結果匯總表

從表1中可以看出此次實驗的最大誤差為6.4%，說明數值模擬結果與實驗測試結果基本吻合，且在實驗的過程中，機械加工精度與安裝精度沒有考慮；仿真與建模過程中對結果影響較小的螺栓螺母等結構也忽略不計，也是造成試驗和仿真存在偏差的原因。由實驗結果看出，可以采用數值模擬的方法為此類攪拌反應器的驅動電機功率選型提供依據。

4 ?結論

本文應用VOF多相流模型與帶旋流修正的k-ε模型對攪拌反應器內部流場特性進行數值模擬。將計算結果與實驗結果進行對比得到以下結論:

(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；上層攪拌槳產生的軸向流和下層攪拌槳產生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個循環(huán)流場；上層攪拌槳中位安裝時可以較好形成循環(huán)流場且反應器內部液相運動平穩(wěn)具有更好的攪拌效果。

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

實驗結果表明，使用CFD模擬結果與實驗測試結果吻合較好，驗證了CFD數值模擬的可行性，并為該類攪拌反應器的設計、放大及結構優(yōu)化提高生產效率方面提供技術支持與理論依據。

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