陳秀珍

（中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266101）

攪拌釜作為生物、化工等領(lǐng)域常用的一種反應(yīng)器，其內(nèi)部的攪拌裝置可對物料進(jìn)行充分混合，有利于改善傳質(zhì)和傳熱效果。攪拌釜內(nèi)的流動狀態(tài)復(fù)雜，難以通過簡單的理論分析對其性能進(jìn)行預(yù)測。近年來，計算流體力學(xué)方法越來越多地被用于攪拌釜的研究和設(shè)計。徐勝利等[1]利用CFD技術(shù)對攪拌釜內(nèi)的混合效果進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化了攪拌釜的結(jié)構(gòu)參數(shù)；潘傳九等[2]運(yùn)用計算流體力學(xué)軟件Fluent研究了葉片數(shù)、擋板和轉(zhuǎn)速對攪拌釜內(nèi)流動狀態(tài)的影響；董紅星等[3]采用CFD方法對攪拌釜內(nèi)的流動狀態(tài)及液體停留時間分布進(jìn)行了研究。

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，受現(xiàn)場條件及其它因素的影響，選用的封頭型式往往有所不同，確定封頭型式對攪拌釜內(nèi)流動狀態(tài)的影響對于合理選擇封頭具有重要意義。本文基于計算流體力學(xué)方法研究平底形封頭、橢圓封頭和球形封頭三種型式對攪拌釜內(nèi)流動狀態(tài)的影響。

1 模擬方法

分別建立圖1所示的三種攪拌釜三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，封頭型式分別為平底形、橢圓形以及球形。攪拌釜高1.0m，料液深度設(shè)為0.77m，筒體直徑為0.8m，槳葉直徑設(shè)為0.3m，安裝高度0.3m，為了改善混合效果，在攪拌釜壁面處均布6塊擋板，擋板寬度為80mm?；跀嚢韪Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，三種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格總數(shù)分別為457887、452363和427974。

圖1 攪拌釜三維模型

采用多重參考系法（MRF）對槳葉轉(zhuǎn)動區(qū)域模擬，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時將整個攪拌釜分為兩個流動區(qū)域，中心靠近攪拌槳的流域設(shè)定為轉(zhuǎn)動區(qū)域，轉(zhuǎn)速200r/min。攪拌槳壁面處的速度依據(jù)周圍流體流速確定，中心攪拌槳軸壁面設(shè)置為轉(zhuǎn)動，速度與轉(zhuǎn)動區(qū)域相同，其它壁面設(shè)置為無滑移壁面。

為了避免分散相對流動狀態(tài)的影響，本研究僅對液相的流動進(jìn)行模擬。采用standard k-ε湍流模型描述湍流特征，該模型分別求解湍動能和耗散率的輸運(yùn)方程，進(jìn)而在動量方程中附加湍流黏度，以描述湍流對流動狀態(tài)的影響。另外需考慮重力的影響，重力加速度取9.8m/s2。

2 結(jié)果與討論

2.1 封頭型式對流動狀態(tài)的影響

封頭型式對攪拌釜中心截面流動狀態(tài)的影響如圖2所示。采用平底形封頭時，液體在槳葉的作用下首先流向壁面，而后沿壁面分別垂直向上流動和垂直向下流動，最后在攪拌槳的上部和下部分別構(gòu)成渦旋。定性來看，采用橢圓形封頭時呈現(xiàn)相同的流動狀態(tài)，其重要優(yōu)勢在于避免了底部壁面處的流動死區(qū)的存在。當(dāng)采用球形封頭時，攪拌釜底部的渦旋消失，同時上部渦的范圍擴(kuò)大至攪拌槳以下，該流動狀態(tài)不利于攪拌釜底部物料的混合。

圖2 封頭型式對中心截面速度的影響

2.2 封頭型式對軸向速度的影響

軸向速度的大小直接影響攪拌釜內(nèi)不同高度位置處的物料的混合效果，本文分別采用150mm和650mm高度上的軸向速度描述攪拌釜內(nèi)槳葉上部和下部的流動狀態(tài)。圖3所示為150mm高度上不同徑向位置處的軸向速度，速度為正值代表軸向速度向上，反之向下。由圖3可以看出，r/R大于0.3時，采用平底形封頭和橢圓形封頭時的軸向速度分布基本相同，均先減小后增大。r/R小于0.3時，采用橢圓形封頭時的軸向速度高于平底形封頭，也就是說，采用橢圓形封頭時，攪拌釜下部中心處的軸向速度更大，對于有固體顆粒存在的反應(yīng)體系，更高的軸向速度意味著更好的混合效果。采用球形封頭時，軸向速度向下流動的范圍顯著增大，且中心向上流動、邊壁向下的流動的軸向速度均減小。

如圖4所示為650mm高度上不同徑向位置處的軸向速度。可以看出，采用平底形和橢圓形封頭時，軸向速度相同，中心垂直向下，邊壁附近垂直向上流動。采用球形封頭時，軸向速度發(fā)生顯著改變，上行流和下行流的速度值均顯著降低。

圖3 封頭型式對150mm高度處軸向速度的影響

圖4 封頭型式對650mm高度處軸向速度的影響

3 結(jié)論

采用計算流體力學(xué)方法研究了封頭型式對攪拌釜內(nèi)流動狀態(tài)的影響，結(jié)果表明：（1）采用平底形封頭和橢圓形封頭時，攪拌釜內(nèi)槳葉上部和下部均存在循環(huán)流，采用球形封頭時，僅槳葉上部形成循環(huán)流；（2）采用平底形和橢圓形封頭，攪拌釜內(nèi)的軸向速度分布基本相同，僅中心處略有差異，采用球形封頭，軸向速度降低。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 徐勝利，張博倫，程昉. 基于CFD流場模擬的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].化工進(jìn)展，2016，35（增刊2）：401-406.

[2] 潘傳九，葛文娜，陸曉峰. 基于CFD的攪拌釜流場數(shù)值模擬及預(yù)測[J].化工進(jìn)展，2012，32（增刊2）：87-91.

[3] 董紅星，楊曉光，王興超，等. 連續(xù)攪拌釜流場數(shù)值模擬及停留時間分布[J].石油和化工設(shè)備，2008，11(3)：19-23.