基于CFD模擬的反應釜攪拌結構優化

羅煜樸，付紅紅

（上海應用技術大學 機械工程學院,上海 201418）

攪拌反應釜是化工生產中常用的裝置，其設計擁有較完整的國家及行業標準。但針對特定工藝需求，仍需進行結構優化，以提高生產效率，保證生產質量。裝置的攪拌與混合常借助容器中的旋轉部件實現。優化旋轉部件設計，為改善容器的傳質速率和混合均勻性提供了可能。CFD(computational fluid dynamics)模擬分析常用來指導攪拌結構的優化[1-2]。紀俊紅等[3]運用CFD方法對2種攪拌槳葉形的槽內流場均勻性、攪拌成本等進行對比,探討不同葉形對流場的影響。馬澤文等[4]對結晶攪拌反應釜中單雙層槳葉攪拌效果進行研究。結果表明，雙層槳葉有效解決釜內上下流場的速度不均，攪拌效果優于單層攪拌槳。Hoseini.S等[5]對攪拌釜的葉輪形狀進行優化。采用CFD對3種葉輪的流動模式、湍流參數和功耗進行了數值研究。得出U型和V型葉輪功耗更低、釜內攪拌效果更優的結論。槳葉安裝尺寸等同樣影響釜內攪拌效果。徐勝利等[6]基于CFD對攪拌器安裝尺寸的研究表明：攪拌器安裝高度過高，下部流場循環不利，湍流程度變低，混合效果差；攪拌器安裝高度過低，流體速度增加，但渦流消失，同樣不利于混合。周勇軍等[7]采用了PIV（particle image velocimetry）對槳葉安裝尺寸進行研究，指出，槳葉離底間距過大會導致下層流體流動情況變差，不利于底部物料混合；槳葉間距過大則不利于兩槳葉間流體混合。

除了攪拌器的旋轉部件，釜內擋板[8-10]對攪拌性能也有重要影響。根據安裝位置不同，釜內擋板分為2類：①垂直安裝于釜壁的壁擋板；②如底擋板、表面擋板等安裝在其他位置的特殊擋板。合理設置擋板，可將流體的切向流改為徑向和軸向流，產生渦流，增加流體的剪切強度，改善攪拌效果。周三平等[11]設計了一種新型擋板，他們將壁擋板分成兩塊，將其逆著流體旋轉方向傾斜。模擬結果顯示：新型擋板可提升釜內混合效果，攪拌功率也降低。王星星等[12]進行橢圓底封頭十字擋板釜內流場研究。研究指出：底擋板更適合于搭配徑向流攪拌槳，利于上升流形成，防止物料堆積。

硬脂酸鈣反應釜內介質為熔融硬脂酸及氫氧化鈣顆粒，對混合效果要求較高。目前針對硬脂酸鈣生產工藝進行的反應釜攪拌結構優化較少，因此，針對特定生產工藝條件，進行攪拌結構模擬優化，具有較高實用意義與迫切性。本文基于CFD對反應釜進行流場分析，分別針對擋板、槳葉及其安裝尺寸設置不同的對照模擬，通過分析釜內流動情況，對擋板、槳葉以及安裝尺寸進行設計優化。

1 反應釜內流場的數值模擬

1.1 幾何模型

硬脂酸鈣反應釜的初步設計參考國家標準GB 150-2011《壓力容器》、化工行業推薦標準HG/T 20569-2013《機械攪拌設備》和HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數》[13-15]。反應釜初步結構如圖1所示。筒體直徑為1 100 mm，下封頭采用標準橢圓封頭。釜內采用雙層攪拌槳，槳徑均為600 mm，下層槳葉為三葉后彎攪拌器，上層槳葉為圓盤渦輪攪拌器。本文采用六弧葉圓盤渦輪、V型六直葉圓盤渦輪、V型六弧葉圓盤渦輪3種槳葉結構進行模擬比較。裝料液位高度參考實際裝料容積，最大取為筒體高度1 000 mm處。

圖1 硬脂酸鈣反應釜示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram for the calcium stearate reactor（mm）

六弧葉圓盤渦輪結構如圖2所示。V型六直葉圓盤渦輪是對葉片進行V型改造，以降低功耗，V型缺口底部寬度為35 mm，深度為27.5 mm，各倒角半徑均為2 mm。其結構如圖3所示。V型六弧葉圓盤渦輪的主體結構與六弧葉圓盤渦輪相同，只在葉片上進行與V六直葉相同的V型缺口改造。下槳葉采用三葉后彎槳葉，結構如圖4所示。

圖2 六弧葉圓盤渦輪結構示意圖（mm）Fig.2 Schematic diagram for the structure of six-arc lobe disc turbine（mm）

圖3 V型六直葉圓盤渦輪結構示意圖（mm）Fig.3 Schematic diagram for the structure of V-shaped six straight blade disc turbine（mm）

圖4 三葉后彎攪拌器結構示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram for the structure of the three-blade back-bending mixer（mm）

對硬脂酸鈣的工藝生產，釜內加設底擋板，可增加上升流，防止物料沉積。文章設置兩種壁擋板+底擋板構成的組合擋板進行模擬優選，其中壁擋板分別選取傳統擋板與改進型擋板，而底擋板均采用十字形擋板。壁擋板上端與裝料液面平齊，下端與內筒體下封頭切線平齊。壁擋板與釜壁間隙2 mm，擋板寬度100 mm，高度1 000 mm，擋板厚度10 mm。底擋板長度350 mm，高度100 mm，擋板兩端距容器中心及內壁面均100 mm，輪廓與下封頭重合。壁擋板與底擋板在釜內呈十字形均布。改進型壁擋板是將傳統壁擋板從中間分開，逆流體方向傾斜15°。2種擋板的結構見圖5。為優化槳葉安裝尺寸，設置3組對照模擬。通過對槳葉間距及離底間距進行調整，選出較優的安裝尺寸。槳葉間距/離底間距3組對照組分別為：385mm、320 mm；385 mm、420 mm；485 mm、320 mm。

圖5 壁擋板結構示意圖（mm）Fig.5 Structure schematic diagram for wall baffles（mm）

1.2 網格劃分與模擬參數設定

使用Workbench19.2創建流場分析項目，導入三維模型。采用自動方法對幾何模型進行網格劃分。分析區域為整個釜體內部流體域，包括4個部分：釜體區域、上槳葉區域、下槳葉區域及攪拌軸區域。網格整體分為動網格及靜網格2個區域。考慮到局部的復雜結構，針對釜體的區域擋板部分以及上下槳葉的槳葉結構進行了局部網格細化。網格平均質量控制在0.83以上，網格數控制在500萬～600萬，網格劃分如圖6所示。

圖6 靜區域網格與動區域網格Fig.6 Static and dynamic area grids

湍流模型采用剪切應力輸運（shear stress transport，SST）模型，SST模型與標準k-ω模型相似，相較于標準k-ω模型，改進后在廣泛的流體域中有更高的精度與可信度。采用多重坐標系方法進行模擬，計算中網格不發生運動，只是參考坐標系發生轉換，對整個旋轉過程進行時均處理，整個過程近似達到穩態。

模擬中，分別設置定子域與轉子域。轉子域轉速設定50 r/min。設置上液面為對稱面，釜壁、封頭、槳葉及擋板為無滑移壁面。將2轉子域及軸與流體域的交界面設置為Frozen Rotor類型。選擇與熔融的硬脂酸物性參數相近的Glycerol（C3H8O3）作為流體域介質。設置求解精度為10-4，步長10，動量離散格式為高解析度，湍流動能和湍流動能耗散率的離散格式為一階。進入CFX-Sovler進行迭代計算，曲線收斂良好。

2 模擬結果與分析

2.1 擋板對流動特性的影響

設置“傳統壁擋板+十字形底擋板”和“改進壁擋板+十字形底擋板”2組對照，提取中截面速度矢量圖、速度云圖及釜內流線圖進行分析。觀察2組速度矢量圖如圖7所示。

圖7 不同壁擋板反應釜中截面速度矢量圖Fig.7 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different wall baffles

采用傳統壁擋板時，兩槳葉上、下兩側產生穩定的渦流，兩槳葉間流體域靠近攪拌軸側有明顯且連續的上升流。上槳葉與壁擋板干涉良好，在流體域交界處速度最大。采用改進壁擋板時，在擋板分界處得到流速更高的渦流，與上槳葉形成良好的干涉，改善了局部的流體流動，但兩槳葉間無連續的上升流，整體上升流不明顯。

不同壁擋板反應釜中截面速度分布云圖如圖8所示。由圖8可見，采用傳統壁擋板時，釜內整體速度分布較為均勻，兩槳葉附近流體流速較高，隨著距離增加，流速并未明顯變小，在流體域末端無明顯流動死角。而采用改進壁擋板改善了槳葉上下兩側的渦流流速，使其流速更快，增強了局部攪拌效果，但在流體域的邊界部分流速過低，一定程度上造成了區域流動死角。

圖8 不同壁擋板反應釜中截面速度云圖Fig. 8 Cross-sectional velocity cloud in the reactorwith different wall baffles

不同壁擋板反應釜速度流線圖如圖9所示。采用傳統壁擋板的流場整體分為2部分，下半部流體流動整體性較高，上升流趨勢明顯。上半部分和上槳葉產生良好交互，流動情況較好。新型壁擋板的流場大致分為上中下3個部分，每個部分中分別存在良好的循環流動，但各部分流動相對獨立，無明顯的跨域上升流，整體性較差。基于工藝過程中攪拌介質中存在氫氧化鈣固體，上升流不明顯會導致物料沉積，降低反應效率，對生產造成不利影響。改進壁擋板雖然局部流動情況優于傳統壁擋板，但各流體域相對獨立，整體傳質效果差；傳統壁擋板攪拌釜下半部流動情況更為整體，上升流明顯，有利于提高攪拌效率。

圖9 不同壁擋板反應釜速度流線圖Fig. 9 Velocity streamline in the reactor with different wall baffles

2.2 上槳葉結構對流動特性的影響

反應釜采用雙槳葉結構，下槳葉為三葉后彎攪拌器，上槳葉分別選取六弧葉圓盤渦輪、V型六直葉圓盤渦輪、V型六弧葉圓盤渦輪。上下兩槳間距為385 mm，離底間距為320 mm。

不同上槳葉反應釜中截面速度矢量圖如圖10所示。由圖10可知，三組模擬最大速度均在流體域交界處，槳葉兩側均產生穩定的渦流。但V型六弧葉圓盤渦輪在遠離槳葉的區域流速明顯較另外兩組低,流動特性較差。而通過圖10（a）和（b）的局部放大圖又看出，六弧葉圓盤渦輪相比V型六直葉圓盤渦輪，靠近軸側的上升流表現的更為密集連續。

圖10 不同上槳葉反應釜中截面速度矢量圖Fig. 10 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different upper blades

不同上槳葉反應釜中截面速度云圖如圖11所示。六弧葉圓盤渦輪時，釜內整體速度分布較均勻，兩槳葉附近流速較高，符合圓盤渦輪攪拌器的流動模式，隨著距離增加，流速并未明顯變小，在流體域末端并未出現明顯流動死角。而V型六直葉圓盤渦輪，在上槳葉上端靠近攪拌軸側流體域流體流速明顯較慢。特別是V型六弧葉圓盤渦輪時，在遠離兩槳葉的釜上部及底部流體流速逐漸降低，在最頂部及最底部形成較大流動死區，流場效果不佳。

圖11 不同上槳葉反應釜中截面速度云圖Fig.11 Cross-sectional velocity cloud in the reactor with different upper blades

由圖12可見，六弧葉圓盤渦輪，下半部流體流動整體性較高，上升流趨勢明顯。上半部分也和上槳葉產生良好交互，流動情況較好。V型六直葉圓盤渦輪，釜內流體域大致分為上中下3個部分，中下部分流體域未見明顯的連續上升流，中上流體域相對獨立，且可以觀察到在流體域邊界流動情況略差。而V型六弧葉圓盤渦輪，釜內流場主要分為上槳葉以上及以下兩個流體域，流體流動的區域整體性一般，特別在遠離槳葉部分的流體域流速過低，無法形成良好的循環流動。考慮到反應中無上升流或上升流不強則會導致固相堆積，影響反應效率及質量，六弧葉圓盤渦輪攪拌效果更優。

圖12 不同上槳葉反應釜速度流線圖Fig.12 Velocity streamline in the reactor with different upper blades

2.3 安裝尺寸對流動特性的影響

安裝尺寸模擬優化時，釜內加載了傳統壁擋板+十字形擋板的擋板組合及三葉后彎-六弧葉圓盤渦輪組合槳。模擬中改變槳葉間距和離底間距（記作：槳葉間距/離底間距，mm）。兩槳葉間距尺寸分別取385 mm和485 mm，離底間距尺寸分別取320 mm和420 mm。安裝尺寸對照組的模擬結果見圖13～15。

圖13 不同安裝尺寸下反應釜中截面速度矢量圖（槳間距/離底間距）Fig.13 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different installation dimensions

圖14 不同安裝尺寸下反應釜中截面速度云圖（槳間距/離底間距）Fig.14 Cross-sectional velocity cloud in the reactor with different installation dimensions

圖15 不同安裝尺寸下反應釜速度流線圖（槳間距/離底間距）Fig.15 Velocity streamline in the reactorwith different installation dimensions

由圖13～15可見，槳葉間距/離底間距安裝尺寸采用385 mm/320 mm時，兩槳葉上、下兩側產生穩定的渦流，靠近攪拌軸側上升流明顯。釜內整體速度分布均勻，兩槳葉附近流體流速高，流體域末端無明顯流動死角。當槳葉間距保持不變，而離底間距安裝尺寸增大為420 mm時，反應釜底部流體流速降低，上升流不夠強，易導致物料沉積。當槳葉間距增大到485 mm，而離底間距保持320 mm時，總體流型與385 mm/320 mm類似，但兩槳葉間距增大，兩槳葉的互相干涉變弱，槳葉間的上升流減弱，整個流體域很明顯的分為上中下3個區，各區相互獨立，影響傳質效果。當槳葉間距為385 mm，離底間距為320 mm時，即兩槳葉間距與攪拌釜內徑的比為0.35，下槳葉離底間距與攪拌釜內徑的比為0.29時，釜內流動效果較好。

3 結語

本文采用CFD對硬脂酸鈣反應釜擋板、槳葉類型及安裝尺寸進行了模擬，通過對釜內流場的分析比較，得到以下結論：

(1)壁擋板與底擋板構成的組合擋板可改善釜內的流動特性。傳統壁擋板比改進壁擋板表現出更強的釜內連續上升流，可避免物料沉積，更利于充分反應。

(2)六弧葉圓盤渦輪-三葉后彎組合槳時，上槳葉與擋板互動最佳，釜內整體流動最均勻，上升流也最明顯。

(3)離底間距過大會導致底部上升流弱化，物料沉積；槳葉間距過大會導致兩槳葉互動較差，無明顯的貫通上升流，影響釜內反應效率。本文優化的安裝尺寸為，槳葉間距385 mm，離底間距320 mm。

以上結果為反應釜的設計與選型提供了數值依據，并為反應釜結構優化提供了參考。