Fluent在PC合成過程模擬研究中的應用

廖蘭貴，蔣卓良，臧陽陵，王 燕，樊金元

（1.湖南海利工程咨詢設計有限公司，湖南長沙 410007；2.湖南化工研究院有限公司，湖南長沙 410007）

學術研究

Fluent在PC合成過程模擬研究中的應用

廖蘭貴*1、2，蔣卓良1，臧陽陵2，王 燕2，樊金元1

（1.湖南海利工程咨詢設計有限公司，湖南長沙 410007；2.湖南化工研究院有限公司，湖南長沙 410007）

采用Fluent 6.3.26軟件對光氣法聚碳酸酯合成攪拌反應釜內的攪拌過程進行模擬研究。考察了擋板的設置、攪拌槳形式、槳葉傾斜角度對釜內流體流動的影響，并建立了聚碳酸酯合成計算機數學模型。模擬結果表明，采用45°圓盤渦輪攪拌槳有利于光氣法聚碳酸酯合成的傳質與傳熱。

PC合成；數值模擬；聚碳酸酯；FLUENT

0 前 言

采用光氣界面聚合兩步法合成雙酚A型聚碳酸酯（PC），由于反正發生在油相／水相兩相接觸的界面，因此兩相傳質、傳熱是決定工藝的重要因素。在這種形勢下，了解和掌握聚碳酸酯反應器內局部流動和混合信息能夠指導反應器的設計和工業攪拌設備的選用，提高其效益。

由于實驗不能使攪拌釜內的流動混合的具體過程可視化，而隨著CFD技術的發展，利用數值模擬的方法獲得攪拌釜內的可視化流動與混合信息已經成為現實［1］［2］。利用CFD方法可以節省大量的研究經費，且可以獲得實驗手段所不能得到的數據［3］［4］。本文擬采用大型流體模擬軟件—Fluent 6.3.26考察不同轉速、攪拌槳形式、槳葉角度等因素對PC合成過程中釜內流體流動的影響。最終建立攪拌反應釜計算機數學模型，為中試生產及工業化應用提供參考依據。

1 研究方法的確定

1.1 湍流模型的選擇

對湍流運動方程的求解方法中，κ-ε模型是目前應用最廣泛的兩方程紊流模型。大量的應用實踐表明，該模型可以計算較復雜的紊流，對大多數工業流動問題能夠提供良好的特性和物理現象預測。因此確定采用標準κ-ε模型。標準κ-ε模型方程為：

1.2 槳葉區處理方法

在對攪拌器進行模擬時，運動的槳葉和靜止的檔板之間的相互作用采用多重參考系法方法的計算量要小的多，比滑移網格法的計算量小約一個數量級，因而更適合于計算量較大的多相流動的計算，因此采用多重參考系法（MRF）［5］。

1.3 網格劃分方法

采用前處理器Gambit生成網格。由于模擬所選用的攪拌槳結構不規則，攪拌釜內網格劃分采用結構化和非結構化相結合的方法，槳葉區采用非結構化的網格，槽內其他區域應用合理的分區方法采用結構化六面體網格。

1.4 數值求解步驟

數值求解步驟如下：（1）設定解算器；（2）設定離散方程差分格式；（3）設定數學模型；（4）設定物料屬性；（5）設定邊界條件；（6）設定初始條件；（7）設定收斂殘差；（8）設定時間步長；（9）迭代計算。

2 模擬結果與討論

2.1 擋板的設置對流體特性的影響

通過在六直葉開式渦輪攪拌反應釜內設置擋板與否來考察擋板的設置對流體特性的影響，擋板按照全擋板條件進行設置，全擋板條件公式為：其中：W為擋板寬度，Dj為攪拌器直徑，z1為擋板數量。

圖1 軸向流動矢量圖Figure1：Vector Diagram of Axial Flow

由圖1可以看出，六直葉開式渦輪屬于徑向流攪拌器，旋轉槳葉在葉輪區產生高速徑向射流，徑向射流在流動過程中央帶周圍流體，撞擊到槽壁后，徑向排出流分為兩部分，一部分沿槽壁向上流動，一部分向下流向槽底，在雙槳作用下載攪拌槳上下形成八個循環區。流體到達液面或槽底后，流體流動轉向徑向流回軸中心，分別向下或向上流回葉輪區。

從圖1也可以看出設置擋板后，軸向流動更加復雜，并出現多個小漩渦，這有助于相間流體相互發生剪切，從而提高兩相流體的接觸面積；同時擋板的設置使攪拌軸心的漩渦消失，有效地防止打漩現象的產生。同時從上圖可以看到，當槽內有擋板時，排出流遇到槽壁則向上下分開，使槽內形成上下循環流的流型。

圖2 徑向流動矢量圖Figure2：Vector Diagram of Radial Flow

從圖2可以看到，設置檔板后釜內有規律的旋轉流動消失，取而代之的是總體上釜內壁面的流體在檔板的引流下流向軸心，這樣有利于釜內中心的熱量向壁面傳遞，從而保證了合適的反應溫度，壁面局部高溫點的產生。從圖2也可以看出，徑向速度趨于紊亂，流體速度最大值并不出現在壁面，而是出現在槳葉的末端，說明近釜壁流體發生比較強烈的相互對流剪切，從而使動能轉化為內能，因此說明檔板的設置有利于提高流體間相互剪切作用，在多相體系中有利于增大相間面積，提高傳質效果。

2.2 攪拌槳形式對流體流動的影響

采用30°折葉攪拌槳為基礎考察開式或圓盤渦輪攪拌槳，設置動區域攪拌速度為15 rad／s進行模擬。

圖3 流動速度分布云圖Figure3：Cloud Chart of Velocity Distribution

從圖3可以看出采用圓盤渦輪攪拌槳，近攪拌軸的的軸向速度明顯減小，這樣對于有氣相通入的光氣法進行聚碳酸酯合成的多相反應，可以有效增加光氣的停留時間，促進反應的進行。

圖4 湍流強度云圖Figure4：Cloud Chart of Turbulence Intensity

從圖4可以看出采用圓盤渦輪攪拌槳，雖然近軸處軸向速度減小，但湍流強度變化較小，因此仍可保證相間的有效接觸及反應。結合光氣界面法合成聚碳酸酯反應體系的特征，確定采用帶檔板結構的折葉圓盤渦輪攪拌反應釜效果比較理想。

2.3 折葉角度對流體流動的影響

以圓盤渦輪攪拌槳為基礎考察折葉角度對流體流動的影響，設置動區域攪拌速度為15 rad／s進行模擬。

圖5 不同槳葉角度影響云圖Figure5：Cloud Chart of Influence of Blade Angle

從圖5可以發現：①90°時，攪拌槳將中心流體向壁面排出，在壁面碰到阻礙后，流體向上下流出，因此壁面流體流速較快，但軸功率大，且在兩槳之間形成兩個方向相反的循環流，阻礙上下流體交換。②當槳葉傾斜角度為60°時，釜內液面流體流速趨于零，這可能是因為在此條件下，液面下的流體發生強烈的剪切作用，將大量的動能轉化為內能，軸向速度快速降低，從而導致無足夠的動能對上層液體進行攪動，從軸向速度分布圖中也佐證了以上觀點。③當槳葉傾斜角度為30°時，可以發現軸向流速明顯增大，在之前也討論過，光氣界面聚合法合成聚碳酸酯因為存在氣相原料光氣，所以在連續反應過程中必須保持光氣一定的停留時間，而軸向速度過大會導致接觸不夠充分而導致原料光氣損失。④在折葉角度為45°時，獲得一定的軸向流速的基礎上，徑向流速也比較合適，有助于促進熱量的交換。圖6為45°折葉攪拌槳不同位置的徑向速度，其中z＝200 mm為釜底部流體，z＝370 mm為下攪拌槳處流體，z＝700 mm為兩槳之間的流體，z＝1300為液面附近的流體。

圖6 45°徑向速度分布圖Figure6：Figure of Radial Velocity Distribution

2.4 油水兩相體系驗證

采用MRF方法，應用非穩態的方法對攪拌釜內油水兩相液－液分布及流場進行模擬。設定時間步長為0.005s，分別設定迭代步數為5 000、10000、15 000，考察在六葉45°折葉圓盤渦輪攪拌槳條件下，釜內多相流的變化情況，收斂殘差為10－3。結果圖7所示。

圖7 油水兩相體系隨攪拌時間變化圖Figure7：Cloud Chart of The Changing Trend of Two Phase Systems with Mixing Time

從圖7可以看出，隨著攪拌進行，油水兩相流體混合趨于均勻，特別是近攪拌軸的流體也實現了有效混合，說明采用六葉45°折葉圓盤渦輪攪拌槳適合聚碳酸酯合成體系。

3 結論與展望

3.1 結論

（1）擋板的設置會導致釜內流體總體流速趨緩，但會生成更多的漩渦，促進流體間的傳質；同時擋板促使壁面的流體向中心流動，使反應產生的熱量快速向壁面擴散，同時也有效防止圓柱狀回旋區和打漩的產生。

（2）采用折葉攪拌槳湍動能及湍流強度分布更加均勻，在多相反應中，使更多的分散相發生反復分裂與凝并，從而增大兩相接觸面積，促進相間傳質。

（3）折葉角度為45°時，攪拌槳為流體軸向流動和徑向流動提供合適的動能，因此可以確保兩相進行充分的接觸和傳質，且不會造成軸向流速過大而導致氣相的停留時間減少。

（4）采用Fluent模擬油水兩相體系在攪拌過程中兩相混合情況，試驗證明采用六葉45°折葉圓盤渦輪能夠使兩相有效混合。

3.2 展望

從油水兩相體系驗證模擬實驗可以看出，攪拌槳上下兩層均采用圓盤渦輪攪拌槳會導致軸向混合強度不夠，最終還出現釜底液單相聚集，因此下階段擬采用“上圓盤渦輪、下折葉開式”組合攪拌槳形式進行考察。

［1］侯拴弟，鐘孝湘，王英琛，等.斜葉渦輪攪拌槽流動場數值研究［J］.北京化工大學學報，1999，26（4）：1－4.

［2］張少坤，尹俠.雙層槳攪拌槽內流場的數值模擬［J］.包裝與機械，2011，27（7）：71－73.

［3］Luo J V，Issa R I，Gosman AD.Prediction of Impeller Induced Flows in Mixing Vessels Using Multiple Frames of Reference［J］.I ChemE Symp Ser，1994，136：549－556.

［4］張永震.拌釜式生物反應器的計算流體力學模擬.［碩士學位論文］.天津：天津大學生物化工專業，2005.

［5］周國忠.攪拌槽內流動與混合過程實驗研究和數值模擬［D］.［博士學位論文］.北京：北京化工大學化學工程專業，2002.

Application Fluent Software to Simulation of PCSynthesis Process

Liao Lan-gui1,Jiang Zhuol-iang1,Zang Yang-ling2,Wang Yan2,Fan Jin-yuan1
（1.Hunan Haili Engineering Consultation Co.Ltd，Changsha 410007 China；2.Hunan Research Institute of Chemical Industry Co.Ltd，Changsha 410007 China）

Simulation study on the stirring process of the synthesis of polycarbonate by using Fluent 6.3.26.The influence of baffle，form of the agitator and inclination angle on the fluid flowing is studied，and computer model of the stirred tank is established.The simulation results show that，using 45°disc turbine impeller for polycarbonate synthesis by phosgene is propitious to mass and heat transmission.

PCSynthesis；Polycarbonate；FLUENT；Simulation

TG 335

B

1003-6490（2015）04-0045-04

2015－08－15

廖蘭貴（1982.2－），男，湖南邵陽人，工程師，碩士，研究方向：工程模擬與放大研究。