新型葉片式攪拌器用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液混合特性的數(shù)值模擬

牟鈞

摘要：新型葉片式攪拌器在工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中的氣液混合特性的研究主要采用了CFD技術(shù)，通過對(duì)反應(yīng)器氣液混合特性的功率特點(diǎn)，剪切能力等流體動(dòng)力性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示新型的葉片式攪拌器在工業(yè)規(guī)模運(yùn)用中，當(dāng)攪拌器的轉(zhuǎn)速不斷加大時(shí)，新型葉片式攪拌器的功率消耗也隨之上升，與之相反的，攪拌器的轉(zhuǎn)速越高，死區(qū)分率就會(huì)越來越小。在雷諾數(shù)不斷加大時(shí)，剪切的平均速度就隨之變大。

關(guān)鍵詞：新型葉片式攪拌器;混合特性;工業(yè)規(guī)模;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TQ051.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1578（2019）07-0271-02

作為化工學(xué)專業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵單元操作，攪拌操作中攪拌器的類型對(duì)攪拌混合結(jié)果的影響是很大的。新型的葉片式攪拌器的結(jié)構(gòu)與其他攪拌器不同，新型葉片式攪拌器葉片變?yōu)榱爽F(xiàn)在多報(bào)道的天平樣子的葉片，隨著攪拌器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，攪拌器的的攪拌效果也得到了一定程度的優(yōu)化。新型葉片式攪拌器與傳統(tǒng)葉片式攪拌器相比，新型葉片式攪拌器結(jié)構(gòu)中上邊的葉片頂端較窄，葉片外觀更像一個(gè)梯形。目前許多研究人員為了對(duì)葉片式攪拌器進(jìn)行研究，采用了數(shù)值模擬的方法，通過對(duì)流暢分布以及氣液混合特性的調(diào)查。這篇文章通過CFD法對(duì)一定工業(yè)規(guī)模的新型葉片式攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，記錄器流暢與功率的變化特點(diǎn)。

1.計(jì)算條件

本次數(shù)值模擬采用的介質(zhì)是1.0wt%的黃原膠溶液，并且使用MRF法，在操作時(shí)把反應(yīng)器分成動(dòng)態(tài)區(qū)域與靜態(tài)區(qū)域兩部分，動(dòng)態(tài)區(qū)域包括新型葉片式攪拌器的葉輪以及旁邊的流體區(qū)域，除此之外的區(qū)域設(shè)置為靜態(tài)區(qū)域，本次模擬實(shí)驗(yàn)主要參考張敏革先生的研究方法。

2.計(jì)算模型

2.1 流體力學(xué)控制方程

新型葉片式攪拌器在工作時(shí)控制攪拌體積的主要是使用ANSYS CFD求解器，利用有限元求解法。整個(gè)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)過程受控于能量守恒定律等眾多守恒定律公式。通過把偏微分方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之變成代數(shù)方程組。

2.2 攪拌器的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)劃分

本次對(duì)葉片式攪拌器用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液混合特性的CFD數(shù)值模擬的攪拌器模型使用的是新型葉片式攪拌器，新型葉片式攪拌器的結(jié)構(gòu)外形整體類似一個(gè)柵欄，頂自中間向上逐漸變窄，輪廓成梯形狀，中間向下輪廓為矩形。攪拌器詳細(xì)長(zhǎng)寬高度如下：葉片半徑--1.2米、釜徑—1.6米、裝置流體液的高—4.8米。采用非結(jié)構(gòu)化四面體形式的網(wǎng)格，對(duì)新型葉片式攪拌器中葉輪附近進(jìn)行加密網(wǎng)格措施，并且網(wǎng)格最小不小于三毫米，最高不高于兩厘米。

3.結(jié)果及討論

3.1 功耗及死區(qū)分率

我們通過了解相關(guān)書籍知識(shí)可以知道，死區(qū)也叫PWM，打個(gè)比方，在一些電氣試驗(yàn)元件中，人關(guān)上班橋關(guān)閉斷開后，都會(huì)在一段時(shí)間過后再通開下半橋，反之也是，死區(qū)就是這段中間延遲的這部分時(shí)間。在這次新型葉片式攪拌器用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液混合特性的CFD模擬中，我們可以把反應(yīng)器的內(nèi)液相速率比葉片端部速率的0.1還低的部門區(qū)域作為死區(qū)，我們可以利用死區(qū)分率作為對(duì)攪拌器混合性能的表現(xiàn)。由于攪拌功率消耗狀況與其所需要大量的資金支持，因此我們可以通過新型葉片式攪拌器在本次工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液混合特性的數(shù)值模擬中的攪拌功耗作為評(píng)定攪拌器合理與否的關(guān)鍵要素，在進(jìn)行功率的計(jì)算時(shí)，我們可以使用P=2IINM作為功率的計(jì)算公式。通過不斷地模擬數(shù)值計(jì)算，我們可以得知新型葉片式攪拌器的攪拌功率曲線呈上升趨勢(shì)。新型葉片式攪拌器的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化時(shí)，新型葉片式攪拌器的介質(zhì)，也就是黃原膠溶液的功耗同死區(qū)分率也有一定程度的關(guān)聯(lián)。再葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度上升的情況下，新型葉片式攪拌器每單位體積所消耗的功率成同增關(guān)系，轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于每分鐘85轉(zhuǎn)時(shí)，單位體積的功率消耗會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的速度增加慢慢升高，新型葉片式攪拌器的攪拌軸為了力矩在極高速度下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的功率損耗，同此相比，流體的粘性阻力反而顯得沒那么主要。同時(shí)我們還可以根據(jù)數(shù)值模擬得出死區(qū)的分率在新型葉片式攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)速度升高時(shí)迅速下降，在達(dá)到極點(diǎn)后再逐漸平緩。

3.2 攪拌流場(chǎng)的速度矢量分布

新型葉片式攪拌器在其設(shè)計(jì)以及造型構(gòu)造階段時(shí)，最主要考慮的時(shí)其攪拌流場(chǎng)，新型葉片式攪拌器的速度矢量分布于葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相關(guān)，假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)每分鐘50轉(zhuǎn)時(shí)攪拌流場(chǎng)的速度矢量分布大致如圖左，假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每分鐘150轉(zhuǎn)時(shí)攪拌流場(chǎng)的速度矢量分布大致如圖右。新型葉片式攪拌器所形成的全釜大循環(huán)，基本與我們所考察的文章書籍相差無幾，當(dāng)新型葉片式攪拌器的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度較低時(shí)，由于流體自攪拌器的下端流出時(shí)碰到釜壁遇到阻礙，就會(huì)因此分成兩段，自左右兩邊，順著釜壁，一邊向上方流動(dòng)的同時(shí)，另一邊也會(huì)順著釜壁向下，并且在底部形成分層現(xiàn)象，因此會(huì)導(dǎo)致一個(gè)小型的循環(huán)出現(xiàn)在柵欄于葉輪的銜接之處。

3.3 攪拌器的剪切性能

作為評(píng)價(jià)攪拌器混合特性的一個(gè)關(guān)鍵因素，新型葉片式攪拌器的剪切性能也是我們所需要關(guān)注的一個(gè)要點(diǎn)，對(duì)新型葉片式攪拌器剪切性能就有很大程度影響的是攪拌器距離底部的距離，新型葉片式攪拌器的剪切速率會(huì)伴隨著Re n的升高而升高。

4.結(jié)語

我們通過利用Fluent軟件，通過對(duì)新型葉片式攪拌器在工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液的混合特性的數(shù)值模擬中，通過反應(yīng)器氣液混合特性的功率特點(diǎn)，剪切能力等流體動(dòng)力性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，再通過對(duì)數(shù)值模擬研究的實(shí)際情況，我們主要得出了三點(diǎn)結(jié)論。（1）首先新型葉片式攪拌器的，轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于每分鐘85轉(zhuǎn)時(shí)，單位體積的功率消耗會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的速度增加慢慢升高，此時(shí)所消耗的功率主要用途時(shí)為了減少液體本身存在的粘性對(duì)其流動(dòng)所造成的阻力，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過每分鐘85轉(zhuǎn)時(shí)，功率消耗的主要用途就會(huì)變?yōu)闉閿嚢栎S所提供的力矩。（2）第二點(diǎn)就是新型葉片式攪拌器會(huì)由于流體自攪拌器的下端流出時(shí)碰到釜壁遇到阻礙形成釜壁大循環(huán)，并且其面積會(huì)隨著主循環(huán)的而變大。（3）最后一點(diǎn)就是新型葉片式攪拌器會(huì)由于攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的不斷增加而顯著的加大了整體的剪切速率，而新型攪拌器的剪切區(qū)域主要聚集在攪拌器底端的葉片附近。

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