反應釜攪拌性能有限元仿真分析CFD 輔助設計應用

丁敬斌

（中際山河科技有限責任公司，湖南 長沙 410000）

引言

大型槽罐多采用機械攪拌來強化原料與溶液的混合，使原料在溶液中充分的被混合，并促進其與化學藥劑的反應，為后續工藝提供有利條件[1]。但是由于反應槽罐容積龐大，原料與溶液的混合后容量很大，攪拌混合溶液消耗的功率相應較大，攪拌軸及槳葉受力大且復雜，在傳統的設計中一般靠經驗設計來確定反應釜的各部位尺寸與形狀，致使設計中計算并不十分準確，設備最終的實際效果也不太理想[2]。隨著計算機CFD 軟件的功能、算力越來越強，計算的準確性已經能夠滿足工程設計的需要，針對大型反應釜反應釜，利用CFD 軟件模擬反應釜在工作狀態下槽內溶液流場變化情況，分析介質溶液中顆粒的分布情況，并得出運行過程中槳葉隨時間的受力曲線，計算出攪拌軸所受扭矩，為后續反應釜的設計提供理論上的支撐[3]。

1 仿真基本介紹

此次仿真的對象為攪拌反應釜，報告內容如下。

1.1 仿真算法

采用有限速率反應相方程為

式中，Mw，i為第i 中物質的分子量，R^i，r為表示第i 種物質在第r 個反應中所產生/分解的速率。反應發生的位置很可能在壁面連續相中。考慮以如下形式寫出第r 個反應

式中，系統中的N 為化學物質的數量，v'i，r為反應物i的化學計量數，V"i，r為反應物r 中生成物i 的化學計量數，Mi為第i 種物質的符號，kf，r反應r 的正向速率常數，kb，r反應r 的逆向反應速率常數；公式（2）適用于可逆和不可逆兩種反應，而對于不可逆反應，逆向速率常數忽略。反應r 中物質i 的產生/分解摩爾速度見公式（3）

式中，N 為反應r 的化學物質數目；Cj，r為反應r 中每種反應物或生成物j 的摩爾濃度；η'j，r為反應r 中每種反應物或者生成物j 的正向反應速度指數；η"j，r表示反應r 中每種反應物或生成物j 的逆向反應速度指數。其中Γ 表示第三體對反應速率的凈影響，具體如下

式中，γj，r為第r 個反應中第j 種物質的第三體影響，如果是缺省狀態則不包括第三體影響，但如果有了這些數據時則可以包括它，反應r 前向速率常數如下

式中，Ar為指數前因子，βr為溫度指數，Er為反應活化能，RT 為氣體常數。當反應可逆時，逆向反應常數如下

式中，Kr為平衡常數，如下

式中，patm為大氣壓強，函數中各指標項表示自由能變化的幅度，各個部分的計算如下

式中，si和hi分別是標準狀態下的熵和焓。

1.2 仿真模型的建立

反應釜內徑16 m，高23 m，其中沿筒壁均布4塊17 800 mm×900 mm 的擋板，反應釜豎直放置于反應釜中心位置。具體參數見表1。

表1 仿真模型結構參數表

圖1 反應釜三維模型

1.3 網格基本介紹

此次，采用的是多面體網格，反應釜A 的網格節點數量為1 693 044，反應釜B 的網格節點數量為9 616 344。A 總體網格見圖2，反應釜局部網格見圖3。

圖2 A 總體網格

圖3 反應釜局部網格

1.4 初始條件

反應釜的初始物質為兩相分別為Fe2（SO4）3和NH4HPO4，分布方式為混合分布，體積分數分別為33.3%和66.6%，見圖4。

圖4 反應釜A 初始顆粒分布

1.5 反應條件

此反應的化學方程為：

2 整個流場的分布情況

圖5 為反應釜A 和反應釜B 的流線情況，從流線結果來看，反應釜的槳葉的攪拌情況良好，從圖5 中可以看出，反應釜附近流場速度較大。離攪拌軸越遠，速度隨之變小。并且大渦流主要出現在反應釜的周圍和側上方的位置。上部的渦流較小，但是數量較多，中部呈上下貫通趨勢[4]。

圖5 反應釜流線

圖6 為不同組分體積含量隨時間變化的圖像。從圖6 中可以看出，當T=0 s 時，Fe（SO4）3的摩爾質量為38 立方左右，NH4H2PO4的摩爾質量為78 立方左右。隨著反應的進行，Fe（SO4）3與NH4H2PO4的體積不斷減少，并且Fe（SO4）3比NH4H2PO4減少的速率慢。而生成物FePO4和NH4HSO4的體積逐漸增加，當反應進行到4 500 s 時，反應物質和生成物含量趨于平穩。FePO4和NH4HSO4穩定在48 立方左右，H2SO4穩定在20 立方左右。

圖6 反應物生成物含量情況

組分體積的時間上的微分見圖7，不難發現在反應的初始情況下反應物的消失是劇烈的，分析認為在反應的初始階段反應物占比較高，反應劇烈，生成物生成的速度極快，一段時間之后，反應物慢慢減少，反應速率降低，直至反應平穩[5]。

圖7 各組分體積的時間上的微分

穩定后各組分分布圖見圖8。

圖8 組分質量分數云圖

3 結果和分析建議

反應釜在啟動過程中帶動反應釜內溶液由靜止狀態到穩定流動狀態。期間，溶液中顆粒的分布由下至上逐漸減少，反應釜內的流場呈上下循環的狀態，底部槳葉的流量明顯大于上部槳葉。生成物FePO4和NH4HSO4的體積逐漸增加，當反應進行到4 500 s時，反應物質和生成物含量趨于平穩，與實際工況符合度較高，對現場生產具有較強的指導價值。