Fluent在PC合成過程模擬研究中的應(yīng)用

廖蘭貴，蔣卓良，臧陽陵，王 燕，樊金元

（1.湖南海利工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，湖南長沙 410007；2.湖南化工研究院有限公司，湖南長沙 410007）

學(xué)術(shù)研究

Fluent在PC合成過程模擬研究中的應(yīng)用

廖蘭貴*1、2，蔣卓良1，臧陽陵2，王 燕2，樊金元1

（1.湖南海利工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，湖南長沙 410007；2.湖南化工研究院有限公司，湖南長沙 410007）

采用Fluent 6.3.26軟件對光氣法聚碳酸酯合成攪拌反應(yīng)釜內(nèi)的攪拌過程進(jìn)行模擬研究。考察了擋板的設(shè)置、攪拌槳形式、槳葉傾斜角度對釜內(nèi)流體流動(dòng)的影響，并建立了聚碳酸酯合成計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，采用45°圓盤渦輪攪拌槳有利于光氣法聚碳酸酯合成的傳質(zhì)與傳熱。

PC合成；數(shù)值模擬；聚碳酸酯；FLUENT

0 前 言

采用光氣界面聚合兩步法合成雙酚A型聚碳酸酯（PC），由于反正發(fā)生在油相／水相兩相接觸的界面，因此兩相傳質(zhì)、傳熱是決定工藝的重要因素。在這種形勢下，了解和掌握聚碳酸酯反應(yīng)器內(nèi)局部流動(dòng)和混合信息能夠指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和工業(yè)攪拌設(shè)備的選用，提高其效益。

由于實(shí)驗(yàn)不能使攪拌釜內(nèi)的流動(dòng)混合的具體過程可視化，而隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬的方法獲得攪拌釜內(nèi)的可視化流動(dòng)與混合信息已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)［1］［2］。利用CFD方法可以節(jié)省大量的研究經(jīng)費(fèi)，且可以獲得實(shí)驗(yàn)手段所不能得到的數(shù)據(jù)［3］［4］。本文擬采用大型流體模擬軟件—Fluent 6.3.26考察不同轉(zhuǎn)速、攪拌槳形式、槳葉角度等因素對PC合成過程中釜內(nèi)流體流動(dòng)的影響。最終建立攪拌反應(yīng)釜計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型，為中試生產(chǎn)及工業(yè)化應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 研究方法的確定

1.1 湍流模型的選擇

對湍流運(yùn)動(dòng)方程的求解方法中，κ-ε模型是目前應(yīng)用最廣泛的兩方程紊流模型。大量的應(yīng)用實(shí)踐表明，該模型可以計(jì)算較復(fù)雜的紊流，對大多數(shù)工業(yè)流動(dòng)問題能夠提供良好的特性和物理現(xiàn)象預(yù)測。因此確定采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型方程為：

1.2 槳葉區(qū)處理方法

在對攪拌器進(jìn)行模擬時(shí)，運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的檔板之間的相互作用采用多重參考系法方法的計(jì)算量要小的多，比滑移網(wǎng)格法的計(jì)算量小約一個(gè)數(shù)量級，因而更適合于計(jì)算量較大的多相流動(dòng)的計(jì)算，因此采用多重參考系法（MRF）［5］。

1.3 網(wǎng)格劃分方法

采用前處理器Gambit生成網(wǎng)格。由于模擬所選用的攪拌槳結(jié)構(gòu)不規(guī)則，攪拌釜內(nèi)網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方法，槳葉區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，槽內(nèi)其他區(qū)域應(yīng)用合理的分區(qū)方法采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。

1.4 數(shù)值求解步驟

數(shù)值求解步驟如下：（1）設(shè)定解算器；（2）設(shè)定離散方程差分格式；（3）設(shè)定數(shù)學(xué)模型；（4）設(shè)定物料屬性；（5）設(shè)定邊界條件；（6）設(shè)定初始條件；（7）設(shè)定收斂殘差；（8）設(shè)定時(shí)間步長；（9）迭代計(jì)算。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 擋板的設(shè)置對流體特性的影響

通過在六直葉開式渦輪攪拌反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)置擋板與否來考察擋板的設(shè)置對流體特性的影響，擋板按照全擋板條件進(jìn)行設(shè)置，全擋板條件公式為：其中：W為擋板寬度，Dj為攪拌器直徑，z1為擋板數(shù)量。

圖1 軸向流動(dòng)矢量圖Figure1：Vector Diagram of Axial Flow

由圖1可以看出，六直葉開式渦輪屬于徑向流攪拌器，旋轉(zhuǎn)槳葉在葉輪區(qū)產(chǎn)生高速徑向射流，徑向射流在流動(dòng)過程中央帶周圍流體，撞擊到槽壁后，徑向排出流分為兩部分，一部分沿槽壁向上流動(dòng)，一部分向下流向槽底，在雙槳作用下載攪拌槳上下形成八個(gè)循環(huán)區(qū)。流體到達(dá)液面或槽底后，流體流動(dòng)轉(zhuǎn)向徑向流回軸中心，分別向下或向上流回葉輪區(qū)。

從圖1也可以看出設(shè)置擋板后，軸向流動(dòng)更加復(fù)雜，并出現(xiàn)多個(gè)小漩渦，這有助于相間流體相互發(fā)生剪切，從而提高兩相流體的接觸面積；同時(shí)擋板的設(shè)置使攪拌軸心的漩渦消失，有效地防止打漩現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)從上圖可以看到，當(dāng)槽內(nèi)有擋板時(shí)，排出流遇到槽壁則向上下分開，使槽內(nèi)形成上下循環(huán)流的流型。

圖2 徑向流動(dòng)矢量圖Figure2：Vector Diagram of Radial Flow

從圖2可以看到，設(shè)置檔板后釜內(nèi)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)消失，取而代之的是總體上釜內(nèi)壁面的流體在檔板的引流下流向軸心，這樣有利于釜內(nèi)中心的熱量向壁面?zhèn)鬟f，從而保證了合適的反應(yīng)溫度，壁面局部高溫點(diǎn)的產(chǎn)生。從圖2也可以看出，徑向速度趨于紊亂，流體速度最大值并不出現(xiàn)在壁面，而是出現(xiàn)在槳葉的末端，說明近釜壁流體發(fā)生比較強(qiáng)烈的相互對流剪切，從而使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因此說明檔板的設(shè)置有利于提高流體間相互剪切作用，在多相體系中有利于增大相間面積，提高傳質(zhì)效果。

2.2 攪拌槳形式對流體流動(dòng)的影響

采用30°折葉攪拌槳為基礎(chǔ)考察開式或圓盤渦輪攪拌槳，設(shè)置動(dòng)區(qū)域攪拌速度為15 rad／s進(jìn)行模擬。

圖3 流動(dòng)速度分布云圖Figure3：Cloud Chart of Velocity Distribution

從圖3可以看出采用圓盤渦輪攪拌槳，近攪拌軸的的軸向速度明顯減小，這樣對于有氣相通入的光氣法進(jìn)行聚碳酸酯合成的多相反應(yīng)，可以有效增加光氣的停留時(shí)間，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

圖4 湍流強(qiáng)度云圖Figure4：Cloud Chart of Turbulence Intensity

從圖4可以看出采用圓盤渦輪攪拌槳，雖然近軸處軸向速度減小，但湍流強(qiáng)度變化較小，因此仍可保證相間的有效接觸及反應(yīng)。結(jié)合光氣界面法合成聚碳酸酯反應(yīng)體系的特征，確定采用帶檔板結(jié)構(gòu)的折葉圓盤渦輪攪拌反應(yīng)釜效果比較理想。

2.3 折葉角度對流體流動(dòng)的影響

以圓盤渦輪攪拌槳為基礎(chǔ)考察折葉角度對流體流動(dòng)的影響，設(shè)置動(dòng)區(qū)域攪拌速度為15 rad／s進(jìn)行模擬。

圖5 不同槳葉角度影響云圖Figure5：Cloud Chart of Influence of Blade Angle

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：①90°時(shí)，攪拌槳將中心流體向壁面排出，在壁面碰到阻礙后，流體向上下流出，因此壁面流體流速較快，但軸功率大，且在兩槳之間形成兩個(gè)方向相反的循環(huán)流，阻礙上下流體交換。②當(dāng)槳葉傾斜角度為60°時(shí)，釜內(nèi)液面流體流速趨于零，這可能是因?yàn)樵诖藯l件下，液面下的流體發(fā)生強(qiáng)烈的剪切作用，將大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，軸向速度快速降低，從而導(dǎo)致無足夠的動(dòng)能對上層液體進(jìn)行攪動(dòng)，從軸向速度分布圖中也佐證了以上觀點(diǎn)。③當(dāng)槳葉傾斜角度為30°時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)軸向流速明顯增大，在之前也討論過，光氣界面聚合法合成聚碳酸酯因?yàn)榇嬖跉庀嘣瞎鈿猓栽谶B續(xù)反應(yīng)過程中必須保持光氣一定的停留時(shí)間，而軸向速度過大會(huì)導(dǎo)致接觸不夠充分而導(dǎo)致原料光氣損失。④在折葉角度為45°時(shí)，獲得一定的軸向流速的基礎(chǔ)上，徑向流速也比較合適，有助于促進(jìn)熱量的交換。圖6為45°折葉攪拌槳不同位置的徑向速度，其中z＝200 mm為釜底部流體，z＝370 mm為下攪拌槳處流體，z＝700 mm為兩槳之間的流體，z＝1300為液面附近的流體。

圖6 45°徑向速度分布圖Figure6：Figure of Radial Velocity Distribution

2.4 油水兩相體系驗(yàn)證

采用MRF方法，應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)的方法對攪拌釜內(nèi)油水兩相液－液分布及流場進(jìn)行模擬。設(shè)定時(shí)間步長為0.005s，分別設(shè)定迭代步數(shù)為5 000、10000、15 000，考察在六葉45°折葉圓盤渦輪攪拌槳條件下，釜內(nèi)多相流的變化情況，收斂殘差為10－3。結(jié)果圖7所示。

圖7 油水兩相體系隨攪拌時(shí)間變化圖Figure7：Cloud Chart of The Changing Trend of Two Phase Systems with Mixing Time

從圖7可以看出，隨著攪拌進(jìn)行，油水兩相流體混合趨于均勻，特別是近攪拌軸的流體也實(shí)現(xiàn)了有效混合，說明采用六葉45°折葉圓盤渦輪攪拌槳適合聚碳酸酯合成體系。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

（1）擋板的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致釜內(nèi)流體總體流速趨緩，但會(huì)生成更多的漩渦，促進(jìn)流體間的傳質(zhì)；同時(shí)擋板促使壁面的流體向中心流動(dòng)，使反應(yīng)產(chǎn)生的熱量快速向壁面擴(kuò)散，同時(shí)也有效防止圓柱狀回旋區(qū)和打漩的產(chǎn)生。

（2）采用折葉攪拌槳湍動(dòng)能及湍流強(qiáng)度分布更加均勻，在多相反應(yīng)中，使更多的分散相發(fā)生反復(fù)分裂與凝并，從而增大兩相接觸面積，促進(jìn)相間傳質(zhì)。

（3）折葉角度為45°時(shí)，攪拌槳為流體軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)提供合適的動(dòng)能，因此可以確保兩相進(jìn)行充分的接觸和傳質(zhì)，且不會(huì)造成軸向流速過大而導(dǎo)致氣相的停留時(shí)間減少。

（4）采用Fluent模擬油水兩相體系在攪拌過程中兩相混合情況，試驗(yàn)證明采用六葉45°折葉圓盤渦輪能夠使兩相有效混合。

3.2 展望

從油水兩相體系驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，攪拌槳上下兩層均采用圓盤渦輪攪拌槳會(huì)導(dǎo)致軸向混合強(qiáng)度不夠，最終還出現(xiàn)釜底液單相聚集，因此下階段擬采用“上圓盤渦輪、下折葉開式”組合攪拌槳形式進(jìn)行考察。

［1］侯拴弟，鐘孝湘，王英琛，等.斜葉渦輪攪拌槽流動(dòng)場數(shù)值研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，26（4）：1－4.

［2］張少坤，尹俠.雙層槳攪拌槽內(nèi)流場的數(shù)值模擬［J］.包裝與機(jī)械，2011，27（7）：71－73.

［3］Luo J V，Issa R I，Gosman AD.Prediction of Impeller Induced Flows in Mixing Vessels Using Multiple Frames of Reference［J］.I ChemE Symp Ser，1994，136：549－556.

［4］張永震.拌釜式生物反應(yīng)器的計(jì)算流體力學(xué)模擬.［碩士學(xué)位論文］.天津：天津大學(xué)生物化工專業(yè)，2005.

［5］周國忠.攪拌槽內(nèi)流動(dòng)與混合過程實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬［D］.［博士學(xué)位論文］.北京：北京化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，2002.

Application Fluent Software to Simulation of PCSynthesis Process

Liao Lan-gui1,Jiang Zhuol-iang1,Zang Yang-ling2,Wang Yan2,Fan Jin-yuan1
（1.Hunan Haili Engineering Consultation Co.Ltd，Changsha 410007 China；2.Hunan Research Institute of Chemical Industry Co.Ltd，Changsha 410007 China）

Simulation study on the stirring process of the synthesis of polycarbonate by using Fluent 6.3.26.The influence of baffle，form of the agitator and inclination angle on the fluid flowing is studied，and computer model of the stirred tank is established.The simulation results show that，using 45°disc turbine impeller for polycarbonate synthesis by phosgene is propitious to mass and heat transmission.

PCSynthesis；Polycarbonate；FLUENT；Simulation

TG 335

B

1003-6490（2015）04-0045-04

2015－08－15

廖蘭貴（1982.2－），男，湖南邵陽人，工程師，碩士，研究方向：工程模擬與放大研究。