顆粒尺寸對聚合釜內固-液兩相流的影響

崔 鋒， 董金善， 曹 宇

(南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

固相在液相中的懸浮操作作為工業生產中常見的工藝類型，廣泛地應用于水處理、油漆及制藥等行業中。利用較小的功率消耗達到理想的固相顆粒懸浮效果，可以有效降低大型聚合釜的能耗問題，提高產品的競爭力。近年來，計算流體力學(CFD)技術的發展促進了復雜攪拌器的優化設計，利用CFD技術對攪拌槽進行數值模擬,極大地解除了實驗設備、實驗規模、實驗成本及實驗周期等對研究者在兩相流的混合時間預測、氣液分散體系等方面研究工作的制約，因而越來越受到重視[1-4]。目前有關聚合釜固-液兩相流的研究，主要集中在單層或雙層攪拌器方面，而對于不同類型的攪拌槳組合下的流場研究依然匱乏[5-11]。

本文利用計算流體力學軟件FLUENT對組合式攪拌器聚合釜內固-液兩相流進行數值模擬，考察了在一定轉速、一定體積分數下，不同固相顆粒粒徑對聚合釜內固-液兩相流流場及攪拌功率的影響，為實際工業生產提供一定的理論依據。

1 組合式攪拌器聚合釜模型與計算方法

1.1 聚合釜及其攪拌器結構

本文以某公司設計的30 m3聚乙烯聚合釜為研究對象，聚合釜結構簡圖見圖1。

圖1 聚合釜和攪拌槳結構示圖

圖1的聚合釜使用組合式攪拌器。攪拌器由攪拌軸和組合攪拌槳構成。組合攪拌槳包含3種結構的攪拌槳，分別對應圖1中靠上的2個三葉翼形軸流式攪拌槳、居中的2個六半橢圓管圓盤渦輪式攪拌槳和靠下的1個三葉后掠式攪拌槳。

聚合釜中各層攪拌槳結構示意見圖2。圖2a中，攪拌槳直徑為1 200 mm，葉片數為3，槳葉寬為400 mm，槳葉安裝角度為45°。圖2b中，攪拌槳直徑為1 200 mm，葉片數為6，槳葉寬為220 mm，槳葉安裝角度0°。圖2c中，攪拌槳直徑為1 200 mm，葉片數為3，槳葉寬為180 mm，槳葉安裝角度為0°。

圖2 各層攪拌槳結構示圖

1.2 聚合釜及其攪拌槳模型

以由聚乙烯顆粒和己烷液體構成的兩相流體系為研究對象。在兩相流中，液相密度為600 kg/m3、動力黏度為0.000 39 Pa·s，固體顆粒的密度為950 kg/m3、粒徑為0.2～0.8 mm。由于聚合釜結構較為復雜，網格劃分采用非結構化四面體網格，聚合釜網格結構見圖3。

圖3 聚合釜網格模型

對攪拌軸、葉片等區域進行網格加密處理，攪拌槳網格模型見圖4。

聚合釜及經過加密處理后攪拌槳總網格數約為220萬。網格無關性檢驗表明，再增加網格對模擬結果已沒有影響。

圖4 聚合釜攪拌槳網格模型

1.3 模擬方法

應用計算流體力學軟件FLUENT對聚合釜內固-液兩相流場進行數值模擬。固-液兩相流模擬計算采用歐拉(Euler)法，將顆粒和流體均看成連續漿液相[12-13]。此方法具有計算量小的優點，在高濃度的固-液兩相流模擬中應用較為廣泛。槳葉旋轉區域和其他靜止區域采用多重參考系法處理，湍流模型采用標準κ-ε模型，標準壓力-速度耦合采用SEMPLE算法和一階迎風差分格式。對攪拌器的攪拌軸扭矩變化情況進行監測，扭矩不再變化時表明計算收斂[14-15]。

2 聚合釜內兩相流場模擬結果與分析

聚合釜內的流場分布受多種因素的影響，文中主要研究顆粒直徑對聚合釜內攪拌效果的影響。采用控制變量法，模擬攪拌轉速為60 r/min，固相顆粒體積分數為0.1，顆粒粒徑ds分別取0.2 mm、0.5 mm、0.8 mm幾種工況下聚合釜內流場的分布情況。

2.1 顆粒直徑對兩相流流場的影響

不同粒徑條件下攪拌軸截面液相速度矢量分布見圖5。由圖5可知，釜內液相速度對釜內顆粒粒徑的變化不敏感，不同的顆粒粒徑下，液相速度分布基本一致。

不同粒徑條件下攪拌軸截面固相顆粒體積分數分布見圖6。由圖6可知，在轉速和整體固相顆粒體積分數保持不變的情況下，固相顆粒粒徑越大，聚合釜內固相顆粒體積分數分布越不均勻。當顆粒粒徑從0.2 mm增大到0.8 mm時，釜底最大固相顆粒體積分數從25%增大到61.6%，釜底固相顆粒沉積現象更加明顯。小粒徑的固相顆粒在釜內分散更為均勻，攪拌軸圓心區域和液面附近均未出現明顯的分液層。

圖5 不同粒徑條件下攪拌軸截面液相速度矢量分布

圖6 不同粒徑條件下攪拌軸截面固相顆粒體積分數分布

由圖6c還可知，當粒徑為0.8 mm時，釜內固相顆粒分布均勻度較差，底部出現明顯的固相顆粒沉積，液面附近出現明顯分液層，聚合釜內混合性能較差，應該相應地提高攪拌轉速，來改善釜內固相顆粒體積分數分布不均勻的情況。

為了更好地了解釜內固相顆粒的分布情況，對平行于軸線的2條線A1、A2和垂直于軸線的2條線L1、L2上固相體積分數進行分析，A1、A2、L1、L2的位置見圖7。

圖7 聚合釜內分析線A1、A2、L1、L2位置示圖

分析線A1、A2、L1、L2固相體積分數分布見圖8～圖11。從圖8和圖9可見，顆粒粒徑越小，釜內固相顆粒分布越均勻，軸向方向上固相顆粒體積分數變化趨勢越平緩。粒徑為0.2 mm時聚合釜內固相分布最均勻，除釜底有少量顆粒沉積外，其他區域無明顯的分區現象。當顆粒粒徑為0.8 mm時，釜底有大量顆粒沉積，混合性能較差，這與圖6中固相顆粒體積分數分布云圖基本一致。

從圖10和圖11可見，分析線L1處固相顆粒體積分數均隨著徑向距離的增大而增大，在攪拌槳頂端附近達到最大值，而后減小趨近于一定值。分析線L2處固相顆粒體積分數隨著徑向距離的增大而增大，聚合釜壁面處到最大值。在分析線L1處，固相顆粒粒徑ds=0.8 mm時，固相顆粒體積分數由2%逐漸增大到12%，變化較大；而固相粒徑ds=0.2 mm時，固相顆粒體積分數由8%逐漸增大到12%，變化趨勢較為平緩。在分析線L2處，固體顆粒粒徑ds=0.2 mm時固體顆粒體積分數最小值約為顆粒粒徑ds=0.8 mm時固體顆粒體積分數最小值的7倍，最大值約為其2倍，表明大粒徑不利于釜內固相顆粒的懸浮。

圖8 聚合釜內分析線A1軸向固相顆粒體積分數分布

圖9 聚合釜內分析線A2軸向固相顆粒體積分數分布

圖10 聚合釜內分析線L1徑向固相顆粒體積分數分布

圖11 聚合釜內分析線L2徑向固相顆粒體積分數分布

2.2 顆粒粒徑對功率的影響

由CFD得出的不同固相顆粒粒徑下聚合釜內攪拌扭矩見表1，由攪拌扭矩計算得到的攪拌功率見表2。

表1 不同顆粒粒徑下聚合釜內攪拌扭矩 N·m

表2 不同顆粒粒徑下聚合釜內攪拌功率 kW

分析表1和表2中數據繪制的聚合釜攪拌功率在不同顆粒粒徑下隨著轉速的變化曲線見圖12。

由表1、表2和圖12可知，隨著釜內固相顆粒粒徑的增大，功率消耗也隨之增大，固相顆粒粒徑ds=0.8 mm時，功率消耗最大。當顆粒粒徑由0.2 mm增大到0.5 mm時，釜內攪拌功率隨著顆粒粒徑增大變化較大，粒徑由0.5 mm增大到0.8 mm時，攪拌功率增大不顯著。

3 結語

利用CFD軟件對聚合釜內的流場特性進行了數值模擬。模擬結果綜合分析表明，①顆粒粒徑的變化對釜內液相速度的影響基本可以忽略，對釜內顆粒體積分數的分布影響顯著，顆粒粒徑越大，釜底顆粒沉積現象愈明顯。②隨著顆粒粒徑的增大，組合式攪拌器的攪拌功率也增大。當顆粒粒徑由0.2 mm增大到0.5 mm時，釜內攪拌功率隨著顆粒粒徑增大變化較大，粒徑由0.5 mm增大到0.8 mm時，攪拌功率增大不顯著。

圖12 不同顆粒粒徑下聚合釜攪拌功率與轉速關系曲線