基于Fluent的旋流混合反應器模擬與優化*

馬亞兵 李賡 李薇 靖波 陳武 尹先清

(1. 長江大學化學與環境工程學院 2.海洋石油高效開發國家重點實驗室 3.中海油研究總院)

0 引 言

化學反應中物料的混合是化工過程最基本的單元操作之一[1-2]，旋流混合加藥技術可以強化污水和藥劑的混合。旋流混合反應器依靠流體自身的動能提供多股流體的無動力旋流混合，具有結構簡單、傳質高效、易于實現三維旋流、促進微觀混合和宏觀混合、縮短混合時間、流體力學性能良好的優點。

Fluent作為最常用的CFD軟件之一[3-5]，廣泛應用于化工機械、生物技術、航空航天、汽車制造、造船技術、水利水電、核工業、礦物加工和環境保護等領域[6-13]。譚理剛等[14]研究了Urea-SCR混合器的性能，根據CFD數值計算結果確定了尿素分解效率最高時混合器的位置為距離噴嘴1倍管徑處；氨氣混合均勻性最好時混合器的位置為距離噴嘴3倍管徑處。陳云華等[15]運用Fluent軟件對礦用靜態混合器內流場進行模擬，確定了在工藝條件下混合器的最佳長度為3 000 mm，流線圖顯示此時產生3個渦流，具有很強的混合效果。張晨等[16]為了消除或弱化反應器內的溝流、短路和死區等現象，應用Fluent軟件，以水為工作流體，KCl水溶液為示蹤劑，測定管線式高剪切混合器中溶液的電導率，并研究了開孔形式、腔室結構對物料在管線式高剪切混合器中停留時間分布的影響，研究結果表明：相比于菱形、S形、齒形開孔形式的定子，圓孔開孔定子具有最佳的混合性能；采用蝸殼形狀的腔室外殼設計，出口管與腔室相切時混合效果最好。王峰等[17]模擬了甘油沿流動方向不均勻系數的變化，由于其“分割-分隔、擾流、摩擦-混合”作用，使得隨動式動態混合器具有良好的混合效果，并根據甘油-水兩相在隨動式動態混合器中的混合試驗結果證實了Fluent模擬的可靠性。但目前對于污水旋流反應器的模擬研究報道較少。為了解決含油污水處理中藥劑的混合效率，本文基于流程強度理論，采用Fluent模擬軟件，按照中試裝置設計處理能力，對不同污水處理量、污水含油質量濃度、直徑、筒體高度設計方案下旋流混合反應器內流場進行了模擬，研究了不同條件下的藥劑混合效果，以期指導反應器的工程設計。

1 數學模型

根據流體在旋流反應器內的運動規律，設污水流體為穩態不可壓縮流體，建立以下基本方程對污水加藥旋流反應器進行數值模擬研究。

連續性方程：

(1)

動量方程通式：

(2)

通過對基本方程做時間平均計算，得到湍流時均質量守恒方程：

(3)

由于只有讓方程組封閉才能對其進行求解，所以模擬中采用k-ε模型，其湍動能k及耗散率ε的運輸方程分別為：

(4)

(5)

其中

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能，μt是湍流黏度，Gb是由于浮力影響引起的湍動能，YM是可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，C2、C1ε和C3ε是常數，σk和σε分別是湍動能機器耗散率的湍流普朗特數，C1ε=1.44，C3ε=0.09，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.3。

湍動黏度μt可表示為k與ε的函數：

(6)

其中

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2 旋流混合反應器建模及計算

2.1 模型構建及邊界條件

旋流混合反應器建模及網格劃分采用Gambit模塊，首先按照設計尺寸在Gambit中建立旋流混合反應器的三維幾何模型，如圖1所示，然后采用 TGrid 方法進行三維網格劃分(采用四面體網格)，如圖2所示，最后根據要求設置邊界條件：2個入口邊界，均為速度流體入口，可以認為速度均勻分布，分析對象是穩態不可壓縮流體；1個出口邊界，采用壓力形式邊界，邊界值設置為表壓0；其余為壁面，采用無滑移條件壁面。

圖1 旋流混合反應器三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of the vortex mixing reactor

圖2 旋流混合反應器三維網格劃分Fig.2 Three-dimensional meshing of the vortex mixing reactor

2.2 數值求解

將上述網格文件導入Fluent 12.1中，然后按順序選擇求解參數，具體如下：

(1)選擇求解定常態流動。

(2)模型選擇。在多相流中選擇VOF多相流模型，相數為2；在黏性模型中選擇兩參數可實現k-ε模型，默認模型參數；在組分模型中選擇組分運輸。

(3) 在邊界條件設置中，污水入口選擇兩相流，含油質量濃度根據要求設定(5 000 mg/L和12 000 mg/L)，油珠直徑為200 μm；藥劑入口選擇混合物進料，質量分數為5%；湍動能k及耗散率ε計算采用5%的湍流程度及相應的水力直徑。

(4) 收斂精度為10-3，選用非耦合隱式求解器，選擇迭代次數開始計算求解。

3 模擬與優化結果分析

按照以下處理條件對體系分別進行計算：①污水處理量12.0、9.6和4.8 m3/d；②含油質量濃度5 000和12 000 mg/L。

為方便觀察分析藥劑在污水中的擴散混合情況，在Fluent中建立了通過藥劑注入管中心軸的水平平面和豎直平面以及污水入口的水平平面，所建立的截面可以顯示流體的流動狀態以及藥劑的組分云圖等信息。

圖3為藥劑入口豎直平面質點流動軌跡圖。從圖3可以看出反應器中存在大量渦流，可以強化混合效果。圖4為藥劑水平平面質點流動軌跡圖。從圖4可以看出，藥劑與污水逆向混合后被污水夾帶向上流動。圖3和圖4模擬結果顯示在藥劑入口管附近存在濃度梯度，在其余空間濃度梯度很小，混合效果良好。圖中淺藍色區域為藥劑與污水的混合區域。

圖3 藥劑入口豎直平面質點流動軌跡Fig.3 Flow trajectory of particles in the vertical plane along the dosing inlet

圖4 藥劑入口水平平面質點流動軌跡Fig.4 Flow trajectory of particles in the horizontal plane along the dosing inlet

3.1 污水處理量對混合效果的影響

用Fluent模擬了含油質量濃度為5 000 mg/L，污水處理量分別為12.0、9.6和4.8 m3/d 時的3種工況，藥劑在水平平面的組分云圖如圖5所示。

圖5 藥劑水平平面組分云圖Fig.5 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖5可以看出，在出反應器前，3種工況下藥劑已混合均勻，藥劑在反應器中呈螺旋狀混合上升，隨著污水處理量的減小，紊流程度和混合效果均減弱。

3.2 含油質量濃度對混合效果的影響

在含油質量濃度分別為5 000和12 000 mg/L、污水處理量為9.6 m3/d工況下，藥劑在水平平面的組分云圖如圖6所示。

圖6 藥劑水平平面組分云圖Fig.6 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖6可知：出反應器之前，藥劑與污水已完全混合均勻；隨著含油質量濃度的增加，混合效果未出現明顯的增強或減弱，即污水含油質量濃度對藥劑混合效果無明顯影響，旋流混合反應器的應用范圍廣泛。

綜上，藥劑與污水在較小的空間已完全混合，因此可適當優化反應器直徑和筒體高度，使其空間利用率最大化。

3.3 反應器直徑優化

污水處理量為12.0 m3/d、反應器不同直徑(D=260、200、160 mm)時的模擬結果如圖7和圖8所示。

圖7 藥劑豎直平面組分云圖Fig.7 The vertical plane component distribution of the agent

圖8 藥劑水平平面組分云圖Fig.8 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖7和圖8可見：直徑為260 mm時反應器內部流體的旋轉速度較慢，紊流程度較小，污水沿錐體向下的流動較少，混合情況較差，需要較大的上部空間；直徑為200 mm時，污水進入反應器后一部分以較快速度沿錐體旋轉向下流動，到達底部后沿中心向上流動，與進入的藥劑形成逆流接觸，另一部分快速螺旋向上流動，強化了徑向的混合，在整個錐形區域形成了良好的混合，上部空間需求較少；直徑為160 mm時旋轉更快，同樣在底部較小的區域完成混合，但此時底部錐體角度過小，沒有在中心形成向上的流動，影響了反應器中心區域的利用。綜合來看，反應器直徑為200 mm時綜合混合效果最好。

3.4 反應器筒體高度優化

當旋流混合反應器直徑為200 mm、污水處理量為12.0 m3/d時，不同反應器筒體高度(H=400、200和300 mm)對藥劑混合效果的影響如圖9和圖10所示。

圖9 藥劑豎直平面組分云圖Fig.9 The vertical plane component distribution of the agent

圖10 藥劑水平平面組分云圖Fig.10 The horizontal plane component distribution of the agent

對不同筒體高度的反應器進行了模擬，研究筒體高度對混合效果的影響。從圖9和圖10可以看出：筒體高度為400 mm時，混合主要發生在錐形區域，筒體上部有很大的空間不存在濃度梯度，因此可以考慮降低筒體高度；當高度降低為200 mm時，混合仍然主要發生在錐形區域，但因中心向上的流動，整個筒體都存在濃度梯度，并未達到均勻混合；當筒體高度減小至300 mm時，在高度為200 mm的水平平面上已基本混合均勻，符合要求，因此300 mm是較優化的筒體高度。

4 結 論

(1)利用Fluent對旋流混合反應器內部流場進行模擬，分析結果表明，隨污水處理量的增加，流體的紊流程度和藥劑的混合效果均增強。

(2)含油質量濃度對旋流混合反應器的藥劑混合效果無明顯影響。

(3)在設計處理量12.0 m3/d條件下，旋流混合反應器直徑為200 mm、筒體高度為300 mm時藥劑達到最優綜合混合效果。