隨著(zhù)工業(yè)規模的不斷擴大,導致如今攪拌反應器的高徑比也越來(lái)越大,單層槳難以滿(mǎn)足氣體分散性好、全罐混合均勻、氣泡停留時(shí)間長(cháng)、傳質(zhì)系數高等要求,因此配置多層攪拌槳得到廣泛的應用。
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攪拌槳層間距對攪拌釜內流體特性的影響研究

文章分類(lèi):技術(shù)支持 / 發(fā)布時(shí)間:2020-04-21 / 關(guān)鍵詞: , , ,

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(lǐng)域中。隨著(zhù)工業(yè)規模的不斷擴大,導致如今攪拌反應器的高徑比也越來(lái)越大,單層槳難以滿(mǎn)足氣體分散性好、全罐混合均勻、氣泡停留時(shí)間長(cháng)、傳質(zhì)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(chǎng)復雜性要遠遠大于單層槳。隨著(zhù)計算機技術(shù)的推廣普及與計算方法的新發(fā)展,計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)得到越來(lái)越多的應用。通過(guò)CFD對攪拌反應器內部流場(chǎng)進(jìn)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(dòng)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

三維模型圖

 

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

2 ?數值計算

2.1 ?網(wǎng)格劃分

本文采用CFD前處理軟件GAMBIT對此攪拌反應器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將槳葉區設置為動(dòng)區域,其余部分為流體靜區域,其中動(dòng)區域和靜區域邊界層通過(guò)interface面進(jìn)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(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終得到三種槳型網(wǎng)格模型的總網(wǎng)格數分別為:526142、639482、607065。如下圖所示為網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖。

網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖

網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖

 

2.2 ?設置邊界條件與求解

設置兩個(gè)攪拌漿區域為動(dòng)區域,其余部分為靜區域。將動(dòng)區域與靜區域的交界面定義為滑移面,邊界條件設置為interface,通過(guò)interface與靜區域耦合,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(wú)滑移固壁,記為攪拌轉動(dòng)面。

本文借助FLUENT軟件對攪拌反應器進(jìn)行求解,多相流模型采用流體體積(VOF)模型。設置動(dòng)區域為Mesh Motion,設定實(shí)驗的轉速值為100r/min,并設置攪拌轉動(dòng)面隨其所在區域轉動(dòng),相對速度為0。速度壓力耦合方式選用Phase coupled SIMPLE算法。殘差監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(jìn)行模擬。設定攪拌轉速為100 r/min,攪拌器轉動(dòng)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(shí)的結果進(jìn)行對比分析,因為在模擬至50T時(shí)刻后反應器內流場(chǎng)特性已基本趨于穩定。本文所要分析的模擬結果主要有速度云圖、流場(chǎng)跡線(xiàn)圖和氣液兩相圖。

3.1 ?不同層間距的流場(chǎng)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(chǎng)分布情況。通過(guò)在不同層間距下流場(chǎng)速度對比來(lái)看,上面一層攪拌槳形成軸向流動(dòng),最下面一層攪拌槳形成徑向流動(dòng)。在每種情況下速度影響區主要集中在攪拌槳周?chē)?,遠離攪拌槳區域速度相對較小,并且攪拌反應釜底部流場(chǎng)速度較低,形成一個(gè)低流速區。隨著(zhù)時(shí)間的推移速度場(chǎng)影響區由攪拌槳向外逐漸擴大。上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個(gè)循環(huán)流場(chǎng)。由下圖(a)、(b)看出在上層槳低、高位安裝時(shí)由于層間距相對過(guò)小或過(guò)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(chǎng)。相比而言,中位安裝時(shí)效果較好。

不同層間距下流場(chǎng)速度云圖

不同層間距下流場(chǎng)速度云圖

3.2 ?不同間距流場(chǎng)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(chǎng)矢量圖。反應釜內液體在雙層槳葉區作環(huán)流上升運動(dòng)其中也包括了較少的環(huán)流下降運動(dòng),并且在槳葉區運動(dòng)比較強烈。由圖5(a)、(b)、(c)可以看出最下方槳葉區液體的環(huán)流下降運動(dòng)較為強烈,這是由于最下方槳葉區沒(méi)有受到其他槳葉區產(chǎn)生的環(huán)流上升作用的影響。最上方槳葉區的液體通過(guò)環(huán)流上升到達液面后向心部流動(dòng),繼而沿攪拌軸向下返回槳葉區,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(shí)最為明顯。

不同間距下流場(chǎng)軸截面速度矢量圖

不同間距下流場(chǎng)軸截面速度矢量圖

由矢量圖可以清晰直觀(guān)的看到反應釜內流場(chǎng)流體運動(dòng)規律:上層攪拌槳主要引起反應釜內流體軸向流動(dòng),下層攪拌槳主要引起徑向流動(dòng)。由下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流到達反應釜內壁時(shí)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(dòng)影響繼續參與到軸向流運動(dòng)中;另一部分流體沿內壁向下流動(dòng),當到達反應釜底部時(shí)與之發(fā)生二次碰撞后返回向上流動(dòng),當到達下層攪拌槳的擾動(dòng)區域后受其影響繼續參與徑向流動(dòng),與速度云圖模擬結果相一致。

3.3 ?不同層間距的流場(chǎng)湍動(dòng)能變化

下圖分別為不同層間距下的流場(chǎng)湍動(dòng)能變化分布圖。由圖可以看出,槳葉周邊區域k值最大,沿槳葉區域向外逐漸減小,在液面處和反應器底部k值最小,說(shuō)明湍流動(dòng)能主要產(chǎn)生于槳葉周邊區域,這些區域湍動(dòng)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(shí),湍動(dòng)能分布明顯不均勻,上層攪拌槳湍動(dòng)能相對較大,會(huì )使內部液相晃動(dòng)加劇。當攪拌槳處于中位時(shí),反應器內部湍動(dòng)能分布相對均勻,說(shuō)明此種情況下,混合效果最好。

 

不同層間距下流場(chǎng)湍動(dòng)能云圖

不同層間距下流場(chǎng)湍動(dòng)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(jìn)行模擬研究與實(shí)驗驗證。

由于該實(shí)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(jiàn)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,當攪拌穩定后通過(guò)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(shí)驗攪拌穩定后扭矩值、功率值隨轉速(設定為100r/min)的變化與數值模擬、實(shí)驗測試兩者的誤差。

表1  CFD模擬與實(shí)驗測試結果匯總表

表1 CFD模擬與實(shí)驗測試結果匯總表

從表1中可以看出此次實(shí)驗的最大誤差為6.4%,說(shuō)明數值模擬結果與實(shí)驗測試結果基本吻合,且在實(shí)驗的過(guò)程中,機械加工精度與安裝精度沒(méi)有考慮;仿真與建模過(guò)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(shí)驗結果看出,可以采用數值模擬的方法為此類(lèi)攪拌反應器的驅動(dòng)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(chǎng)特性進(jìn)行數值模擬。將計算結果與實(shí)驗結果進(jìn)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(dòng),下層新型三箭葉型攪拌槳形成徑向流動(dòng);上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個(gè)循環(huán)流場(chǎng);上層攪拌槳中位安裝時(shí)可以較好形成循環(huán)流場(chǎng)且反應器內部液相運動(dòng)平穩具有更好的攪拌效果。

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

實(shí)驗結果表明,使用CFD模擬結果與實(shí)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(lèi)攪拌反應器的設計、放大及結構優(yōu)化提高生產(chǎn)效率方面提供技術(shù)支持與理論依據。

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