底入式攪拌器流場的影響因素研究

李明輝 李海風

(中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司)

底入式攪拌器主要用于化學工業、制藥工業、化肥及材料工業等相關領域中，尤其在生物大分子藥物高效化、己內酰胺中和與結晶系統和潔凈大顆粒硫銨連續結晶系統中應用廣泛。傳統的徑向流攪拌器普遍存在全罐混合差，槳區局部剪切作用強烈及功率因數偏高等缺點，而新型高效軸流式攪拌器與之相比則傳質效率高、攪拌功率低、混合效果良好。筆者主要通過對高效軸流式攪拌器流場影響因素的研究，為底入式攪拌設備的優化設計提供理論基礎。

1 設計參數及結構設計

根據某石化廠硫銨結晶裝置使用工況，制定硫胺結晶攪拌器的設計技術參數如下[1]：

介質 硫銨母液(硫銨、有機物、水)

使用壓力 常壓

釜內溫度 常溫

安裝方式 底入式

槳葉形式 高效軸向流翼型

攪拌轉速 100～150r/min

槳葉回轉直徑 2 084mm

攪拌軸直徑 120～125mm

導流筒內徑 2 200 mm

密封形式 雙端面機械密封+ 填料密封(API682 Plan 54+32)

硫銨結晶底入式攪拌器總體結構設計如圖1所示。

圖1 攪拌器總體結構圖

2 攪拌器流場的數值模擬

以高效軸向流翼型攪拌槳為模擬對象，采用CFD方法來模擬和預測不同攪拌轉速及攪拌槳半徑對攪拌流場的影響，分析在高效軸向流翼型攪拌槳作用下的流場分布。

攪拌器的主要流動特征是湍流,采用多重參考系法(MRF)，流體為不可壓縮的牛頓流體，研究體系為定常體系，其中描述湍流基本方程表達式為[2，3]：

式中φ——通用變量，可代表u、v、w等求解變量；

Γ——廣義擴散系數；

S——廣義源項，其具體代表式和湍流模型見文獻[2]。

采用FLUENT前處理軟件GAMBIT2.2對攪拌釜和攪拌槳分別劃分網格，由于攪拌槳區域是計算中的核心，對其進行加密，網格數約為299 500個；攪拌釜約832 300個網格。兩者均采用四面體非結構網格，圖2、3顯示了軸向截面上的網格。數值方法為SIMPLE算法[4]。計算域為1/3的完整模型，選取區域包括一個完整的攪拌槳葉。

圖2 攪拌釜的網格劃分圖3 槳葉區的網格劃分

3 模擬結果與分析

3.1攪拌器的剪切-循環特性

攪拌功率是混合設備設計的重要參數,常用功率準數NP和排出流量準數Nqd來表征攪拌器的剪切-循環特性。由于攪拌器對流體攪拌所作的功都消耗在對流體進行剪切和促使流體循環兩方面,故用NP/Nqd表征消耗于剪切和循環的能耗比值參數, 其值越大表示葉輪攪拌功率中消耗于剪切的比例越大[5，6]。功率準數NP和排出流量準數Nqd為：

式中d——葉輪直徑；

n——轉速；

NP——功率準數；

Nqd——排出流量準數；

P——功率；

Q——槳葉排出流量；

ρ——密度。

3.2攪拌轉速對流場的影響

轉速是攪拌槳設計時的一個重要參數。在其他條件不變的情況下，改變槳葉轉速進行CFD數值模擬，結果見表1。

表1 不同轉速下的模擬數據

圖4為攪拌流場的速度分布云圖，其流場的分布大致相同，攪拌轉速的變化對攪拌釜內流場的分布形式影響較小，導流筒內均勻的分布5個速度區，表明流場中的速度梯度相同，但反應釜內流場的絕對速度隨著轉速的增加而增加(正相關)。

圖4 不同轉速下攪拌流場的速度分布云圖

由轉速與流量、攪拌功率的關系圖(圖5)可知，隨著轉速的增加，流量和功率也隨之增加，近似呈線性規律分布。圖6為轉速與NP/Nqd比值的關系曲線，可以看出NP/Nqd值隨轉速增加而下降，說明當轉速增加時，攪拌器內循環性能更好，攪拌槳的軸流性能得到更大的發揮。但是，為控制攪拌器內結晶的二次成核速度，需要在保證結晶器內懸浮液混合良好的基礎上減小攪拌轉速。

圖5 不同轉速下流量和功率曲線

圖6 不同轉速下NP/Nqd值曲線

3.3攪拌槳半徑對流場的影響

分別對不同攪拌槳半徑條件下的攪拌流場進行CFD數值模擬，結果見表2。

表2 不同攪拌半徑下的模擬數據

從圖7可以看出，隨著攪拌半徑的增大，導流筒內的速度梯度從4個逐漸增加到6個，說明攪拌器內速度分布逐漸均勻，導流筒出口和進口處的速度逐漸增強，增加了出口的擴散性，提高了混合效果，此外由于攪拌器底部的速度增加，利于消除底部的攪拌死區。

圖7 不同攪拌半徑下攪拌流場的速度分布云圖

由不同半徑下流量和功率的曲線(圖8)可以看出，隨著攪拌半徑的增加，流量和功率曲線大體上是呈增加趨勢，說明了釜內循環流速有增加趨勢。但是從圖9可以看出，NP/Nqd曲線也在緩慢增加，說明隨著攪拌半徑的增加，剪切性能也在增加。

圖8 不同半徑下流量和功率曲線

圖9 不同半徑下Np/Nqd值曲線

攪拌器內流體形成以上運動規律的原因為：由于攪拌半徑的增加，攪拌槳端部與導流筒的間隙減小，容積損失減少，軸流性增強；隨攪拌半徑的增加，攪拌槳與流體的剪切作用面積增加，剪切性能有所增強，攪拌器內流體的循環性能降低。

4 結論

4.1攪拌轉速對攪拌釜內流場的分布形式影響較小，反應釜內流場的絕對速度與攪拌轉速成正相關；隨著轉速的增加，流量和功率也隨之增加，近似呈線性規律分布；攪拌器內循環性能更好，攪拌槳的轉動具有較好的軸流性能。

4.2隨著攪拌半徑的增大，攪拌器內速度分布逐漸均勻，導流筒出口和進口處的速度逐漸增強，增加了出口的擴散性，提高了混合效果，利于消除底部的攪拌死區；隨著攪拌半徑的增加，流量和功率曲線大體上是呈增加趨勢，葉輪攪拌功率中消耗于剪切的比例增大，提高了攪拌槳的剪切性能。

[1] 陳乙崇.化工設備設計全書: 攪拌設備設計[M].上海：上?？茖W技術出版社, 1985:63～96.

[2] 朱培模.高效節能攪拌器的數值模擬及性能預測[D].昆明：昆明理工大學, 2008.

[3] 張林進,葉旭初. 攪拌器內湍流場的CFD模擬研究[J].南京工業大學學報, 2005,27(2):59-63.

[4] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社, 2001:207～245.

[5] 王凱,虞軍.攪拌設備[M].北京：化學工業出版社, 2003:85～120.

[6] 周本浩.大雙葉片搪玻璃攪拌器的實驗研究與數值模擬[D].杭州：浙江大學, 2006.