新型攪拌槽固液懸浮特性CFD研究

馮榮榮

【摘要】固液混合攪拌槽在石油、化工、制藥、食品以及生物發酵過程中有著非常廣泛的應用，對其進行的數值模擬和實驗研究也很充足。傳統的攪拌槽是利用槽內四塊擋板實現固液懸浮，新型攪拌槽是采用底部的對數螺旋線導流板實現固體顆粒的懸浮。新型攪拌槽的顯著特點是低剪切高傳質，因此，深入研究并充分認識其混合優點，可以為工業設計及應用提供理論基礎。

【關鍵詞】新型攪拌槽；固液；懸浮；CFD

一、混合機理

傳統的標準攪拌槽利用槽壁處的四塊擋板來改善攪拌效果的，新型攪拌槽利用的是龍卷風的原理做成的，因此也可叫做中心龍卷流型攪拌槽。新型攪拌槽底部有對數螺旋線導流板，它對流體導流有著特殊的作用，本文通過利用CFX對兩種攪拌槽進行對比模擬。

二、數值模擬

數值模擬采用的液相為水，固相為石英砂顆粒，顆粒的直徑為0.05mm，顆粒的體積分數定為0.5%，設置轉速為350r/min，攪拌槳葉采用的是六直葉圓盤渦輪槳。圖1和圖2是兩種形式的攪拌槽內部結構圖。

圖3為標準攪拌槽和新型攪拌槽內軸截面處的速度矢量圖。

通過CFD模擬圖可知：傳統攪拌槽和新型攪拌槽內，速度最大值均出現在攪拌槳葉附近，但流體的流動形態卻有很大區別。在傳統攪拌槽內，流體的流動在六直葉圓盤攪拌槳作用下主要先以徑向流為主，即先向攪拌槽四周流，當流體碰撞到槽壁后，流向改變。一部分沿槽壁向上流動到達液面頂端之后再沿攪拌軸向下流動，最終回到攪拌槳附近，完成一個循環。另一部分流體向下流動，形成另外一個循環。由此可見，標準攪拌槽在全槽范圍內形成了兩個比較明顯的循環流，不利于固液在全槽范圍內達到比較理想的混合。

在新型攪拌槽中，雖然渦輪槳屬于徑向流攪拌槳，但由于在槽底對數螺旋線導流板的作用下，使得流體的流動主要以螺旋上升的軸向流為主，流體到達攪拌槳附近后，在攪拌槳的旋轉作用下，流體流向四周槽壁，與槽壁碰撞之后向下流動，回到導流板，然后繼續螺旋上升，以此重復達到一個完整的循環。新型攪拌槽在全槽范圍內形成了一個大范圍的循環流，返混效果好，利于全槽范圍內固液的混合。

圖4為軸截面處石英砂顆粒的體積分布云圖。由圖可知，在標準攪拌槽內，石英砂顆粒能夠比較均勻的分散在整個攪拌槽內，而在新型攪拌槽中，石英砂顆粒主要分布在底端，只有一小部分分布在攪拌槽的中上層。主要原因是，由于此數值模擬耗費時間較長，我們在模擬時，設置的時間僅為一分鐘，新型攪拌槽內的固液懸浮還未達到穩定狀態，此結果也說明了，在相同的條件下，如果要達到較好的懸浮效果，新型攪拌槽需要的時間要比傳統攪拌槽要長。

三、結論

通過CFX數值模擬分析，傳統攪拌槽和新型攪拌槽在固液懸浮混合時，各有優缺點。傳統攪拌槽在全槽范圍內形成兩個循環流，整體的混合效果較差，但在較短時間內，粒子的分布較為均勻。新型攪拌槽在全槽范圍內形成一個大的混合流，整體返混效果好，但在較短時間內，粒子的分布未達到均勻狀態，還需要我們做更長時間的模擬以及相應的實驗來驗證。

參考文獻

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