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(zhì)系數(shù)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(nèi)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(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，可以模擬出不同操作條件下攪拌反應器內(nèi)流體的流動特性。

1 ?幾何模型與仿真參數(shù)

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(diào)整，如上圖所示。

2 ?數(shù)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行網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)格劃分。最終得到三種槳型網(wǎng)格模型的總網(wǎng)格數(shù)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

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(nèi)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(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(nèi)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(nèi)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(nèi)流場矢量圖。反應釜內(nèi)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(chǎn)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(xiàn)中心下凹、四周上升的錐形的現(xiàn)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(nèi)流場流體運動規(guī)律：上層攪拌槳主要引起反應釜內(nèi)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(chǎn)生的徑向流到達反應釜內(nèi)壁時與之發(fā)生碰撞并分成兩股，一部分流體沿內(nèi)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(nèi)壁向下流動，當?shù)竭_反應釜底部時與之發(fā)生二次碰撞后返回向上流動，當?shù)竭_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(chǎn)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(nèi)部液相晃動加劇。當攪拌槳處于中位時，反應器內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jù)。

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(nèi)部流場特性進行數(shù)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(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(nèi)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(nèi)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(xiàn)，攪拌槳在高位安裝時的驅動功率最?。磺也捎脤嶒灧ê蛿?shù)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(shù)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(chǎn)效率方面提供技術支持與理論依據(jù)。

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