雙層槳釜底通氣式攪拌器性能分析*

王新升 王超明 郝惠娣 孫雨凡 張 沛 劉 鑫

(西北大學化工學院)

氣液混合攪拌反應器在生物化工領域有著廣泛的應用[1]，通過改進普通自吸式氣體分散器使之可安裝在釜底，同時實現釜底通氣，可提高攪拌槽內氣液整體的混合效果，對生物反應器的發展有重大的意義。

1 結構設計

1.1氣體分散器

在普通自吸式氣體分散器的基礎上進行改進[2]，所選普通自吸式分散器結構如圖1a所示，氣體分散口高40mm，寬30mm,氣體分散葉片與所在圓弧切線方向夾角為30°，共12片葉片，如圖1b所示。改進后的氣體分散器結構如圖2所示，將氣體入口沿環向分布且與擋板結合，擋板總寬度(包括通氣通道)為筒體的1/10，模擬中所選筒體均為直徑為300mm,高度為400mm,液面高度為350mm 的平底圓筒，所以擋板總寬度為30mm,其中通氣通道的半徑為10mm,總數為4個。

a. 結構模型

b. 氣體分散口

圖2 釜底通氣式氣體分散器結構

1.2槳葉的選取

上、下兩層槳均選用標準六葉圓盤渦輪槳(6PT)，槳葉最大直徑為100mm,每片槳葉的長度為25mm,寬度為20mm,圓盤直徑為75mm。分別對兩槳葉安裝距離為100、150、200、250mm的情況進行了仿真模擬。

2 數值模擬

為了分析該氣體分散器置于釜底時對通氣的節能性能，對置于釜底的氣體分散器進行了環境壓力進出口為條件的數值模擬。由于新型氣體分散器與普通氣體分散器的吸氣和分散裝置一樣，為了減少劃分網格和計算的工作量，選用普通氣體分散器為模擬對象。在對新型結構的數值模擬中，因為攪拌槽內的流場對氣體的分布和整體的攪拌混合效果有著重要的影響，因此對其進行了液相的單相流模擬，以分析雙層6PT組合槳在不同和安裝距離時的攪拌混合效果。

2.1算法

采用多重參考系法(MRF)對旋轉槳葉和靜止區域進行處理[3]，對包圍槳葉的部分填充冰凍體做為旋轉域，并采用旋轉坐標，其他區域為靜止域，參考坐標為靜態坐標。在單相流模擬中，湍流方程采用標準k-ε模型。多相流模擬中，采用歐拉-歐拉法處理[4],設氣液兩相分別為分散相和連續相，分別采用零方程模型和標準k-ε模型，并使用Sato增強渦體粘度模型[5]。

2.2模型的建立

采用先建立攪拌器模型后填充的方式建立模型，同時在槳葉旋轉區填充冰凍體,進行布爾操作后的模型如圖3所示。

圖3 布爾操作后的槳葉旋轉區模型

2.3網格的劃分

對旋轉域和靜止域分別進行網格的劃分，基本尺寸分別為12mm與15mm，其中旋轉域與動態域的交界面處的面網格基本尺寸為4mm。利用膨脹法對靜態域壁面及擋板處和旋轉域與靜態域的交界面處進行進一步細化，以防止在上述位置產生較大的速度梯度[6]。

2.4邊界條件

在單相流的模擬中，為防止液體的溢出，設立與空氣接觸面的邊界類型為自由滑移面，壁面和旋轉軸所在面均設為Wall類型，其中定義旋轉軸所在面同槳葉一樣的旋轉速度350r/min，旋轉域與靜態域的結交面設立為GGI模型。在氣液兩相流模擬中，將氣體分散器入口以外的敞開面設置為Opening,類型為去氣開口，氣體入口定義為壓力入口，相對參考壓強均為0Pa，參考壓強為標準大氣壓。

3 模擬分析

3.1氣液兩相流模擬結果分析

在環境壓力進出口及轉子轉速為350r/min的條件下，氣體體積分數分布云圖如圖4所示。由于槳葉的旋轉使得分散器中的液體被排出，從而形成負壓，使氣體被吸入氣體分散器入口通道。從氣體分散器入口至分散通道的距離h1為310mm，如果完全由外壓提供進氣壓力，所需壓力為ρgh1，在該裝置情況下，氣體被吸入的高度h2為170mm，在此基礎上只需提供ρg(h1-h2)的壓力即可實現使氣體進入到分散通道，可節省34%的靜壓能。由于該結構與新型分散器的分散裝置一樣，因此新型氣體分散器也有著同樣的性能。

圖4 分散氣氣體體積分布云圖

3.2新型結構單相流模擬結果分析

雙層6PT組合槳在安裝距離分為100、150、200、250mm的情況下的流場矢量圖如圖5所示。可以看出，當雙層槳安裝距離較近(100mm)時，在上層槳以上的區域形成的漩渦區較小不利于上層流體的充分混合。相反，當雙層槳安裝距離過大(200mm)時，在上層槳下部的漩渦區以下和下層槳形成的漩渦區以上的部分有一部分區域混合效果較差。當安裝距離為150mm和200mm時，攪拌槽內整體混合效果比較好，對比二者可以看出，在150mm距離安裝時，下層槳漩渦區形成兩個較小的漩渦，而200mm距離安裝時形成一個較大的漩渦，相比而言，后者會有效降低功率，相比前者要更節能[7]。

圖5 不同組合槳安裝距離下的流場速度矢量圖

如圖6是安裝距離分別為150、200mm且距離中心軸距離為100mm時的軸向速度分布曲線，可以看出，二者的速度變化梯度都比較大，而安裝距離為200mm時的平均速度要比安裝距離為150mm時大的多。

圖6 分散器軸向速度分布曲線

4 結論

4.1由自吸式氣體分散器改進而來的新型釜底通氣式氣體分散器，由于分散器的自吸作用可節省34%的通氣靜壓能。

4.2在新型雙層槳釜底通氣式攪拌器中，當雙層6PT組合槳安裝距離為200mm時，混合效果好且能量消耗低。

參考文獻

[1] 張慶文,劉永壘,曾宇,等. 自吸式反應器吸氣性能的研究與數值分析[J]. 化學反應工程與工藝,2012,28(2):111～116.

[2] 張永芳,郝惠娣,高勇. 雙層槳氣液攪拌反應槽氣液分散特性[J]. 化學反應工程與工藝,2009,25(2):121～125.

[3] 王嘉駿,李良超,顧雪萍,等. 攪拌反應器內氣液兩相流的CFD研究進展[J]. 化工設備與管道,2012,49(1):1～4.

[4] 凌桂龍,丁金濱,溫正. Ansys workbench 13.0 從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社，2012:389～390.

[5] 宋月蘭. 多層槳攪拌槽內氣-液兩相流的數值模擬[D].北京：北京化工大學,2006.

[6] 黃志新,劉成柱. Ansys workbench 14.0 超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013:96～98.

[7] 白飛龍，郝惠娣. 魚尾形槳葉用于龍卷流型攪拌反應器的性能研究[J]. 化工機械,2013,40(6):792～795，800.