濃縮接受釜內固液懸浮過程CFD模擬

摘 要： 濃縮接受釜作為一種常用的化工設備，其內部固液懸浮均勻性對下游生產穩定性至關重要。應用多重參考系法和混合多相流模型對濃縮接受釜進行計算流體力學（CFD）模擬，分析了現有攪拌條件下固液懸浮狀態，并探究了攪拌轉速對固液懸浮的影響，最后提出了槳葉優化設計方案。果表明：現有3層斜葉槳軸流推動能力弱，無法在釜內形成主體循環，導致固液懸浮均勻性差，且通過增加攪拌轉速無法滿足生產要求。優選的雙層軸流槳軸流推動能力強，可形成中心向下、邊壁向上的主體循環流動，有效提高了釜內固液懸浮均勻性，保證了下游生產運行的穩定。

關 鍵 詞：固液懸浮；混合；CFD；多相流；多層槳

中圖分類號：TQ027.2 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1465-05

固液懸浮屬于典型的非均相攪拌混合，其目的是借助攪拌器的作用，使固體顆粒懸浮于液相中，形成固液混合物或懸浮液^[1]，廣泛應用于石化、制藥、冶金等領域^[2]。在結晶過程中，良好的固液懸浮狀態是保證結晶產品質量的關鍵^[3]；在冶金工業中，維持固液懸浮是調漿浮選過程的重點，可提升浮選藥劑的利用率^[4]；在化學反應過程中，顆粒懸浮可增大相間接觸面積、強化傳質，以提升反應效率^[5]。濃縮接受釜作為常見的化工設備，在接收固液漿料的同時，需將釜內漿料均勻輸送至下游生產單元。釜內通過攪拌槳維持固液懸浮狀態，但攪拌槳設計往往依賴經驗，運行過程中易出現出料固含率不穩定，因此深入研究濃縮接受釜內固液懸浮過程對提高下游單元運行穩定具有重要意義。

隨著仿真技術的快速發展，計算流體力學模擬（CFD）已廣泛應用于固液懸浮過程的研究^[6]。湯俊杰等^[3]采用CFD模擬的方法對結晶器內攪拌流場進行了研究，優化了槳葉類型、槳葉層數以及安裝高度。茍炳中等^[4]采用CFD模擬了強力攪拌機內的固液混合過程，并進一步優選了攪拌轉速等操作參數。胡越等^[7]則基于流體力學模擬對比了釜底形狀對固液懸浮過程的影響。JIANG等^[8]采用CFD模擬的手段，研究了槳葉安裝高度對固液混合過程的影響，同時優選了槳葉直徑等參數。

以工業濃縮接受釜為模型，采用CFD對現有釜內固液懸浮狀態進行模擬，并探究操作參數對固液懸浮狀態的影響，最后基于模擬結果對現有攪拌型式進行優化設計。

1 計算模型和模擬方法

1.1 計算模型

1.1.1 濃縮接受釜模型

工業上運行的濃縮接受釜三維模型如圖1所示，釜體直徑為3.2 m，運行液位高度為3.6 m，上部為進料口，釜底為出料口，物料連續進出體積流量均為40 m³·h^-1。入口處漿料固含率為1.7%，顆粒平均粒徑為0.25 mm，顆粒密度為2200 kg·m^-3，液相密度為1300 kg·m^-3，黏度為1 mPa·s。

釜內攪拌器為3層槳式攪拌器，其中上2層斜葉上翻、最底層斜葉下翻。槳葉直徑1.2 m，槳葉寬為0.2 m，斜葉角度為45°，相鄰2層槳間距為0.8 m，底層槳離底高度為0.35 m。攪拌器順時針轉速，設計轉速為75 r·min^-1，攪拌電機裝機功率為11 kW。

1.1.2 攪拌區域設置及網格劃分

為模擬濃縮接受釜內攪拌槳葉轉動對固液懸浮的影響，需對接受釜進行區域劃分，攪拌槳葉附近區域為轉動區域，其余為靜止區域，如圖2（a）所示。在轉動區域和靜止區域設置交界面，交界面邊界類型為Interface，從而實現轉動區域和靜止區域計算結果的數值交換^[9]。采用非結構化網格對濃縮接受釜三維模型進行網格劃分，為了提高計算精度，對攪拌槳葉所在轉動區域進行網格加密^[10]，如圖2（b）所示，整體模型網格數約為170萬。

1.2 模擬方法

利用Fluent19.0模擬濃縮接受釜內固液懸浮。采用多層參考系法（MRF）定義轉動區域，采用Mixture模型對固液兩相進行計算，液固間曳力模型采用Wen-Yu模型，湍動模型選用考慮旋轉修正的RNG模型^[11]。求解過程采用PISO壓力-速度耦合方法，離散方法選用二階迎風格式，殘差設置為0.0001，起始計算步長為0.0001s，計算步長根據收斂情況動態調整。為了加快模擬進度，在初始化階段，將濃縮接受釜內固含率設置為1.7%。

2 模擬結果分析

2.1 固液懸浮過程分析

基于上述CFD模型以及求解參數設置，模擬濃縮接受釜在連續進出料過程中固液懸浮過程的變化，攪拌轉速為75 r·min^-1。模擬過程監測攪拌槳攪拌功率以及進出口固體質量流量，結果如圖3所示。

由圖3（a）可知，在模擬監測時間范圍內攪拌功率趨于穩定，最終攪拌功率在5.3 kW左右。根據前期調研，濃縮接受釜實際運行功率在5.6 kW左右，即采用CFD模擬得到的攪拌功率與實際運行功率相接近，由此證明CFD模擬結果的可靠性。由圖3（b）可知，隨著攪拌的進行出口固體量高于進口固體量，表明顆粒在釜底附近出現堆積，造成出口附近固含率升高，進而影響下游生產的穩定性。

為分析攪拌過程固液懸浮過程的變化，提取不同時間段顆粒濃度分布，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著攪拌的進行，濃縮接受釜內顆粒相向下沉積，釜底封頭區顆粒量不斷增多，最終形成圖4（c）所示的顆粒濃度分布。圖4（c）所示的固液懸浮均勻性較差，底部顆粒濃度高、頂部顆粒濃度低，攪拌槳葉周圍區域顆粒濃度小。

為進一步剖析固液懸浮效果差的原因，提取=117s時垂直剖面上速度分布及速度矢量分布，結果如圖5所示。由圖5（a）可知，槳葉轉動過程中，槳葉葉端附近形成高速區；由圖5（b）可知，槳葉對流體的推動范圍較小，僅在槳葉附近出現明顯的速度矢量，且上2層槳葉起到斜向上推動的作用，底層槳葉起到斜向下推動的作用。現有攪拌器在75r·min^-1條件下，無法在濃縮接受釜形成整體環流，進而無法將沉積至釜底的顆粒均勻分散。

2.2 攪拌轉速對固液懸浮的影響

為改善釜底顆粒堆積區域顆粒分散性，擬提高攪拌轉速。采用CFD模擬探究110、150 r·min^-1條件下的固液懸浮特性。圖6為不同轉速下濃縮接受釜垂直剖面上顆粒濃度分布。由圖6可知，隨著轉速的增加，釜底沉積的顆粒量變少，釜內顆粒分布均勻性有所增加。

提取不同轉速下垂直剖面速度及速度矢量分布，結果如圖7所示。由圖7（a）可知，隨著攪拌轉速的增加釜內流場速度整體增加，槳葉周圍高速區面積增加明顯。由圖7（b）可知，攪拌轉速增加后槳葉附近的速度矢量更密度且數值增大，槳葉推動范圍更廣，由此改善了釜底顆粒濃度分布^[12]。

統計不同轉速下接受釜出口固體質量流量以及相應攪拌功率，結果如圖8所示。由圖8可知，隨著攪拌轉速的增加，出口固體質量流量逐漸減小，同時攪拌功率大幅增加。當轉速為110 r·min^-1時，出口質量流量為0.36 kg·s^-1，攪拌功率為17 kW，此時出口固體質量流量與進口固體質量流量相接近，但攪拌功率已經超過裝機功率，且此時釜底仍有較高的固體沉積。當轉速達到150 r·min^-1時，出口質量流量為0.16 kg·s^-1，攪拌功率為48 kW。在轉速為150 r·min^-1條件下，釜底沉積的固體量減少，但此時出口固體質量嚴重偏低，且此時攪拌功率遠遠超過電機功率。由上述分析可知，現有攪拌條件下，無法通過提高轉速改善濃縮接受釜運行穩定性。現有運行攪拌器為3層斜葉槳，斜槳葉以剪切力為主，軸流推動能力較弱；與此同時，上2層槳葉斜葉上翻、底層槳葉斜葉下翻，軸流推動方向不一致，使得現有攪拌器無法在釜內形成中心向下邊壁向上的大循環，進而導致固液懸浮效果較差。

2.3 槳葉類型對固液懸浮的影響

為改善濃縮接受釜內固液懸浮效果，提出圖9所示推進式攪拌器。該攪拌器采用雙層槳葉，每層均為下翻式三葉槳，層間高度1 m，槳徑1.2 m。槳葉離底距離0.75 m，槳葉根部寬0.24 m，安裝折角為45°；槳葉末端寬0.17 m，折角為20°。

采用CFD模擬圖9所示三維模型固液懸浮過程，攪拌轉速為75 r·min^-1，得到圖10所示模擬結果。由圖10可知，ttZ/incG478yctUpon6b88UIzhTtZqUfMLHT7sIvKXQ=槳葉類型更換為兩層推進式槳葉后，固液懸浮均勻性大幅改善，僅有少量顆粒在釜底出料口附近出現沉積。攪拌槳葉功耗為4 kW，出口處固體質量流量為0.42 kg·s^-1。由此可知，變更槳葉類型后一方面能夠降低攪拌功耗，另一方面可以保持均勻的固液懸浮狀態，提升后續反應單元運行穩定性。

進一步提取穩定后垂直剖面速度及速度矢量分布，得到圖11。圖11（a）所示的速度分布表明，在兩層軸流槳的作用下，釜內速度場分布基本均勻，僅在槳葉末端出現少量高速區；圖11（b）為速度矢量分布圖，此時全釜內均有速度矢量出現，并基本形成中心向下邊壁向上的大循環，從而避免顆粒在釜底大量沉積，提升了固液懸浮的均勻性^[13-14]。

3 結 論

采用CFD模擬研究了現有濃縮接受釜內固液懸浮過程，并通過攪拌功率模擬值和實際值的對比驗證了模擬結果的可靠性，同時考察了攪拌轉速對固液懸浮過程的影響，最后結合模擬結果提出了優化的槳型設計方案。

1）現有3層斜葉槳軸流推動力較弱，且上2層推動方向與底層推動方向相反，無法在釜內形成整體環流，從而造成釜底顆粒沉底嚴重，導致進出口固體質量流量偏差較大，影響下游生產運行穩定。

2）針對現有3層斜葉槳，增大攪拌轉速可改善固液懸浮效果，但攪拌功耗遠超現有裝機功率，且出口處固體質量流量小于進口，同樣會引起下游生產單元運行不穩定。

3）基于前期模擬分析，將槳葉類型優化為雙層軸流槳，在降低攪拌功耗的同時，有效提升了槳葉軸流推動能力，在釜內基本形成了中心向下邊壁向上的大循環，大幅提升了固液懸浮均勻性，實現了進出料固體質量流量的平衡。

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CFDSimulation ofSolid-LiquidSuspension in

ConcentrateReceivedStirredTank

LIANGXiaofeng，YANG Wenqiong， LIU Xiaobang， ZI Can， LI Jianchang

（Zhejiang Institute of Tianjin University（Shaoxing）， Shaoxing Zhejiang 312300， China）

Abstract：Solid-liquid suspension uniformity in concentrate received stirred tank is the key factor to determine the stability of downstream operation. In the present work， the solid-liquid suspension process and the effect of stirred speed were simulated by computational fluid dynamics using multiple reference frame method and mixture multiphase flow model. The simulated results showed that the axial flow capacity of current three-layer agitator was not enough， leading to solid deposition. Besides， the non-uniform suspension condition was not be solved by increasing the stirred speed. Furthermore， an optimized two-layer axial agitator with strong axial flow capacity was proposed， which could satisfy efficient bulk circulation in the tank and relatively uniform distribution of solids.

Key words：Solid-liquid suspension; Mixing; CFD; Multiphase flow; Multilayer agitator