混合式攪拌器在結晶罐中的應用及數值分析

任 超 王學生

（華東理工大學機械與動力工程學院)

混合式攪拌器在結晶罐中的應用及數值分析

任 超*王學生

（華東理工大學機械與動力工程學院)

針對國內某廠檸檬酸結晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，對一種新型冷卻結晶罐的流場進行了數值研究。得到了罐內流場和速度分布情況，分析了攪拌器表面靜壓分布并預測了攪拌功率，為結晶操作中攪拌器的選擇與設計提供了參考。最后通過現場數據測試對其進行了工程考核。結果表明，新型混合攪拌器使結晶率和產量均有很大的提高，產品質量較改造前得到明顯改善，晶粒均勻，晶型規則，達到了預期目標。

結晶罐 螺帶式 攪拌器 數值分析 流場分布 工程考核

0 前言

近年來，隨著計算流體力學 (CFD)的飛速發展，數值分析方法已經成為化工裝備行業研究的重要手段之一。國內外許多學者對攪拌器的流體力學性能和傳熱性能進行了數值研究[1-3]，預測了各種攪拌罐內的流場特性、攪拌器功率消耗、混合性能及傳熱性能，而對于一些新型獨特的混合攪拌器研究不多，數值分析甚少。結晶是食品、化工和醫藥行業生產精制產品的重要工藝。在檸檬酸的生產過程中，結晶操作是最重要的操作單元之一[4]。為及時從檸檬酸溶液中結晶出合格的晶體，分離出母液，防止母液被污染和稀釋，并保證較高的結晶率和收率，選擇合適的工藝條件是必要的，而且還要使用合適的結晶設備。

目前國內使用的結晶罐體積日趨增大。為了使罐內結晶液有更高的混合效果，以保證溶質溫度的均勻性和濃度的均勻性，于是提出了攪拌器的功能問題，即如何保證結晶液在罐內不同部位，尤其是在罐壁處和罐內中央處的均一性要求。傳統的結晶罐一般采用錨式、框式攪拌器，這類攪拌器的作用都為形成徑向型流動，很少有上下翻動現象，而且為避免晶體粘附在擋板上，往往不設擋板，因此很難達到罐壁處與罐中央處物料濃度的均一性和罐內上下物料濃度的均一性。由于槳葉結構的原因，一般的攪拌槳轉速較低，但對于黏度較大且易粘壁的非牛頓結晶液而言，較低的轉速不能滿足其要求[5-6]。在綜合考慮的基礎上，決定選用螺帶式攪拌器。實踐證明，這是非常合理的選擇。

本文針對國內某廠檸檬酸結晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，利用計算流體力學(CFD)軟件Fluent 6.3對該新型結晶罐進行了流場的數值研究，預測了攪拌器的功率特性和表面壓力分布，最后通過現場數據測試對其進行了工程考核，為今后結晶罐攪拌器的選擇與設計提供了參考。

1 計算模型與模擬方法

1.1 結構尺寸與網格劃分

結晶罐的模型及結構尺寸如圖1所示。攪拌器為雙螺帶式與框式的組合，所采用的結晶罐其罐體上部為圓柱形，下部為圓錐形封頭，罐體的直徑為D=1.8 m，雙螺帶式攪拌器的直徑為d=1.76 m，螺帶的高度為h=1.76 m，螺帶的寬度為w=150 mm，螺帶的厚度為δ=14 mm，螺帶與筒體內壁間隙為c=20 mm。雙螺帶攪拌器的結構參數如表1所示。

表1 雙螺帶攪拌器的結構參數

由于雙螺帶式攪拌器結構的復雜性，在Gambit中劃分網格時，對計算域進行分塊劃分網格，槳葉附近和槳葉至槽壁之間區域采用Hex/Wedge方式劃分為六面體結構化網格 (區域1)，其余部分采用Tet/Hybrid方式劃分為四面體非結構化網格 (區域2)，一共有632 029個單元。圖2為Y=0 mm的網格劃分示意圖。

圖2 Y=0平面的網格劃分

1.2 模擬方法

采用有限體積法將流動控制方程離散化[7]，速度-壓力耦合關系采用SIMPLE算法，對流項的離散使用二階迎風格式。計算使用的軟件是Fluent 6.3，湍流模型采用標準κ-ε模型，收斂精度達到了10-4。

對于攪拌器的CFD分析方法主要有[8]： “黑箱”法、內外迭代法、多重參考系法 (MRF)、滑動網格法 (SG)等。目前應用最多的是多重參考系法和滑動網格法。滑動網格法對流動場、剪切場、混合時間的模擬結果較好，對尾渦大小的預測比較準確。由于進行的是完全非穩態模擬，這種方法計算時需要大量的時間以及復雜的后處理過程。多重參考系法的模擬方法不需要實驗數據的支持，并且可以按照穩態的方法模擬，能準確地模擬速度域，混合時間上的模擬還要優于滑動網格法，可以節省大量的時間。

綜合考慮以上因素，采用MRF來處理運動的槳葉和靜止的槽壁之間的相互作用，將計算區域分成互不重疊的兩部分，即區域1和區域2，如圖1所示。中間包含運動的槳葉的部分為區域1，計算時采用旋轉坐標系；其他部分為區域2，計算時采用靜止坐標系。區域1和區域2之間的數據通過交界面進行傳遞計算。

1.3 邊界條件

選取檸檬酸作為流體介質，密度為1 450 kg/m3，黏度為0.002 5 Pa·s。計算中攪拌轉速為50 r/min。計算域選取整個流體區域，罐內流動為穩態流動，為了有利于收斂將自由液面定義為對稱邊界，法向速度為零，壓力梯度為零。

假設運動區域內流體的轉速與攪拌器的轉速相同，攪拌器和罐壁定義為壁面邊界，其中攪拌器定義為旋轉壁面，其相對于周圍流體速度為0，罐壁為靜止壁面；采用無滑移邊界，近壁采用標準壁面函數處理。

2 模擬結果與討論

2.1 宏觀流場分布

圖3為Y=0平面上的速度矢量圖及局部放大圖。由圖可見，整個流場是以軸向流為主，但下端框式攪拌器處主要以切向流和徑向流為主；由于螺帶槳葉具有較大的軸向推力，它將流體帶向結晶罐上端，使之在近壁處向上流動，到達頂部后又沿攪拌軸向下流動，從而形成整罐的大環流，這與實際流動相符。由圖3右側放大圖可見，在螺帶周圍也存在小的環流，螺帶和槽壁之間的流體沿槽壁向上運動，螺帶內端的一部分流體向上流動，在槳葉處出現漩渦，這主要是因為旋轉過程中槳葉背面產生低壓，周圍流體在壓差的作用下向低壓區流動而造成的。

圖3 Y=0截面處速度矢量圖和局部放大圖

圖4 所示分別為 Y＝0、 Z＝900 mm、 Z＝-250 mm截面處速度云圖，圖4(b)、圖4(c)所取截面分別為圖1中平面1、平面2。圖4(a)所示該流場比較對稱，螺帶附近存在對稱的循環流，且上方速度較小；螺帶內端區域和外端區域的流體由于被螺帶攪起并受槳葉的壓力作用，因而其速度較大；罐壁邊界層中的流體呈現出罐內最大流速，說明螺帶式攪拌器可以很好地強化傳熱，增大循環量，使混合均勻。圖4(b)中螺帶產生的流動在水平面上為環向流，槽中心處以軸向流為主，速度較小，周圍區域速度分布比較均勻。圖4(c)中，截面處于框式攪拌器上，因此其與圖4(b)流場不同，在槳葉的內側由于切向流的作用，速度梯度較大，速度分布不均勻。

圖4 Y=0，Z=900 mm，Z=-250 mm截面處速度云圖

2.2 參考直線上的速度分布

考慮到雙螺帶式與框式組合的復雜性，要沿槳葉方向求其速度分布比較麻煩，因此分別取螺帶和攪拌軸間沿軸向的兩條縱向直線以及穿過軸心沿徑向的一條橫向直線，考察直線上各點的各項速度分布[9]。如圖2所示，縱向直線1靠近攪拌軸，距軸心線250 mm；縱向直線2靠近螺帶內端，距軸心線580 mm；橫向直線3位于Z=900 mm的平面上。

圖5中所示為直線1和直線2上的速度曲線對比，可以看出軸向速度和徑向速度的變化趨勢明顯比切向速度的大。圖5(a)中，兩條直線都受到螺帶的漩渦影響，軸向速度曲線均隨Z軸呈現周期變化，直線1靠近攪拌軸，此處流體向下流動，速度為負，且在螺帶底部與框式槳葉上部之間的地方，軸向速度達到最大，約為-0.52 m/s；直線2靠近螺帶，軸向速度為正值，最大軸向速度出現在螺帶上部，約為0.56 m/s。圖5(b)中，直線1的徑向速度沿Z軸由正值逐漸減小到負值，由于罐內大環流的作用，下部流體流向罐壁速度為正，上部流體流向軸心速度為負；直線2受到螺帶的作用，其速度僅出現周期變化。圖5(c)中，切向速度的變化較為平穩，且直線2所處的圓周直徑大于直線1，所以切向速度較大，兩者最大切向速度均在下方框式攪拌器處。

圖6中，橫向直線上各項速度比較對稱，速度變化也很明顯，軸向速度在螺帶內端出現兩個波峰，在罐壁處達到最大1.2 m/s，靠近攪拌軸處為兩個波谷，速度為負。最大徑向速度依然在螺帶處，最大達到0.24 m/s。切向速度在靠近攪拌軸處最小，罐壁處最大達到2.2 m/s。

2.3 攪拌器功率消耗及壓力分布

攪拌功率準數NP是攪拌設備最基本的特性參數之一，它是用來衡量攪拌釜內流體攪拌程度和流動狀態的重要指標。為了預測攪拌器的功率消耗，將攪拌器表面靜壓積分求出扭矩 (可通過模擬結果直接讀出)，與轉速相乘即可求出攪拌功率的大小，具體計算結果如表2所示。

表2 攪拌器功率消耗

圖7為攪拌器表面靜壓分布圖，給出兩個角度下的結果以便于觀察。由圖7可見，螺帶式槳葉表面壓力分布均勻，槳葉下表面靜壓值大于上表面，且由于深度的不同，靠上的槳葉靜壓小于下方槳葉的靜壓。下方框式槳葉靜壓最大值出現在葉梢位置，對稱的另一半槳葉受負壓，槳葉表面壓力分布不均勻。整個攪拌器最大靜壓約為5.8 kPa。該結果可為攪拌器的結構強度分析和載荷設置提供參考。

圖7 攪拌器表面靜壓

3 新型結晶罐的工程應用

國內某廠在檸檬酸結晶中使用的框式攪拌器，由于只有切向流，攪拌強度低且不利于傳熱，導致反應時間較長，晶粒大小不均勻、形狀不規則。由于生產效率低、能耗高，電機負荷大，使其生產出現 “瓶頸”。因此為了滿足生產的需要，對其檸檬酸結晶罐進行了改造設計。把現有的框式攪拌器改為以上所研究的雙螺帶式和框式的混合型式。表3為不改變其他結晶工藝條件的前提下，對改造后的新型結晶罐運行參數的標定結果，并與改造前的標定結果相比較。

從表3可以看出：應用新型螺帶式結晶罐后，結晶時間縮短了2 h左右，結晶率提高了12%，產量明顯提高，增加了10%～13%。檸檬酸產品的物理外觀質量明顯提高，晶體顆粒分布集中，晶型規則，晶粒均勻。避免了因晶體顆粒長大、攪拌功率不足和晶粒下沉而造成的攪拌電機抱死現象。此外，還節省了夾套中的冷卻水量，節能效果明顯。

標定結果表明，在現行工藝條件下，安裝新型螺帶式攪拌器的結晶罐其各項性能指標相比改造前均有很大提高，達到了預期的目的。

表3 結晶罐改造前后運行參數標定結果

4 結論

本文針對國內某廠檸檬酸結晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，利用計算流體力學軟件Fluent 6.3對該新型結晶罐進行了流場的數值研究，并通過現場數據測試對其進行了工程考核，為今后結晶罐攪拌器的選擇與設計提供了參考依據。本文結論如下：

（1）雙螺帶與框式混合攪拌器使整個流場以軸向流為主。在圓錐封頭區域，框式攪拌器使流場以切向流和徑向流為主。攪拌罐形成一個大的環流，流體在罐內的中部沿攪拌軸向下流動，貼近罐壁處向上流動，螺帶區域還有局部的環流漩渦存在。

（2）通過比較三條參考直線上的軸向速度、徑向速度和切向速度，直觀地認識了罐內不同區域速度分布情況；計算了攪拌功率，分析了攪拌器表面的靜壓分布。

（3）通過現場數據測試，新型螺帶式結晶罐有效地防止了結晶液的粘壁現象，保證了結晶液溫度與濃度的均勻性；使得結晶率和產量均有很大的提高，產品質量較改造前得到明顯改善，晶粒均勻，晶型規則，達到了預期目標，解決了企業的難題。

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Application and Numerical Analysis of Combined Agitator in Crystallizer

Ren Chao Wang Xuesheng

Aimed at the reconstruction of citric acid crystallizer in a factory,the flow field numerical simulation of new type cooling crystallizer with a double helical ribbon and gate combined agitator was carried out.The flow field and velocity distribution in crystallizer were obtained,static pressure distribution of the agitator surface was analyzed and agitation power was predicted,which provided reference for selection and design of agitator in crystallization.Engineering assessment of the new type crystallizer was conducted by field data test.The results showed that the combined agitator increased the crystallization ratio and production effectively,the quality was obviously improved compared with before reconstruction,the crystal size was uniform,the crystal shape was regular,and achieved the anticipated target.

Crystallizer;Helical ribbon;Agitator;Numerical analysis;Flow field distribution;Engineering assessment

TQ 051.6

*任超，男，1986年生，碩士研究生。上海市，200237。

2011-09-19）