反應釜攪拌軸的結構改進研究

宋自武

（中國平煤神馬集團尼龍科技有限公司 河南 平頂山 467000）

1 引言

混合效果質量差，會發生壓力、溫度局部短時間發生變化等。通常混合時，把密度非常低的固液混合到固相介質并不容易，經常出現異常現象，其中物料團結就是其中一方面問題，嚴重影響了生產線的正常運行。所以，要求低密度顆粒攪拌時間達到一定要求。有效設計反應釜攪拌軸的結構具有突出的意義，且能獲得非常不錯的懸浮效果，大幅降低了維修成本。考慮到上述情況，在相關軟件利用下，分析并營造逼真的內部流場，可明確攪拌設備是否合理[1]。現階段許多學者在模擬及分析攪拌設備的內部流場當中取得了一定的研究進展，投入使用后效果良好。而因為顆粒密度比液相中上浮顆粒下的攪拌內容的分析較少，在CFD數值模擬使用下，分析及討論固液攪拌效果欠佳的反應釜具體問題，提出了反應釜攪拌軸的結構優化及升級的設計措施，現具體內容分析如下。

2 反應釜攪拌軸的計算模型與方法

2.1 物理模型與數值計算模型

（1）物理模型。以設備結構為前提，將之前4層PBT槳應用到反應釜及其攪拌器內。既有作業參數如下述：操作容積為8方，同時以r=24m作為操作內徑；每分鐘轉速9893r；固相粒徑處在20～50μm，以珍珠巖顆粒居多，堆積密度176g/m3；首次填料結束后，中間的固相為2%的體積。于運轉時，以上設備液面內發生下述幾種狀況，如非常多的固體粉末、缺少長時間的均勻攪拌等，因為以上情況的存在，便會發生結塊。先經過一定作業時間，將會產生較為嚴重的垢塊形成在容器內壁及擋板上，使內部流場形態處于一種嚴重損壞當中，混合效果不佳，繼而使設備運行出現非安全問題。分析結束后，問題多是釜內軸向循環效果不夠好、液面循環死角多等。基于此，在加大攪拌器功率的前提下，優化及完善攪拌器，維持流場中軸向循環的進行，營造良好的液面軸向流動。擋板經過優化之后，不會產生較嚴重的物料集中死角。在三層雙折葉槳改進后，接著分析具體相流場，繼而經過優化獲得的流場效果。在CFD利用下，對流場數據實施模擬，為獲得比較不錯的優化成效，且實施更深層次的優化設計。

（2）數值計算模型。考慮到具體狀況，從整體上搭建反應釜的三維模型，進而確保網格搭建中流場離散化處置較高的精確度。針對包括近壁區域、槳葉表面等在內的特殊的流動邊界區域，一般使用的處理方式為網格加密處理。并且于處置過程中還從整體上實施了具體的網格無關性驗證，尤以過程當中的檢驗指標也認為是攪拌槳扭矩。接受所需驗證之后，不難發現，當網絡在90×104以上時，攪拌器中的扭矩均不超出5%。為高效算出結果，結合具體能承受的計算時間范圍，總網格數目接近128×104網格[2]。

（3）計算方法與邊界條件在數值模型中的設置

CFD數值模擬技術的使用，離散方程處理中運用有效體積法。尤以壓力-速度耦合是在SIMPLE算法使用而來。為讓內部流場呈現出來，使用兩類不一樣的區域劃分，外部及內部分別是靜止的擋板、旋轉的槳葉。選取旋轉、靜止的參考系。選取湍流模型時，那么需使用標準的k-模型；營造真實的固液混合流程，模擬中則使用mixture兩相流；測算時，為確保收斂性有效，選取的步長0.05s，該步長存在于非定常的數值設置當中。

于離散方程中使用有限體積法，壓力-速度耦合在SIMPLE算法利用下而獲得，以二階迎風作為差分格式，通過多重參考系法（MRF）的使用來測算流動場。在標準k-e湍流模式利用下，營造湍流的真實情景，將mixture兩相流模型用于固液混合的處置。為讓計算中具有收斂性，模擬固液兩相流，以0.05s作為非定常數值的時間步。在測算反應釜內流場時，以CFD分析軟件Fluent的使用為前提，營造逼真的單相流動的定常數值，通過軟件Gambit測算流域網格劃分，通過軟件Tecplot進行流場的后處理。

2.2 反應釜攪拌軸的數值模型計算方法與邊界條件的設立

在CFD數值模擬技術利用之下，將有效體積法用于離散方程處置當中。尤以基于SIMPLE算法而產生的壓力-速度耦合。通常使用重參考系法（MRF）這類較為有效的二階迎風格式的差分格模式。為將內部流場更好地表達出來，使用了兩類不同區域劃分，內部與外部分別是旋轉槳葉、靜止擋板。以靜止及旋轉的參考系作為選取的比照。通過標準的k-模型的使用來對湍流模型進行選擇；在利用Fluent軟件內的mixture兩相流下，對固液混合程序做出模擬；測算時，為讓收斂更有成效，選取的步長為0.05s。

在離散方程中，使用有限體積法，將SIMPLE算法應用到壓力-速度耦合中，以二階迎風進行差分格式，通過多重參考系法（MRF）對流動場實施測算，劃分計算域靜止擋板處于外部區域，槳葉附近區域的測算需以旋轉參考系為準。湍流的模擬使用了標準k-e湍流模式，通過mixture兩相流模型的使用對固液混合流程做出處置。為讓測算體現收斂性，以0.05s作為時間步長。在CFD分析軟件Fluent利用前提下，模擬單相流動的定常數值，在軟件Gambi運用下，分類計算流域網格，在軟件Tecplot使用下，進行流場的后處理。

3 反應釜攪拌軸的數值模擬結果與分析

3.1 原結構單相流場與結構單相流場的改進

在分析及模擬反應釜原結構流體動力學情況中，未經過優化的攪拌結構內，分析縱向剖面速度矢量分布圖，并以此為準，滿足流動規律的軸向循環未產生于反應釜內，軸向流動趨勢沒有于液面四周有顯著趨勢。從整體上分析非常低攪拌流動速度，不可否認出現了一定的低速區。結束模擬測算之后，在高效的機械作用下，通常攪拌功率，非常接近原結構的實測數據。由此可見，攪拌功率并不高。結構單相流場的改進。以該結構當中流場為根據，模擬并測算流體動力學情況。分析并模擬速度流場分布，在內部結構優化上，運用葉式攪拌槳。通過流場分析，可將液面四周漩渦處于一種非常不錯的狀態，讓罐中流體軸向運動更加明顯，讓充分的軸向循環得以實現。攪拌流場液面經過改進后，進行測算，保持速度在單位每秒內1.0m至1.3m[3]。和之前的結構比起來，獲得了很大程度上的提高。維持90%機械效率，顯著提升攪拌功率，比之前的效果要高出好多倍，讓中等劇烈攪拌成為可能，較好地混合了有關液體及固體粉末。

3.2 數值模擬的固液混合時間預測

模擬把固體顆粒添加到反應釜改進結構內，接著模擬分析氣固兩相流，逐步檢驗經過優化的效果；為獲得固相濃度分布測算混合模擬，；且實施預測初始狀態設置，在確保液面上均勻浮動固體粉末前提下。因為反應釜中8方清水的存在，需要珍珠巖顆粒漂浮于液面上，且體積分數達到2%。從模擬實際狀況來看，決定單位分鐘內轉速93r，同時不將啟動考慮其中，討論及研究從0秒開始至355s中釜內軸截面固相分布。且監測改進模型的具位置。從結果情況看，攪拌時間延長下，攪下了順著軸心四周的固體顆粒。在上述條件前提下，向四周擴散開來在不超過20s的攪拌時間中，測出監測所得的固相體積分率，和最終的結果比較，差距在20%左右，讓物料中等混合成為可能；接著在半分鐘的時間中，可讓物料達到大體上的均勻混合效果。

4 結語

對反應釜CFD流場實施測算，形成良好的結構，高效進行攪拌，逐步提高了軸向循環效果，較好地解決了存在的液面物料漂浮問題。反應釜攪拌軸先經過改造，同時投入應用當中，穩定運轉，軸頭備件數量較多，盡量維持了反應釜運行的平穩[4]。在優化設備時，在符合生產工藝條件下，高效進行生成，減少了成本的消耗，避免之前結構中存在的缺陷問題，值得推廣使用。