雙層槳攪拌釜氣液兩相流的混合效果研究

摘 要 針對雙層槳攪拌釜，采用RNG k?ε湍流多相流模型進行模擬，研究了徑向流平直式RT槳、軸向流斜葉式PB槳3種組合雙層槳的氣液兩相流動混合特性。RT?RT雙層槳在釜內(nèi)形成幾個比較對稱、均勻的渦流，導致釜底進入的氣相在槳葉中心附近的較低壓區(qū)域富集；引入軸向流的PB?RT顯著提高了兩層槳葉間的液相流速，使得攪拌釜內(nèi)整體的渦流都向氣相進口方向移動，提高兩層槳葉中間區(qū)域的局部氣含率，比RT?RT雙層槳的整體氣含率略高，但攪拌功率下降57%；而PB?PB雙層槳具有最高的氣含率，但攪拌功率比PB?RT高49%。

關鍵詞 攪拌釜 氣液兩相流 雙層槳 平直槳 斜葉槳

中圖分類號 TQ051.72 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0546?05

攪拌釜因適用性強、混合效率高而被廣泛應用于各行業(yè)［1，2］。多層攪拌釜的幾何構(gòu)型可以顯著影響攪拌釜的水力性能、傳熱傳質(zhì)和能耗［3，4］。因此，高效混合兼顧綠色節(jié)能的雙層攪拌釜設計一直是研究者關注的焦點。相比于實驗研究的限制，CFD數(shù)值模擬可以快捷預測攪拌釜內(nèi)流動、傳熱、反應等行為，為攪拌釜的優(yōu)化設計提供有力支持［5～7］。文獻［8］通過Euler多相流模型對雙層槳攪拌釜內(nèi)固液混合過程進行模擬，分析了轉(zhuǎn)速、槳葉直徑和槳葉間距的影響；文獻［9］針對雙層六彎葉圓盤槳研究離底距、槳間距和轉(zhuǎn)速對釜內(nèi)流場的影響；文獻［10］基于粒子圖像測速（PIV）和CFD方法對雙層攪拌釜的操作參數(shù)和幾何構(gòu)型進行設計優(yōu)化；文獻［11］驗證了雙層攪拌槳外導流筒的攪拌特性較好。影響攪拌混合性能的因素中，葉輪類型和配置決定著多相流動力學條件，進而影響混合效率和功耗。平直式RT槳（Rushton Turbine）是最常見的徑向流動攪拌

槳［12］，而斜葉式PB槳（Pitched Blade）是典型的軸向流攪拌槳之一。與徑向流葉輪相比，軸向流葉輪在攪拌釜內(nèi)提供更有效的混合效率，有效仿真分析可以為攪拌槳選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導。

筆者采用多相流湍流模型，針對雙層槳攪拌釜的氣液流動和混合，系統(tǒng)探索了六葉平直式RT槳和四斜葉式PB槳不同組合葉輪對氣液兩相內(nèi)部渦流結(jié)構(gòu)和混合效率的影響，以期為雙層攪拌反應器的優(yōu)化設計提供參考。

1 雙層槳攪拌釜模型

1.1 雙層槳攪拌釜結(jié)構(gòu)和參數(shù)

雙層槳攪拌釜的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基于文獻［10］的平底圓柱筒、四擋板結(jié)構(gòu)和不同槳葉類型的葉輪；氣體則通過釜底的圓孔進入。

當前模型考慮徑向流RT槳和軸向流PB槳的組合，保持槳葉直徑都為Da，分析3種組合槳葉對氣液攪拌混合的作用效果。

1.2 氣液兩相湍流模型和邊界條件

基于雷諾時均運動方程（RANS）的標準k?ε模型，描述雙層槳攪拌釜中的氣液混合流［10，13］。氣液相間動量交換僅考慮曳力作用，選取Grace模型。

氣體入口設置為速度入口，攪拌釜頂面設置為壓力出口；攪拌槳和攪拌軸壁面設定為移動壁面，其余壁面保持默認，均為無滑移邊界條件；為了提高計算效率，氣泡尺寸采用均一尺寸4 mm，基于ANSYS的多重參考系坐標法進行穩(wěn)態(tài)求解，網(wǎng)格質(zhì)量在0.30～1.00，平均值0.75。進口氣流4.5 L/min，轉(zhuǎn)速400 r/min，氣含率約1.28%～2.01%，比文獻［10］提及的實驗結(jié)果偏低，是因為沒有氣體分布器設置。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙層槳攪拌釜的氣液混合

將PB?RT組合后的仿真結(jié)果如圖2所示。垂直切面（圖2a、b）和45°角垂直切面（圖2e、f）的結(jié)果顯示，釜內(nèi)液相和氣相速度分布都比較均勻，僅在槳葉附近受到高速剪切作用；氣相容易在釜壁附近形成上浮的局部高速區(qū)域，而在平底釜底四圍容易形成死角。受到旋轉(zhuǎn)方向的影響，氣相進口區(qū)域會呈現(xiàn)一定的傾向性，導致下層槳葉下方的渦流大小不同。比較圖2c、g，下層RT槳葉會促使氣相沿徑向與液相混合，而上層PB槳葉將導致氣相在兩層槳葉中間區(qū)域集中，最終使得氣相沿著一側(cè)壁面向上逃逸，形成氣相短流現(xiàn)象。在z=55 mm（圖2h）和z=130 mm（圖2d）兩個水平截面的結(jié)果也證實了這一現(xiàn)象，RT槳葉周圍出現(xiàn)一定程度的氣相富集，而PB槳葉周圍氣相在局部區(qū)域富集而不再均勻混合。

2.2 3種槳葉組合的雙層槳對攪拌釜內(nèi)氣液混合的影響

3種槳葉組合的攪拌釜液相流場和氣含率分布如圖3所示。

RT?RT槳展現(xiàn)出典型的徑向流流線分布，釜內(nèi)形成幾個比較對稱、均勻的渦流；將上層槳改為PB槳，顯著提高了兩層槳葉間的液相流速，使得整體渦流都向氣相進口方向移動；而PB?PB槳提高了槳葉下方和壁面附近的液相速率，使得整個釜內(nèi)渦流比較混亂，沒有顯著的大渦形成。對應地，RT?RT槳促使氣相在槳葉中心附近的較低壓區(qū)域富集，PB?RT槳促使流體延軸向強制混合，會提高兩層槳葉之間區(qū)域的局部氣含率，而PB?PB槳雖然降低了流體的徑向流趨勢，但加劇了軸向流動趨勢，提高了局部氣含率且氣含率分布更加均勻。

為了量化氣液混合效應，對比了3類攪拌釜內(nèi)整體氣含率和攪拌功率（圖4）。當前條件下，RT?RT攪拌釜的整體氣含率是1.28%，攪拌功率0.779 W；PB?RT攪拌釜的整體氣含率是1.31%，攪拌功率0.334 W，比RT?RT攪拌釜整體氣含率略微升高，但攪拌功率下降57%；PB?PB攪拌釜的整體氣含率可以達到2.01%，而攪拌功率也僅有0.498 W。

3 結(jié)論

3.1 采用RANS的標準k?ε模型模擬雙層槳攪拌釜中的氣液混合，重點分析RT?RT雙層槳、PB?RT雙層槳、PB?PB雙層槳3種攪拌釜內(nèi)的氣液混合。

3.2 雙層槳攪拌釜將在兩層槳葉下方形成兩個大的渦流，加速流體混合。

3.3 徑向流組合RT?RT槳形成比較對稱、均勻的渦流，導致氣相在槳葉中心附近的較低壓區(qū)域富集；引入軸向流的PB?RT槳顯著提高了兩層槳葉間的液相流速，提高對應區(qū)域的局部氣含率。

3.4 當前氣體進料條件下，PB?RT雙層槳比RT?RT雙層槳的整體氣含率略高，但攪拌功率下降57%；PB?PB雙層槳具有最高的氣含率，但攪拌功率比PB?RT高49%。

參 考 文 獻

［1］ " 黎義斌，宋亞娟，歹曉暉，等.不同推進式槳葉對攪拌反應器內(nèi)氣液兩相混合特性的影響［J］.化工學報，2020，71（S1）：227-235.

［2］ " XIAO Y T，LI X Y，REN S L，et al.Hydrodynamics of gas phase under typical industrial gassing rates in a gas?liquid stirred tank using intrusive image?based method［J］.Chemical Engineering Science，2020，227：115923.

［3］ " 房洪芹.雙層斜葉組合槳攪拌槽內(nèi)流體流場的數(shù)值模擬及PIV試驗研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2020.

［4］ " JAMSHED A，COOKE M，REN Z，et al.Gas?Liquid mixing in dual agitated vessels in the heterogeneous regime［J］.Chemical Engineering Research amp; Design，2018，133：55-69.

［5］ " 張翠勛，曹明見，楊鋒苓.雙層格柵槳攪拌容器內(nèi)氣液兩相混合［J］.山東大學學報（工學版），2021，51（4）：71-76；83.

［6］ " 高勇，胡軍，嚴彪，等.新型雙層槳氣液攪拌釜內(nèi)功耗性能的實驗研究［J］.化工機械，2018，45（3）：292-296；304.

［7］ " SHU L，YANG M，ZHAO H，et al.Process optimization in a stirred tank bioreactor based on CFD?Taguchi method：A case study［J］.Journal of Cleaner Product?

ion，2019，230：1074-1084.

［8］ " 華劍，李偉，呂志鵬，等.雙層槳葉攪拌罐內(nèi)固液混合均勻度研究［J］.科學技術與工程，2023，23（28）：12080-12090.

［9］ " 陳珊珊，景甜甜，熊明奎，等.雙層六彎葉圓盤渦輪槳攪拌釜內(nèi)流場模擬研究［J］.佳木斯大學學報（自然科學版），2022，40（6）：78-81；119.

［10］ " 趙行.基于PIV和CFD的雙層攪拌反應器優(yōu)化設計［D］.重慶：西南大學，2021.

［11］ " 羅璇，馮羽生，逄啟壽.槳葉層數(shù)對導流筒攪拌槽內(nèi)攪拌影響的數(shù)值模擬［J］.有色金屬科學與工程，2023，14（5）：728-733.

［12］ " ZHU Q，XIAO H，CHEN A，et al.CFD study on double?to single?oop flow pattern transition and its influence on macro mixing efficiency in fully baffled tank stirred by a Rushton turbine［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2019，27（5）：993-1000.

［13］ " CHEN M，WANG J，ZHAO S，et al.Optimization of dual?impeller configurations in a gas?liquid stirred tank based on computational fluid dynamics and multiobjective evolutionary algorithm［J］.Industrial amp; Engineering Chemistry Research，2016，55（33）：9054-9063.

（收稿日期：2023-07-25，修回日期：2024-03-25）

Study on the Mixing Effect of Gas?Liquid Flow in the Stirred

Tank with Double Paddle

GAO Chen?yu， LI Qiang

（College of Mechanical Engineering， Hefei University of Technology）

Abstract " Aiming at the double?paddle stirred tank， having the RNG k?ε turbulent multiphase flow model adopted to investigate gas?liquid flow’s mixing characteristics of such three combined double paddles as the radial?flow RT straight paddle and axial?flow PB oblique blade paddle was implemented. The result show that， the RT?RT double paddle brings about several symmetric and uniform vortexes in the stirred tank， which results in the gathering of the gas which entered the tank bottom in the lower pressure area near the center of the paddle. The axial flow brought in by the PB?RT significantly improves the liquid flow velocity between the two paddlers and makes the overall eddy flow in the stirred tank move to the inlet direction of the gas; in addition， improving the local gas holdup in the middle region of the two paddlers slightly and making it higher than the overall gas holdup of the RT?RT double paddlers will cause the stirring power reduced by 57%. The PB?PB double paddle has the highest gas holdup， and its stirring power is 49% higher than that of PB?RT.

Key words " stirred tank， gas?fluid flow， double paddle， straight paddle， oblique propeller

作者簡介：高晨育（2003-），本科生，從事機械設計制造及其自動化（真空方向）的研究。

通訊作者：李強（1964-），研究員，從事機械工程及流體機械裝備的研究，hfliqiang@163.com。

引用本文：高晨育，李強.雙層槳攪拌釜氣液兩相流的混合效果研究［J］.化工機械，2024，51（4）：546-549；633.