折葉形自吸式氣體分散器在中心龍卷流型攪拌反應器中的性能研究*

王新升張 沛 孫雨凡 郝惠娣 郭媛婷

(西北大學化工學院)

基于自吸式攪拌槽在工業中的廣泛應用[1]和中心龍卷流型攪拌槽高效節能的特點[2]，借助CFD仿真模擬技術，對普通自吸式氣體分散器和不同結構尺寸的折葉形自吸式氣體分散器在中心龍卷流型攪拌槽中的應用進行單相流模擬，定性分析并比較普通氣體分散器和不同結構的折葉形氣體分散器在中心龍卷流型攪拌槽中工作的流場情況。

1 結構設計

對普通氣體分散器和不同結構尺寸的折葉形分散器共兩類4種氣體分散器進行流體仿真模擬分析。普通氣體分散器(圖1a)的氣體分散通道葉片的角度為30°，分散通道葉片的高度為40mm[3]。折葉形氣體分散器(圖1b)是在30°普通氣體分散器的基礎上進行改進的，它的葉片直邊高度分別為10、15、20mm,下接折邊外邊緣總高度均為25mm。直邊與折邊的夾角為150°，折邊下接錐形圓環的角度為45°，其高度為12mm(圖1c)。

圖1 氣體分散器結構模型

2 數值模擬

采用多重參考系法(MRF)對旋轉槳葉和靜止區域進行處理[4]，將攪拌器內流體域分為包圍槳葉的旋轉域和除此之外的靜態域兩個部分。其中旋轉區域采用旋轉坐標系，靜態區域采用靜止坐標系。采用控制容積法進行求解，湍流模型采用標準κ-ε模型,收斂準則為RMS。

根據中心龍卷流型攪拌器的結構，選用內徑為300mm，高度為400mm的中心龍卷流型攪拌器，內部填充液體高度為350mm。氣體分散器安裝在其底部邊緣距攪拌器底部2/3處。攪拌槳選用標準圓盤渦輪六直葉槳，槳葉最大直徑取反應器內徑的1/3(100mm),槳葉高度為20mm，每個葉片的長度為25mm，在氣體分散器的氣體分散通道中同軸居中安裝。Geometry中建立的安裝有兩類氣體分散結構反應器的模型如圖2所示。

采用非結構四面體網絡對網格數量進行優化，得到網格無關解[5]，采用膨脹法(Inflation)對旋轉區域外表面、靜態區域的旋轉域空腔面及旋轉區域外表面和定子輪廓面進行加密處理，以免產生較大速度梯度[6]。圖3分別為旋轉區域外表面、靜態區域壁面處和定子輪廓處的Inflation加密后的網格圖。

圖2 攪拌反應器模型

圖3 膨脹法處理后的網格

將所有固-液、氣-液接觸面都定義為wall類型，其中將流體與空氣的接觸面和動態區域中槳葉的空腔面定義為自由滑移面(Free slip wall)，其他均為無滑移面(No slip wall),同時給定旋轉軸所在面同動態區域一致的旋轉速度450r/min。動態區域和靜態區域的結交面選擇GGI模型。

3 流場數值模擬分析

對安裝有普通氣體分散器和豎直邊高度為10、15、20mm折葉形氣體分散器的中心龍卷流組合反應器分別進行了液相的單相流模擬，模擬介質為20℃的水，其豎直面流場矢量圖如圖4所示。

圖4 攪拌器中心豎直面上速度矢量圖

從安裝有普通氣體分散器的組合反應器矢量圖中可以看出，由于氣體分散器下邊緣的阻擋，使分散器下端兩側形成的漩渦范圍較小，不利于內部的混合，而安裝有折葉形氣體分散器的組合反應器由于沒有了阻擋，在氣體分散器下端形成的漩渦范圍較大。對比3種折葉形氣體分散器組合反應器的矢量圖，20mm折葉形氣體分散器組合反應器中在氣體分散器的下端形成多個小的漩渦，攪拌效果不如形成大漩渦的10、15mm氣體分散器組合反應器好，且能量消耗比較高[7]，對比10、15mm氣體分散器組合反應器的矢量圖可以看出，10mm氣體分散器組合反應器中氣體通道口的速度較大，且形成的漩渦范圍較大，混合效果好且能耗低。15mm氣體分散器組合反應器在分散器下部形成的漩渦雖然相比10mm氣體分散器組合反應器形成的漩渦較小，但是在筒壁拐角處形成小漩渦，能夠有效消除壁面拐角處的攪拌死角。

4種中心龍卷流型組合反應器沿中心軸豎直方向的速度如圖5所示，可以看出，安裝有普通氣體分散器的攪拌器豎直方向速度變化梯度較大，而安裝有折葉形氣體分散器的攪拌器中豎直方向速度變化相對比較平緩。對比安裝有3種折葉形氣體分散器的攪拌器豎直方向速度的變化，豎直邊高度為10mm的折葉形氣體分散器的組合反應器中速度整體較低，攪拌效率低。15mm氣體分散器組合反應器速度變化最為平緩，速度消耗小。

圖5 攪拌器豎直方向速度

4 結論

4.1對安裝有折葉形氣體分散器和普通氣體分散器的中心龍卷流型組合反應器進行模擬，比對分析可知折葉形氣體分散器在中心龍卷流型攪拌器中的應用更有攪拌分散優勢。

4.2對安裝有直邊高度分別為10、15、20mm折葉形氣體分散器的龍卷流型組合反應器進行模擬，得到了較為均勻的混合速度。

4.3對比3種折葉形氣體分散器，直邊高度為10mm的折葉形氣體分散器對氣體有很好的分散效果，且能耗較低。15mm折葉形氣體分散器可以有效避免攪拌槽拐角處的攪拌死角，整體混合效果較好。

[1] 李啟恩,黃慶民,林齊浩，等. 葉輪自吸式攪拌器的流體力學及傳質研究[J]. 化學工程,1994,22(1):46～52，3.

[2] 郝惠娣,伍星,孫吉興，等. 中心龍卷流型攪拌槽固液懸浮特性[J]. 石油化工,2001,30(9):703～706.

[3] 張永芳,郝惠娣,高勇. 雙層槳氣液攪拌反應槽氣液分散特性[J]. 化學反應工程與工藝,2009,25(2):121～125.

[4] 王嘉駿,李良超,顧雪萍,等. 攪拌反應器內氣液兩相流的CFD研究進展[J]. 化工設備與管道,2012,50(1):1～4.

[5] 董亮. 離心泵非結構化四面體網格生成及應用研究[D].鎮江：江蘇大學,2012.

[6] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社,2013.

[7] 白飛龍,郝惠娣. 魚尾形槳葉用于龍卷流型攪拌反應器的性能研究[J]. 化工機械,2013,40(6):792～795，800.