基于大黏度變化流場調控的聚合物裂解反應攪拌裝置結構優化

彭濤，張冰*，暴利軍，劉善友

(1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.內蒙合成化工研究所，內蒙古 呼和浩特 010000)

1 研究背景

攪拌混合是化工生產中最常見、最重要的生產過程之一，其目的是加快反應中傳質或傳熱過程。對反應釜而言，通過攪拌槳的旋轉為流體提供動能，從而形成釜內的整體流動[1]，反應釜結構設計意圖[2]如圖1所示。反應在工業生產中，作為壓力容器的反應釜對反應物料的攪拌、混合需要在密閉的釜體內完成示。觀察內部攪拌、混合情況需要借助視鏡的幫助，而實際攪拌、混合過程中視鏡的視野范圍極為有限，只能對局部情況進行觀察。得益于目前計算機技術、有限元分析軟件的發展，應用有限元軟件對反應釜內部流場進行分析，可以得到全面且較為準確的內部流動場情況，進而對反應釜內部攪拌、混合情況進行分析。目前攪拌設備的仿真研究存在兩個問題：一是介質流體物性大多局限于低黏度牛頓流體[3]，對變黏度、高黏度流體涉及較少，二是仿真研究中所涉及的攪拌槳型相對固定[4～5]，變黏度流體反應過程中，高黏度流體的攪拌由于黏滯力的影響，在遠離槳葉的地方高黏度流體速度小，需攪拌槳型使其適合于大黏度變化區間。

圖1 反應釜結構示意圖

本文研究內容為，針對工作溫度90 ℃、工作壓力0.6 MPa、攪拌過程黏度跨越0～150 pa.s的反應條件下的裂解反應變黏度混合攪拌過程。基于CFD有限元模擬軟件ansys建立反應釜釜體的三維有限元模型，對反應釜釜體內部物料流動情況進行分析，進而優化攪拌槳型通過模擬計算結果對比得出不同攪拌槳型在釜體中所形成的流動場情況。

2 流場模型構建

2.1 幾何模型

針對該反應釜設備建立有限元模型首先與要對反應釜設備進行細節簡化處理。簡化處理后保留釜體 物料部分即保留下封頭與圓柱形釜體，反應釜直徑為500 mm，釜壁高度為500 mm，釜體結構如圖2所示。

圖2 模型結構圖

槳葉形式的挑選錨框式攪拌槳、槳式攪拌槳、渦輪式攪拌槳，槳葉模型的建立參考槳型標準建立，槳葉尺寸如表1所示。

表1 槳葉尺寸

2.2 數學模型

在進行有限元模擬計算時，考慮到釜體形狀、物料物性以及物料在流場流動的復雜性，需做出必要的假設以便于研究釜體內流動情況：

（1）物料流體為不可壓縮流體；

（2）流場為等溫、湍流、穩態流場；

（3）物料流體與壁面無滑移；

（4）由于慣性力和質量力遠小于黏滯力，慣性力和質量力忽略不計;

（5）物料流體在流場內完全充滿。

在以上假設前提下，描述流場的湍流方程為：

式中：

ε—湍流耗散率；

k—湍動動能；

σ—湍動動能Prandtl數。

2.3 網格模型

采用三維建模軟件對攪拌反應釜進行建模。建模時將橢圓封頭與筒體建為實體作為流體的靜區域; 攪拌軸在攪拌槽中切除;攪拌槳和攪拌軸周邊區域建模作為動區域，將靜止區域與動區域裝配在一起。

使用網格劃分軟件進行網格劃分。在保證計算精度及平衡計算量的前提下，采用四面體網格進行劃分，靜區域網格大小為6，動區域網格大小為4，網格總數分別為槳式攪拌槳1 44 6 604、錨式攪拌槳2 377 853、渦輪式攪拌槳1 078 160,符合網格質量要求。網格劃分如圖3所示。

圖3 各反應釜網格模型

3 邊界條件設置與流場計算

3.1 邊界條件設置

（1）攪拌漿區域為動區域，其余部分為靜區域。將動區域和靜區域的交界面邊界條件設置為interface。

（2）攪拌槳面為轉動部分，定義為無滑移固壁，記為攪拌轉動面。

（3）攪拌釜壁面使用默認的無滑移固壁。

3.2 有限元模擬設置

（1）在有限元模擬軟件中設置黏度工作區為0～150 pa.s，轉速特性設置為80 r/min；

（2）所有計算均在穩態下進行；

（3）計算絕對速度公式下非耦合隱式算法；

（4）湍流輸運方程采用k-ε湍流模型，近壁區通過標準壁面函數方法進行處理；

（5）SIMPLE壓力-速度耦合算法，PRESTO壓力離散方法，湍流參數的離散為一階迎風格式，其余求解變量為二階迎風格式離散。

3.3 流場計算結果

在低黏度階段，攪拌槳為槳式攪拌槳與渦輪式攪拌槳時的釜體內流速相比攪拌槳為錨框式攪拌槳時流速略低，如圖4和圖5所示為低黏度下各槳型流場的速度云圖。

圖4 各攪拌槳軸向截面流速云圖

圖5 各攪拌槳徑向截面流速云圖

在高黏度階段，攪拌槳為槳式攪拌槳與渦輪式攪拌槳時，釜體內流體流動情況相有效區域更小，其主要原因為黏度過大時，流體黏滯力更大，湍流動能耗散率更大，湍流動能迅速減小，槳式攪拌槳與渦輪式攪拌槳所能夠輻射到的攪拌有效區域減小，如圖6和圖7所示為高黏度下各槳型流場的速度云圖。

圖6 各攪拌槳軸向截面流速云圖

圖7 各攪拌槳徑向截面流速云圖

4 流場計算結果分析

物料反應過程中黏度0～150 pa.s跨度極大，對釜體速度場進行分析時取平均黏度75 pa.s、轉速為80 r/min流動狀態進行分析。對釜體中位截面上75 mm、150 mm、300 mm、450 mm四個不同高度位置的流體速度進行統計，見表2～5。

表2 釜壁150 mm高度位置流速統計表

表3 釜壁75 mm高度位置流速統計表

150 mm釜壁高度線同時穿過三個攪拌槳，通過圖8表明顯得出無論是何種攪拌槳攪拌時，流體速度在徑向方向上均呈現先升高后降低的趨勢，在槳葉葉端附近達到最大速度，靠近攪拌軸處和壁面時兩處速度會逐漸降低。出現這種該現象是由于攪拌槳時產生動能為流體湍流提供湍流動能的主要來源，而攪拌槳槳葉葉端位置扭矩最大，為流體提供的湍流動能最大流體流速最大，在湍流動能向外傳遞過程中存在湍流動能耗散，流體速度不斷減少。渦輪式攪拌槳在攪拌槳葉水平高度位置時，由于渦輪式中心葉片為圓盤形對無法像其他兩種槳葉一樣為葉端向內位置提供較高湍流動能，葉端向外位置的流體流速更大。

75 mm釜壁高度位置位于各個槳葉的下方，在該位置處流體速度差別并不是很大且速度相對較小產生該先現象是由于反應釜中攪拌的特性，攪拌槳下方速度相對較低且容易出現死區，流體流速統計如圖9表所示。通過調整槳葉的高度位置，使攪拌槳水平位置下移，縮小攪拌槳與反應釜底部間的間隔，可以對攪拌槳下方速度較低、易出現死區的問題進行改善。

圖8 釜壁150mm高度位置流體流速曲線

圖9 釜壁75 mm高度位置流體流速曲線

300 mm高度位置位于渦輪式攪拌槳與槳式攪拌槳上方，通過圖10可以得出攪拌槳攪拌在該位置產生的流體速度在徑向方向上均呈現先升高后降低的趨勢，與在攪拌槳葉水平高度位置趨勢基本相同，在槳葉葉端附近達到最大速度，靠近攪拌軸處和壁面時兩處速度會逐漸降低，而流體流速整體與攪拌槳葉水平高度位置流速低。渦輪式攪拌槳相較于槳式攪拌槳流速降低更快，說明渦輪式攪拌槳攪拌效果向軸向方向輻射距離更短。

表4 釜壁300 mm高度位置流速統計表

表5 釜壁450 mm高度位置流速統計表

圖10 釜壁300 mm高度位置流體流速圖

450 mm高度位置位于三種攪拌槳的上方，由于該位置距離攪拌槳葉較遠，槳式攪拌槳與渦輪式攪拌槳速度極低，攪拌槳所產生的湍流動能在向上傳遞過程中流體在流體間黏滯力的作用下不斷降低，當湍流動能在傳達至遠離攪拌槳葉的位置時其湍流動能嚴重減少。而由于錨框式攪拌槳體積大，在450 mm高度位置附近的攪拌槳葉依然可以為流體流動產生湍流動能，使450 mm高度位置的湍流動能依然保持較高數值，從而形成了如圖11所示的現象。

圖11 釜壁450 mm高度位置流體流速

5 結論

通過對各個形式攪拌槳攪拌下釜體內流體流速的對比，可得出以下結果：

（1）在文中所述各種攪拌槳攪拌時，流體速度在徑向方向上均呈現先升高后降低的趨勢，在槳葉葉端附近達到最大速度，靠近攪拌軸處和壁面時兩處速度會逐漸降低。

（2）由于渦輪式槳葉中心葉片為圓盤形對無法像其他兩種槳葉一樣為葉端向內位置提供較高湍流動能，其葉端向外位置的流體流速更大。

（3）攪拌槳下方速度相對較低且容易出現死區，可以通過將攪拌槳水平位置下移，縮小攪拌槳與反應釜底部間的間隔實現改進。

（4）從整體總和來看，在釜體內部各個位置，流體流速相對更大，攪拌效果更好。