吳煜斌 郝惠娣 郭玉婷

(西北大學(xué)化工學(xué)院)

氣液固三相的攪拌混合是指氣體被通入液體時(shí)有固相溶解/生成，或三者都參與化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，對(duì)于有氣體排出的行為一般不需要攪拌。氣液固三相的攪拌混合過(guò)程主要關(guān)注由攪拌器產(chǎn)生的流型，也就是容器中的氣體分散受固體顆粒濃度和粒徑分布的影響，同時(shí)固體顆粒的懸浮受氣體速率和氣泡大小的影響。三相攪拌器廣泛應(yīng)用于石油、化工及生物發(fā)酵等領(lǐng)域，影響攪拌效果的因素主要有電機(jī)轉(zhuǎn)速、攪拌槳類型及反應(yīng)物性質(zhì)等[1]。

筆者認(rèn)為攪拌槳葉片數(shù)對(duì)攪拌功率有影響，但攪拌功率并不是隨著葉片數(shù)的增加而無(wú)限增大，而是存在一個(gè)最佳峰值。攪拌槳葉片數(shù)無(wú)窮大時(shí)，攪拌槳接近于圓柱，此時(shí)攪拌效果最差，因此，若能找到這個(gè)最佳葉片數(shù)，既能提高效率，又能降低成本。同時(shí)，筆者認(rèn)為攪拌槳的安裝高度也是一個(gè)影響攪拌功率的因素。對(duì)攪拌器內(nèi)部的混合性能進(jìn)行預(yù)測(cè)需借助計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行模擬仿真。筆者利用Ansys CFX 12.0軟件對(duì)渦輪攪拌器內(nèi)的氣液固三相混合性能進(jìn)行數(shù)值模擬，考察在相同時(shí)間內(nèi)，攪拌槳不同葉片數(shù)和安裝高度對(duì)攪拌效果的影響規(guī)律，并找到攪拌效果最佳的葉片數(shù)和安裝高度。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

三相攪拌器是底部加定子(氣體分布器)的中心龍卷流型攪拌器，槳葉為直葉圓盤渦輪槳，底部安裝有4塊對(duì)數(shù)螺旋線導(dǎo)流板。槳葉安裝高度L=280mm，攪拌器內(nèi)徑D=300mm，攪拌器高度H=400mm，液體高度H1=300mm，導(dǎo)流板高度H2=25mm，氣體分散裝置高度H3=35mm，入口直徑D1=35mm，氣體分散孔的直徑為1mm。

三相攪拌器模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。采用非結(jié)構(gòu)四面體對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)

圖1 三相攪拌器模型網(wǎng)格劃分

行優(yōu)化以滿足流場(chǎng)分析的要求。對(duì)槳葉、螺旋導(dǎo)流板和槽壁面處采用Inflation處理使網(wǎng)格細(xì)化，以便更好地描述流場(chǎng)的流動(dòng)性能[2]。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)主要探究攪拌槳葉片數(shù)和安裝高度對(duì)攪拌效果的影響，因此采用控制變量法進(jìn)行研究，即在物料相同、電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，通過(guò)改變?nèi)~片數(shù)N(6、10、14、22)和安裝高度L(120、160、200、240、280mm)研究三相攪拌器的混合效果。最后用Origin繪出攪拌器內(nèi)某一點(diǎn)固相體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，找出最佳攪拌槳葉片數(shù)和安裝高度。

2 結(jié)果與分析

攪拌功率是指攪拌時(shí)單位時(shí)間內(nèi)輸入釜內(nèi)物料的能量，它不包括在軸封和傳動(dòng)裝置中損耗的能量。影響攪拌功率的因素很多，主要有幾何因素和物理因素兩大類，共包括4個(gè)方面[3,4]：

a. 攪拌器的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速n。幾何尺寸包括攪拌器直徑d、槳葉寬度B、槳葉傾斜角、單個(gè)攪拌器葉片數(shù)及攪拌器安裝高度等。

b. 攪拌器結(jié)構(gòu)。包括容器內(nèi)徑D、液面高度H、擋板數(shù)、擋板寬度b及導(dǎo)流筒尺寸等。

c. 攪拌介質(zhì)特性。包括液體密度ρ和粘度μ。

d. 重力加速度g。

雷建勇等已將容器內(nèi)徑D及擋板寬度b等對(duì)攪拌功率的影響歸結(jié)到功率準(zhǔn)數(shù)NP，并得到功率準(zhǔn)數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系[5]：

NP=4.5154Re-0.4631

對(duì)于粘度一定的液體，最佳攪拌槳葉片數(shù)和安裝高度就是攪拌效果出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)候。

2.1攪拌槳葉片數(shù)

圖2a給出了6種攪拌槳葉片數(shù)(6、10、14、18、22、26)在相同轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間(10s)內(nèi)，相同位置觀測(cè)點(diǎn)的固相體積分?jǐn)?shù)變化情況，由圖2a可知：固相體積分?jǐn)?shù)在10s時(shí)隨攪拌槳葉片數(shù)的增加而增加，但葉片數(shù)增加到22時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)開始下降。由此可見，在某一階段流體的湍動(dòng)程度隨葉片數(shù)的增加而增加，但葉片數(shù)增加到一定程度時(shí)，葉片之間的距離減小，葉片之間就會(huì)抵消相互產(chǎn)生的動(dòng)能，因此攪拌槳葉片并不是越多越好。如圖2b所示，在相同的電機(jī)轉(zhuǎn)速下，隨著葉片數(shù)的增加，槳葉周圍的液相速度呈下降趨勢(shì)，因此葉片增加有利于產(chǎn)生湍流，但同時(shí)會(huì)使液相速度減小。因此渦輪攪拌槳葉片數(shù)為22時(shí)，攪拌效果最佳。

a. 固相體積分?jǐn)?shù)

同理，觀察氣相體積分?jǐn)?shù)的變化(圖3)得出了相同的結(jié)論，攪拌槳葉片數(shù)為22時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)最大。

圖3 氣相體積分?jǐn)?shù)隨葉片數(shù)的變化曲線

2.2攪拌槳安裝高度

圖4為攪拌槳安裝高度對(duì)攪拌器流場(chǎng)的影響，由圖4可知：攪拌槳安裝高度L=120mm時(shí)，攪拌器內(nèi)形成兩大穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng)，并在攪拌槳下方形成一個(gè)小型的低速環(huán)流區(qū)，此時(shí)攪拌流場(chǎng)穩(wěn)定；攪拌槳安裝高度L=200mm時(shí)，攪拌器內(nèi)部循環(huán)流區(qū)域變小，液體流動(dòng)速度減小，攪拌槳下部的低速環(huán)流區(qū)消失，槽內(nèi)無(wú)法形成軸向環(huán)流，并在攪拌器底部出現(xiàn)回流現(xiàn)象[6]。在攪拌槳下部區(qū)域，流體從底部中心區(qū)域向上流動(dòng)，而在此區(qū)域外是向下速度較大的液流，由伯努利方程可知該區(qū)域的壓強(qiáng)會(huì)變小，導(dǎo)致速度減小。壓強(qiáng)較大的底部中心區(qū)域的流體發(fā)生向上流動(dòng)的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)竭_(dá)葉輪附近后又隨周圍速度較大的流體向下流動(dòng)[7]。

a. L=120mm

b. L=200mm

攪拌槽底部存在低速區(qū)，物料在此區(qū)域堆積，起不到混合的作用，這就要求在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)盡量消除這一區(qū)域。增加安裝高度可以減小這一區(qū)域，但距離底部固體過(guò)遠(yuǎn)也不利于固相的混合。在對(duì)不同安裝高度的混合效果進(jìn)行模擬之后發(fā)現(xiàn)，在此工作情況下存在一個(gè)最佳的安裝高度，即160mm(圖5)。

圖5 固相體積分?jǐn)?shù)隨安裝高度的變化曲線

由于攪拌器的中心龍卷流型會(huì)使其中心凹陷，導(dǎo)致氣體很快到達(dá)液面，并使攪拌槳露出液面造成功率的浪費(fèi)，因此對(duì)于氣相的混合，攪拌槳安裝高度越低越好，但也存在一個(gè)最佳高度，即160mm(圖6)。

圖6 氣含率隨安裝高度的變化曲線

從圖6還可以看出，攪拌槳安裝高度L為280、240、200mm時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)最后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谶@些高度下，觀測(cè)點(diǎn)已露出液面。

3 結(jié)論

3.1攪拌器的攪拌功率不僅與攪拌器的幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、攪拌器結(jié)構(gòu)和攪拌介質(zhì)特性有關(guān)系，還與單個(gè)攪拌器的葉片數(shù)和安裝高度有關(guān)。在本氣液固三相攪拌器中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，渦輪攪拌槳葉片數(shù)為22時(shí)，攪拌效果最佳。

3.2對(duì)于固相的混合，攪拌槳的安裝高度太低會(huì)在底部產(chǎn)生一個(gè)低速區(qū)，使固相大量堆積；安裝高度太高不利于固相的混合，因此存在一個(gè)最佳的安裝高度，且這個(gè)高度不能太低。本實(shí)驗(yàn)中安裝高度為160mm時(shí)攪拌效果最佳。

3.3對(duì)于氣相的混合，中心龍卷流型太強(qiáng)會(huì)使氣相到達(dá)液面的距離縮短，因此要采用較低的安裝高度。本實(shí)驗(yàn)中安裝高度為160mm時(shí)攪拌效果最佳。

[1] 張炎，黃為民.氣泡大小對(duì)反應(yīng)器內(nèi)氧傳遞系數(shù)的影響[J].應(yīng)用化工，2005，34(12)：734～736，740.

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[3] 王凱，虞軍.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書——攪拌設(shè)備[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[4] Perry R H．Perry化學(xué)工程手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992．

[5] 雷建勇，郝惠娣，翟甜.新型柱形圓盤渦輪攪拌槳性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工機(jī)械，2014，41(3)：278～281.

[6] 苗一，潘家禎，牛國(guó)瑞，等．多層槳攪拌槽內(nèi)的宏觀混合特性[J]．華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，32(3)：357～360．

[7] 彭珍珍，趙恒文，郭聰聰，等．雙曲面攪拌機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)給排水，2009，25(19)：91～94.