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搅拌桨层间距对搅拌釜内流体特性的影响研究

浏览次数: 发布日期:2020-06-14 00:05

搅拌式反应釜广泛应用在化工、制药、废水处理等工业领域中。随着工业规模的不断扩大,导致如今搅拌反应器的高径比也越来越大,单层桨难以满足气体分散性好、全罐混合均匀、气泡停留时间长、传质系数高等要求[1],因此配置多层搅拌桨得到广泛的应用。采用组合桨比单层桨有更好的气液分散效果与更高的混合效率[7-8],但组合桨搅拌反应器内部 流场复杂性要远远大于单层桨。随着计算机技术的推广普及与计算方法的新发展,计算流体动力学(CFD)得到越来越多的应用。通过CFD对搅拌反应器内部流场进行数值模拟,可以模拟出不同操作条件下搅拌反应器内流体的流动特性[2]

1几何模型与仿真参数

1.1  实验物理模型

搅拌式反应釜,列管式冷凝器,列管式换热器

(a)实验装置实物图

搅拌式反应釜,列管式冷凝器,列管式换热器

(b)搅拌槽安装图

1实验装置图与搅拌桨安装示意图

本文所研究搅拌反应器试验台如图1a)所示,其中釜体选用圆筒形釜体,封头选用标准椭圆形封头。搅拌桨为(新型三箭叶+六斜叶)双层桨组合,将试验用搅拌桨如图1(b)所示安装在搅拌轴上,并调节两层桨之间的层间距。通过上位机控制系统控制搅拌转速来实现所需转速下搅拌反应器内部流场模拟。

搅拌反应器由透明有机玻璃制作,其中筒径T=380mm,高H=1000mm,液面高度h1=845mm,搅拌桨直径d1=200mm,轴径d2=30mm,下层搅拌桨距反应器底部h2=95mm,双层组合桨层间距分为低位C1=200mm,中位C2=400mm,高位C3=60s0mm,搅拌桨转速为100r/min

1.2  搅拌反应器三维模型

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三维模型图

将三维模型按1:1与实验用搅拌反应器进行建模。建模时,将动(搅拌桨)、静(釜体)区域分开建模,之后再进行装配组合。由于本文对双层搅拌桨层间距进行研究,因此需将动区域间距按低位、中位、高位做出调整,如图2所示。

数值计算

2.1  网格划分

本文采用CFD前处理AppGAMBIT对此搅拌反应器模型进行网格划分。将桨叶区设置为动区域,其余部分为流体静区域,其中动区域和静区域边界层通过interface面进行耦合。该搅拌反应器内部设置双层搅拌桨。由于本文对双层搅拌桨层间距进行研究,因此需对该模型按搅拌桨层间距低、中、高位三种情况进行网格划分。最终得到三种桨型网格模型的总网格数分别为:526142639482607065。如图3所示为网格质量检查截面图[3]

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网格质量检查截面图

2.2  设置边界条件与求解

设置两个搅拌浆区域为动区域,其余部分为静区域。将动区域与静区域的交界面定义为滑移面,边界条件设置为interface,通过interface与静区域耦合,共设置6interface面。将双层搅拌桨和搅拌轴的面设置为Moving Wall,在GAMBIT中定义为无滑移固壁,记为搅拌转动面。

本文借助FLUENTApp对搅拌反应器进行求解,多相流模型采用流体体积(VOF)模型。设置动区域为Mesh Motion,设定实验的转速值为100r/min,并设置搅拌转动面随其所在区域转动,相对速度为0。速度压力耦合方式选用Phase coupled SIMPLE算法。残差监视器收敛精度设置为10-3

计算结果讨论及分析

本文中仿真结果基于瞬态方法进行模拟。设定搅拌转速为100 r/min,搅拌器转动一周需0.6 s,记为周期T=0.6s。此次仿真模拟结果分析按搅拌桨层间距的低、中、高位三种情况在50T时的结果进行对比分析,因为在模拟至50T时刻后反应器内流场特性已基本趋于稳定。本文所要分析的模拟结果主要有速度云图、流场迹线图和气液两相图。

3.1  不同层间距的流场速度分布变化

图分别表示上层搅拌桨在低位、中位和高位三种不同层间距下的速度场分布情况。通过在不同层间距下流场速度对比来看,上面一层搅拌桨形成轴向流动,最下面一层搅拌桨形成径向流动。在每种情况下速度影响区主要集中在搅拌桨周围,远离搅拌桨区域速度相对较小,并且搅拌反应釜底部流场速度较低,形成一个低流速区。随着时间的推移速度场影响区由搅拌桨向外逐渐扩大。上层搅拌桨产生的轴向流和下层搅拌桨产生的径向流融合并在搅拌反应釜内形成一个循环流场。由图4(a)(b)看出在上层桨低、高位安装时由于层间距相对过小或过大,搅拌反应釜内速度分布不均匀,不能较好的形成循环流场。相比而言,中位安装时效果较好[4]

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4 不同层间距下流场速度云图

3.2  不同间距流场矢量分布变化

5为搅拌桨在不同层间距条件下反应釜内流场矢量图。反应釜内液体在双层桨叶区作环流上升运动其中也包括了较少的环流下降运动,并且在桨叶区运动比较强烈。由图5(a)(b)(c)可以看出最下方桨叶区液体的环流下降运动较为强烈,这是由于最下方桨叶区没有受到其他桨叶区产生的环流上升作用的影响。最上方桨叶区的液体通过环流上升到达液面后向心部流动,继而沿搅拌轴向下返回桨叶区,这就造成了气液两相分界面出现中心下凹、四周上升的锥形的现象,其中以搅拌桨高位安装时最为明显。

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5 不同间距下流场轴截面速度矢量图

由矢量图可以清晰直观的看到反应釜内流场流体运动规律:上层搅拌桨主要引起反应釜内流体轴向流动,下层搅拌桨主要引起径向流动。由下层搅拌桨产生的径向流到达反应釜内壁时与之发生碰撞并分成两股,一部分流体沿内壁向上并且受上面两层搅拌桨的扰动影响继续参与到轴向流运动中;另一部分流体沿内壁向下流动,当到达反应釜底部时与之发生二次碰撞后返回向上流动,当到达下层搅拌桨的扰动区域后受其影响继续参与径向流动,与速度云图模拟结果相一致。

3.3  不同层间距的流场湍动能变化

6分别为不同层间距下的流场湍动能变化分布图。由图可以看出,桨叶周边区域k值最大,沿桨叶区域向外逐渐减小,在液面处和反应器底部k值最小,说明湍流动能主要产生于桨叶周边区域,这些区域湍动程度比较高,混合效果比较好。由图还可以看出,在上层搅拌桨处于低位、高位情况时,湍动能分布明显不均匀,上层搅拌桨湍动能相对较大,会使内部液相晃动加剧。当搅拌桨处于中位时,反应器内部湍动能分布相对均匀,说明此种情况下,混合效果最好。

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 6 不同层间距下流场湍动能云图

3.4  不同层间距条件下功率值变化

本文也对搅拌桨层间距低位、中位、高位三种情况下的搅拌功率进行模拟研究与实验验证。

由于该实验装置采集到的为转速与扭矩值,需换算成功率值,其计算方法见公式(1)。

式中T为扭矩值(Nm)n为转速值(r/min)

此次仿真结果基于瞬态模拟方法。设定液面高度845mm保持不变,三种情况下设定搅拌转速均为100r/min,当搅拌稳定后通过后处理AppCFDPOST查看计算结果。

如表1所示,为数值模拟与测试实验搅拌稳定后扭矩值、功率值随转速(设定为100r/min)的变化与数值模拟、实验测试两者的误差。

1  CFD模拟与实验测试结果汇总表

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从表1中可以看出此次实验的最大误差为6.4%,说明数值模拟结果与实验测试结果基本吻合,且在实验的过程中,机械加工精度与安装精度没有考虑;仿真与建模过程中对结果影响较小的螺栓螺母等结构也忽略不计,也是造成试验和仿真存在偏差的原因。由实验结果看出,可以采用数值模拟的方法为此类搅拌反应器的驱动电机功率选型提供依据。

结论

本文应用VOF多相流模型与带旋流修正的k-ε模型对搅拌反应器内部流场特性进行数值模拟。将计算结果与实验结果进行对比得到以下结论:

(1)上层六斜叶型搅拌桨形成轴向流动,下层新型三箭叶型搅拌桨形成径向流动;上层搅拌桨产生的轴向流和下层搅拌桨产生的径向流融合并在搅拌反应釜内形成一个循环流场;上层搅拌桨中位安装时可以较好形成循环流场且反应器内部液相运动平稳具有更好的搅拌效果。

(2)在对搅拌桨不同层间距对驱动功率的影响中发现,搅拌桨在高位安装时的驱动功率最小;且采用实验法和数值模拟方法得到的搅拌器驱动功率最大误差为6.4%                      

实验结果表明,使用CFD模拟结果与实验测试结果吻合较好,验证了CFD数值模拟的可行性,并为该类搅拌反应器的设计、放大及结构优化提高生产效率方面提供技术支撑与理论依据。

参考文献

[1] 郝惠娣,孙吉兴. 旋流鼓泡塔反应器中平均气含率的研究[J].石油化工, 2004,33(5):437-440.

[2] 高殿荣,郭明杰,李岩,范卓立.变速搅拌混沌混合的PIV试验研究[J].机械工程学报,2006,8(42):44-49.

[3] 陈佳,肖文德. 侧进式搅拌釜内气液两相流的数值模拟[J]. 化工学报, 2013.7,64(7):2344-2352.

[4] 曹仲文,袁惠新,李正兴.旋流反应器的气液传质系数的研究[J].石油化学高等学校学报,2006,12,4(19):85-87.

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