新型攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵參數(shù)對性能的影響

裴夢琛 淡 勇

（西北大學(xué)化工學(xué)院）

攪拌器作為化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、生化及食品等行業(yè)［1］。 近年來，隨著攪拌器的不斷發(fā)展，合理利用資源、節(jié)能降耗及環(huán)境保護(hù)等一系列問題隨之而來［2］。 此外，由于攪拌器選型、攪拌器設(shè)計(jì)不合理等問題導(dǎo)致的生產(chǎn)效率低下等情況，也是目前我國相關(guān)行業(yè)急需解決的問題［3］。

槳式攪拌器作為常用的攪拌器類型，其工作原理是通過攪拌槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向流動，帶動介質(zhì)在容器內(nèi)做軸向循環(huán)。 但在實(shí)際工作過程中，攪拌軸附近常會產(chǎn)生圓柱回轉(zhuǎn)區(qū)或打旋現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其混合性能變差，此種情況的發(fā)生以攪拌固-液態(tài)物料時最為明顯。 為了改善這種現(xiàn)象，筆者設(shè)計(jì)了一種新型帶包圈型六葉平直葉槳式攪拌器，通過數(shù)值模擬方法對新型攪拌裝置的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，并結(jié)合模擬處理軟件進(jìn)一步研究關(guān)鍵參數(shù)對新型攪拌器性能的影響［4］。

1 新型攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型攪拌器是在標(biāo)準(zhǔn)六葉平直葉槳式攪拌器的基礎(chǔ)之上，在攪拌槳周圍加設(shè)了包圈，以此來增強(qiáng)軸向射流，擴(kuò)大攪拌范圍，提高攪拌容器內(nèi)固-液兩相流的混合性能。 新型攪拌器與標(biāo)準(zhǔn)六葉平直葉槳式攪拌器的結(jié)構(gòu)模型對比如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)六葉平直葉槳式攪拌器與新型攪拌器的結(jié)構(gòu)模型

筆者設(shè)計(jì)的新型包圈型攪拌槳的設(shè)計(jì)參數(shù)（表1） 與標(biāo)準(zhǔn)六葉平直葉攪拌槳設(shè)計(jì)參數(shù)相同，均參考HG/T 3796.3—2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》；加設(shè)的包圈厚度的最小值與槳葉厚度相同。

表1 六葉平直葉槳式攪拌槳主要參數(shù)mm

攪拌罐基本參數(shù)如下：

攪拌罐內(nèi)徑T 500 mm

攪拌罐高度H 725 mm

液面高度H1500 mm

液體有效體積V 105.854 7 L

攪拌罐容積Q 134.104 7 L

攪拌罐圓筒高度 600 mm

橢圓底高度 125 mm

由上述參數(shù)可得V/Q=0.79， 滿足標(biāo)準(zhǔn)中V=（0.6～0.8）Q的要求。

2 模擬前處理

2.1 模型區(qū)域網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)四面體對建立的幾何模型進(jìn)行離散化處理， 對幾何模型進(jìn)行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，確保重要區(qū)域的網(wǎng)格劃分更加細(xì)致。 通過對模型區(qū)域網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)576 809個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)156 954個。 對于壁面區(qū)域的流體，為避免徑向速度梯度過大，采用inflation法進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理。

2.2 設(shè)置邊界條件

由于固-液兩相流場模擬計(jì)算不涉及傳熱反應(yīng)，因此將攪拌容器內(nèi)部的操作溫度設(shè)置為25 ℃，且保持不變。參考壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101 325 Pa。 流場系統(tǒng)設(shè)置重力加速度g=9.81 m/s2。 固-液兩相混合流場中，液相流體設(shè)定為清水，可直接采用軟件默認(rèn)的水屬性；固相顆粒設(shè)定為分散相的沙粒，密度為2 200 kg/m3，當(dāng)量直徑取0.1 mm，摩爾質(zhì)量為60 g/mol。

攪拌過程設(shè)置為自由液面，即opening；參考壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對壓力設(shè)置為0。 將流體區(qū)域的外表面、 橢圓底面和攪拌軸定義為靜止壁面，即wall，并設(shè)置為無滑移壁面（no slip wall）；顆粒的邊界條件設(shè)定為自由滑移壁面 （free slip wall）。固相顆粒的初始量與體積用step函數(shù)描述：

編輯sandvof函數(shù)對沙粒的加料位置和初始量進(jìn)行定義，表達(dá)式如下：

其中，x、y、z為固體顆粒投料點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

2.3 計(jì)算方法選擇

湍流模型選取RNG k-ε模型； 固相顆粒采用Dispersed Phase Zero方程進(jìn)行模擬計(jì)算。

采用多重參考系法對流場內(nèi)部進(jìn)行區(qū)域劃分。 動區(qū)域是包含了槳葉、輪轂和部分?jǐn)嚢栎S在內(nèi)的圓柱形區(qū)域；其余部分即為包含了靜止罐體的靜區(qū)域。 動區(qū)域的邊界在槳葉與壁面的中界面上，動區(qū)域的高度為槳葉中心上下等距的一段距離，可隨著槳葉、包圈等相關(guān)參數(shù)的變化做出相應(yīng)調(diào)整，以保證攪拌槳葉完全包含在動區(qū)域內(nèi)。

固-液兩相流場的模擬計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，當(dāng)攪拌釜內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)（如流體速度、釜內(nèi)流體濃度等）不再發(fā)生變化時，模擬計(jì)算過程結(jié)束，模擬結(jié)果收斂差值設(shè)為1×10-4。 攪拌總時長設(shè)為6 s，時間步長為0.03 s。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 包圈高度的影響

圖2為5種包圈高度下攪拌器軸截面（x=0）處固-液兩相流場的液相速度矢量圖及固含率 （無量綱）云圖。 分析液相速度矢量圖可知，在平直葉攪拌槳周圍加設(shè)包圈后，槳葉端處的流體由于受到攪拌槳轉(zhuǎn)動形成的擠壓后與包圈發(fā)生碰撞，從而有軸向流產(chǎn)生，模擬結(jié)果與新型攪拌槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時的預(yù)想一致。 當(dāng)包圈高度較?。?0、35 mm）時， 雖然在攪拌軸的上方有流體的循環(huán)流動產(chǎn)生，但軸下方區(qū)域并無明顯循環(huán)流動；當(dāng)包圈高度較大（50 mm）時，固-液兩相流的混合效果在槳葉下方區(qū)域逐漸變差， 流體流速也相對較慢，介質(zhì)混合效果變差，不利于固體顆粒的懸浮，易造成固相顆粒在攪拌容器底部沉積。 當(dāng)包圈高度為45 mm時，流體在槳葉上方保持了良好的循環(huán)，同時下方區(qū)域形成明顯的軸向射流， 流速有所提高，固體顆粒的懸浮狀態(tài)較好，容器底部的沉積現(xiàn)象有所改善，固相顆粒大部分均勻分布在槳葉兩側(cè)和下方；流體在槳葉端處由于受到擠壓作用與包圈發(fā)生碰撞后， 撞擊攪拌容器的內(nèi)壁和底部，隨后沿著壁面向上流動，形成流體循環(huán)。

圖2 5種包圈高度下攪拌器軸截面（x=0）處固-液兩相流場的液相速度矢量圖及固含率云圖

3.2 攪拌轉(zhuǎn)速的影響

圖3為不同攪拌轉(zhuǎn)速下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖。 可由圖3可以看出，攪拌容器內(nèi)部的液相流速隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大而加快，最大液相流速出現(xiàn)在攪拌槳葉的端面處。 當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較?。?00、150 r/min）時，液相流速過小，無法在攪拌區(qū)域內(nèi)形成明顯軸向流動，固相顆粒大部分堆積在容器底部；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較大（400 r/min）時，軸向流動明顯，但在實(shí)際操作中，攪拌器的功耗會增加，還有可能出現(xiàn)液面振蕩和下凹現(xiàn)象。 因此，選擇合適的攪拌轉(zhuǎn)速對介質(zhì)混合效果極為關(guān)鍵。 綜合7種結(jié)果，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為350 r/min時流場混合效果最佳。

圖3 不同攪拌轉(zhuǎn)速下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖

3.3 安裝高度的影響

圖4為不同安裝高度 （槳葉到橢圓形罐底的距離）下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖。在工作過程中，隨著安裝高度的上升，槳葉周圍的主流區(qū)域位置也會隨之上升。 由圖4分析可得：當(dāng)安裝高度較低時，攪拌槳的葉輪與攪拌容器罐底堆積的固體顆粒距離較近，在攪拌槳的底部區(qū)域不易形成明顯的循環(huán)流動； 當(dāng)安裝高度較高時，攪拌槳葉輪周圍形成的主流區(qū)域距離罐底的固體顆粒堆積處過遠(yuǎn)，導(dǎo)致流體在罐底部的流速較小，不能帶動罐底沉積的固體顆粒流動，從而無法使固體顆粒均勻懸浮。 因此，在進(jìn)行攪拌器參數(shù)設(shè)計(jì)時， 選擇一個適宜的安裝高度至關(guān)重要。對比9種結(jié)果，當(dāng)安裝高度為275 mm時混合性能最佳，固相顆粒懸浮均勻。

圖4 不同安裝高度下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖

3.4 槳葉直徑的影響

圖5為不同槳葉直徑下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖。 由圖5可知：當(dāng)槳葉直徑過小時，槳葉端面到容器內(nèi)壁的距離過遠(yuǎn)，從槳葉端面到容器內(nèi)壁的過程中， 流體的流速會逐漸減小，動能也會隨之減小，無法達(dá)到良好的攪拌效果；當(dāng)槳葉直徑過大時，槳葉下方區(qū)域的流體循環(huán)效果進(jìn)一步變差，流速緩慢，固體顆粒的沉積量會繼續(xù)增加，不利于固相顆粒的均勻懸浮。

圖5 不同槳葉直徑下軸截面（x=0）處攪拌容器的固含率云圖

4 結(jié)論

4.1 通過對新型攪拌器在固-液兩相流場的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，新型攪拌器在一定程度上可以提高攪拌區(qū)域的軸向流動， 從而形成軸向循環(huán)，對多相介質(zhì)的混合效果具有一定的促進(jìn)作用，且與理論分析結(jié)果一致。

4.2 通過對5種包圈高度下流場的液相速度矢量圖及固含率云圖進(jìn)行分析對比，發(fā)現(xiàn)包圈高度對攪拌效果具有顯著的影響，并且合適的包圈高度可以使固-液兩相混合效果最佳。

4.3 對不同攪拌轉(zhuǎn)速的流場進(jìn)行模擬，選擇合適的攪拌轉(zhuǎn)速對于流場混合效果具有重要影響，在攪拌轉(zhuǎn)速的選取上需要考慮攪拌器損耗、介質(zhì)振蕩等問題，且轉(zhuǎn)速不宜過大。

4.4 攪拌器安裝高度會對流場混合效果產(chǎn)生影響。 安裝高度過低，不宜形成流體循環(huán)流動；安裝高度過高， 無法帶動容器底部固相顆粒運(yùn)動，懸浮效果不佳。

4.5 槳葉直徑的選擇直接影響攪拌效果的好壞，并且槳葉的寬度、厚度和輪轂尺寸要與槳葉直徑相統(tǒng)一。 槳葉直徑過小，流體流速低、動能小，無法實(shí)現(xiàn)較好的混合；直徑過大，無法在流場區(qū)域形成良好的循環(huán)流動。 適宜的槳葉直徑對介質(zhì)混合效果具有積極的作用，也對攪拌器的性能具有一定影響。