基于計算流體力學方法的啶蟲脒結晶釜攪拌器優化設計

嚴小生 邵洪根 李 強

1江蘇揚農化工集團有限公司（江蘇揚州 225009）2杭州原正化學工程技術有限公司（浙江杭州 310012）

技術進步

基于計算流體力學方法的啶蟲脒結晶釜攪拌器優化設計

嚴小生1邵洪根2李 強1

1江蘇揚農化工集團有限公司（江蘇揚州 225009）2杭州原正化學工程技術有限公司（浙江杭州 310012）

采用計算流體力學（CFD）方法對啶蟲脒結晶釜進行了模擬與優化，考察了不同攪拌轉速下的速度分布均勻性和晶體體積含量分布均勻性，結果表明，高效軸流型槳SP306對晶體懸浮的效果較好，攪拌轉速對晶體體積含量分布均勻性有顯著影響，確定了90 r/min為優化后的攪拌轉速。經工業應用，驗證了優化設計的合理性，產品粒徑分布有明顯改善。

結晶 攪拌器 計算流體力學 速度分布均勻性 晶體體積含量分布均勻性

0 前言

啶蟲脒是一種氯代煙堿類殺蟲劑，對害蟲具有觸殺和胃毒作用，并有卓越的內吸活性，是一種高效、安全、廣譜、作用機制新穎的殺蟲劑。工業上制備啶蟲脒的方法通常是將含有啶蟲脒的反應溶液進行冷卻結晶。

目前啶蟲脒結晶釜通常采用錨式槳，其外觀如圖1所示。

圖1 錨式槳外觀圖

錨式槳的流型以水平回轉流為主，軸向混合能力較弱，導致晶體懸浮能力差；近壁區流速大，軸附近流速小，流體速度分布不均勻，導致結晶周期長、結晶粒徑分布不均勻，給固液分離及后續操作帶來麻煩。

隨著計算流體力學（CFD）技術的迅速發展，通過CFD模擬的方法可以獲取不同過程流體的速度場、濃度場和溫度場等詳細信息，很大程度上彌補了測試手段有限的不足，為設備的設計和優化提供指導。CFD模擬結果直觀，可以節約時間和成本，已經得到了廣泛的應用[1-6]。

SP306是一種高效軸流型槳，其外觀如圖2所示。

圖2 高效軸流型槳SP306外觀圖

SP306懸浮能力強，即使固含量達到25%仍能獲得良好的懸浮效果。本文對SP306攪拌器進行了CFD模擬，以期根據模擬結果對啶蟲脒結晶釜進行優化，為結晶釜的攪拌器設計提供依據，提高啶蟲脒的產品品質。

1 結晶釜條件

結晶釜內徑1500mm，直筒高度1 800mm；擋板四塊均布，寬度125mm，安裝離壁距離35mm；攪拌器直徑750mm，層間距750mm，底層槳葉離底高度375mm。攪拌器采用高效軸流型槳SP306。

啶蟲脒結晶體系的液相密度874 kg/m3，黏度1×10-3Pa·s，啶蟲脒結晶密度1170 kg/m3，平均粒徑0.75mm，結晶體積含量0.05，直筒裝液高度1500mm。

2 數值模擬

2.1 數學模型

采用有限體積法對質量守恒方程（連續性方程）和動量守恒方程離散求解。液相湍流模型采用標準k-ε模型，該模型形式簡單、適應范圍廣，已經在攪拌釜的數值模擬中得到了廣泛應用。采用Mixture多相流模型對固液兩相流進行模擬，該模型將多相流視為相互滲透的連續介質。

2.2 網格劃分

在進行數值模擬之前，首先應將計算區域離散化，生成網格，然后將偏微分方程格式的守恒方程轉化為各個節點上的代數方程組。本文采用非結構化四面體網格進行離散。為了提高計算結果的精度，對槳葉和攪拌軸區域作了網格加密處理。劃分完畢后網格數量為1143 139，經檢驗已達到無關性要求。結晶釜模型的網格劃分示意圖見圖3。

2.3 計算方法

從數值模擬的角度來看，模擬攪拌槽的一大難題是如何處理好運動的槳葉和靜止的擋板及槽壁之間的相互作用。本文選用多重參考系法（MRF）進行模擬，攪拌器附近的流體區域劃為動區域，采用旋轉坐標系，將動區域內的流體視為以與攪拌器相同的轉速進行旋轉；其他區域為靜區域，采用靜止坐標系，將靜區域內的流體視為靜止。槽內壁面定義為靜止壁面條件、攪拌器及攪拌軸為運動壁面條件，其中攪拌軸主體部分處于靜區域內，相對于靜止坐標系是運動的，攪拌器相對于旋轉坐標系運動速度為0。

3 結果與分析

圖4為結晶釜在90 r/min攪拌轉速下的速度分布矢量圖。由圖4可見，在攪拌器作用下，釜內形成了一個軸向的全槽混合。

圖3 結晶釜模型網格劃分示意圖

圖4 攪拌轉速90 r/m in時結晶釜速度分布矢量圖

表1為不同攪拌轉速下結晶釜流場平均速度、速度方差和攪拌功率消耗。由表1可見，隨著攪拌轉速的提高，釜內流體的速度增大，速度分布的均勻性也變好，但是到90 r/min之后變化不明顯。攪拌轉速提高之后，功率消耗也有顯著的增大。

表1 不同轉速下平均速度、速度方差值和攪拌功率消耗

從不同攪拌轉速下結晶釜的結晶體積含量云圖（略）可見，隨著攪拌轉速的提高，結晶的懸浮狀態變好，分布越來越均勻。但是攪拌轉速超過90 r/min后混合效果已經沒有明顯提升，且功率消耗也會增大，因此將90 r/min作為優化后的工業操作條件。

4 工業應用效果

優化后確定SP306攪拌器直徑為750mm，攪拌轉速為90 r/min，將優化之后的攪拌方案進行了工業應用，與改造前采用錨式槳相比，結晶的均勻性等技術指標有明顯提升，詳見表2。

表2 改造前后的技術指標對比

根據優化與工業應用，將結晶釜的容積放大到30m3，仍能獲得良好的結晶效果，證明通過CFD技術進行攪拌的設計與優化是合適的。

5 結論

（1） SP306 在結晶釜內形成了一個大的軸向循環，懸浮效果較好，隨著攪拌轉速的提高，速度分布均勻性變好，但是在本文研究的轉速范圍內，達到一定轉速之后變化不明顯。

（2）攪拌轉速90 r/min、槳徑750mm為本結晶過程的優化設計，經放大與工業驗證，證明了CFD優化設計的合理性。

[1] 陳紅生,何雄志.結晶罐攪拌流場及傳熱過程的數值模擬.輕工機械,2010,28(4):26-29.

[2] 王學魁,武首香,沙作良,等.DTB結晶器的流體動力學狀態及其對KCl結晶過程的影響.天津科技大學學報,2008,23(4):18-22.

[3] 武首香,沙作良.不同操作條件下連續結晶過程的CFD模擬.化工學報,2013,41(6):13-17.

[4] 王鑫,陳慧,梁寶臣,等.四葉片傾斜渦輪結晶器內流場和濃度場模擬.化學反應工程與工藝,2009,25(6): 508-512.

[5] 薛兆鵬,徐燕申,牛文鐵.基于流體分析的工業結晶器攪拌槳結構優化.西南交通大學學報,2003,38(5): 501-504.

[6] 王凱,馮連芳.混合設備設計[M] .北京:機械工業出版社,2000.

Optimization Design of Stirrer of Acetamiprid Crystallization Reactor based on Computational Fluid Dynamics

Yan Xiaosheng Shao Honggen Li Qiang

Simulated and optimized the acetamiprid crystallization reactor based on computational fluid dynamics (CFD), investigated the velocity distribution uniformity and the crystal volume fraction distribution uniformity under differ-ent agitation speeds. The results showed that the SP306 axial flow impeller with high efficiency had good effects on the crystal suspension, the stirring rate had a significant effect on the crystal volume fraction distribution uniformity, and the optimized stirring rate was 90 r/min. The industrial application of SP306 verified the rationality of the optimum design, and the distribution of product size was improved obviously.

Crystallization; Stirrer; Computational fluid dynamics; Velocity distribution uniformity; Crystal volume fraction distribution uniformity

TF 351.5+2

2014年1月

嚴小生 男 碩士 1988年 鎮江船舶學院畢業 高級工程師 從事化工設備設計、制造和安裝管理工作