基于計(jì)算流體力學(xué)方法的啶蟲脒結(jié)晶釜攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)

嚴(yán)小生 邵洪根 李 強(qiáng)

1江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司（江蘇揚(yáng)州 225009）2杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司（浙江杭州 310012）

技術(shù)進(jìn)步

基于計(jì)算流體力學(xué)方法的啶蟲脒結(jié)晶釜攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)

嚴(yán)小生1邵洪根2李 強(qiáng)1

1江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司（江蘇揚(yáng)州 225009）2杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司（浙江杭州 310012）

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)啶蟲脒結(jié)晶釜進(jìn)行了模擬與優(yōu)化，考察了不同攪拌轉(zhuǎn)速下的速度分布均勻性和晶體體積含量分布均勻性，結(jié)果表明，高效軸流型槳SP306對(duì)晶體懸浮的效果較好，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)晶體體積含量分布均勻性有顯著影響，確定了90 r/min為優(yōu)化后的攪拌轉(zhuǎn)速。經(jīng)工業(yè)應(yīng)用，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，產(chǎn)品粒徑分布有明顯改善。

結(jié)晶 攪拌器 計(jì)算流體力學(xué) 速度分布均勻性 晶體體積含量分布均勻性

0 前言

啶蟲脒是一種氯代煙堿類殺蟲劑，對(duì)害蟲具有觸殺和胃毒作用，并有卓越的內(nèi)吸活性，是一種高效、安全、廣譜、作用機(jī)制新穎的殺蟲劑。工業(yè)上制備啶蟲脒的方法通常是將含有啶蟲脒的反應(yīng)溶液進(jìn)行冷卻結(jié)晶。

目前啶蟲脒結(jié)晶釜通常采用錨式槳，其外觀如圖1所示。

圖1 錨式槳外觀圖

錨式槳的流型以水平回轉(zhuǎn)流為主，軸向混合能力較弱，導(dǎo)致晶體懸浮能力差；近壁區(qū)流速大，軸附近流速小，流體速度分布不均勻，導(dǎo)致結(jié)晶周期長(zhǎng)、結(jié)晶粒徑分布不均勻，給固液分離及后續(xù)操作帶來麻煩。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的迅速發(fā)展，通過CFD模擬的方法可以獲取不同過程流體的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等詳細(xì)信息，很大程度上彌補(bǔ)了測(cè)試手段有限的不足，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。CFD模擬結(jié)果直觀，可以節(jié)約時(shí)間和成本，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。

SP306是一種高效軸流型槳，其外觀如圖2所示。

圖2 高效軸流型槳SP306外觀圖

SP306懸浮能力強(qiáng)，即使固含量達(dá)到25%仍能獲得良好的懸浮效果。本文對(duì)SP306攪拌器進(jìn)行了CFD模擬，以期根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)啶蟲脒結(jié)晶釜進(jìn)行優(yōu)化，為結(jié)晶釜的攪拌器設(shè)計(jì)提供依據(jù)，提高啶蟲脒的產(chǎn)品品質(zhì)。

1 結(jié)晶釜條件

結(jié)晶釜內(nèi)徑1500mm，直筒高度1 800mm；擋板四塊均布，寬度125mm，安裝離壁距離35mm；攪拌器直徑750mm，層間距750mm，底層槳葉離底高度375mm。攪拌器采用高效軸流型槳SP306。

啶蟲脒結(jié)晶體系的液相密度874 kg/m3，黏度1×10-3Pa·s，啶蟲脒結(jié)晶密度1170 kg/m3，平均粒徑0.75mm，結(jié)晶體積含量0.05，直筒裝液高度1500mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用有限體積法對(duì)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和動(dòng)量守恒方程離散求解。液相湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型形式簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣，已經(jīng)在攪拌釜的數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。采用Mixture多相流模型對(duì)固液兩相流進(jìn)行模擬，該模型將多相流視為相互滲透的連續(xù)介質(zhì)。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，首先應(yīng)將計(jì)算區(qū)域離散化，生成網(wǎng)格，然后將偏微分方程格式的守恒方程轉(zhuǎn)化為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組。本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)槳葉和攪拌軸區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。劃分完畢后網(wǎng)格數(shù)量為1143 139，經(jīng)檢驗(yàn)已達(dá)到無關(guān)性要求。結(jié)晶釜模型的網(wǎng)格劃分示意圖見圖3。

2.3 計(jì)算方法

從數(shù)值模擬的角度來看，模擬攪拌槽的一大難題是如何處理好運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板及槽壁之間的相互作用。本文選用多重參考系法（MRF）進(jìn)行模擬，攪拌器附近的流體區(qū)域劃為動(dòng)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體視為以與攪拌器相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系，將靜區(qū)域內(nèi)的流體視為靜止。槽內(nèi)壁面定義為靜止壁面條件、攪拌器及攪拌軸為運(yùn)動(dòng)壁面條件，其中攪拌軸主體部分處于靜區(qū)域內(nèi)，相對(duì)于靜止坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)的，攪拌器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)速度為0。

3 結(jié)果與分析

圖4為結(jié)晶釜在90 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下的速度分布矢量圖。由圖4可見，在攪拌器作用下，釜內(nèi)形成了一個(gè)軸向的全槽混合。

圖3 結(jié)晶釜模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 攪拌轉(zhuǎn)速90 r/m in時(shí)結(jié)晶釜速度分布矢量圖

表1為不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜流場(chǎng)平均速度、速度方差和攪拌功率消耗。由表1可見，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，釜內(nèi)流體的速度增大，速度分布的均勻性也變好，但是到90 r/min之后變化不明顯。攪拌轉(zhuǎn)速提高之后，功率消耗也有顯著的增大。

表1 不同轉(zhuǎn)速下平均速度、速度方差值和攪拌功率消耗

從不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜的結(jié)晶體積含量云圖（略）可見，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，結(jié)晶的懸浮狀態(tài)變好，分布越來越均勻。但是攪拌轉(zhuǎn)速超過90 r/min后混合效果已經(jīng)沒有明顯提升，且功率消耗也會(huì)增大，因此將90 r/min作為優(yōu)化后的工業(yè)操作條件。

4 工業(yè)應(yīng)用效果

優(yōu)化后確定SP306攪拌器直徑為750mm，攪拌轉(zhuǎn)速為90 r/min，將優(yōu)化之后的攪拌方案進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，與改造前采用錨式槳相比，結(jié)晶的均勻性等技術(shù)指標(biāo)有明顯提升，詳見表2。

表2 改造前后的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用，將結(jié)晶釜的容積放大到30m3，仍能獲得良好的結(jié)晶效果，證明通過CFD技術(shù)進(jìn)行攪拌的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是合適的。

5 結(jié)論

（1） SP306 在結(jié)晶釜內(nèi)形成了一個(gè)大的軸向循環(huán)，懸浮效果較好，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，速度分布均勻性變好，但是在本文研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速之后變化不明顯。

（2）攪拌轉(zhuǎn)速90 r/min、槳徑750mm為本結(jié)晶過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)放大與工業(yè)驗(yàn)證，證明了CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 陳紅生,何雄志.結(jié)晶罐攪拌流場(chǎng)及傳熱過程的數(shù)值模擬.輕工機(jī)械,2010,28(4):26-29.

[2] 王學(xué)魁,武首香,沙作良,等.DTB結(jié)晶器的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及其對(duì)KCl結(jié)晶過程的影響.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(4):18-22.

[3] 武首香,沙作良.不同操作條件下連續(xù)結(jié)晶過程的CFD模擬.化工學(xué)報(bào),2013,41(6):13-17.

[4] 王鑫,陳慧,梁寶臣,等.四葉片傾斜渦輪結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)模擬.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2009,25(6): 508-512.

[5] 薛兆鵬,徐燕申,牛文鐵.基于流體分析的工業(yè)結(jié)晶器攪拌槳結(jié)構(gòu)優(yōu)化.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,38(5): 501-504.

[6] 王凱,馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Optimization Design of Stirrer of Acetamiprid Crystallization Reactor based on Computational Fluid Dynamics

Yan Xiaosheng Shao Honggen Li Qiang

Simulated and optimized the acetamiprid crystallization reactor based on computational fluid dynamics (CFD), investigated the velocity distribution uniformity and the crystal volume fraction distribution uniformity under differ-ent agitation speeds. The results showed that the SP306 axial flow impeller with high efficiency had good effects on the crystal suspension, the stirring rate had a significant effect on the crystal volume fraction distribution uniformity, and the optimized stirring rate was 90 r/min. The industrial application of SP306 verified the rationality of the optimum design, and the distribution of product size was improved obviously.

Crystallization; Stirrer; Computational fluid dynamics; Velocity distribution uniformity; Crystal volume fraction distribution uniformity

TF 351.5+2

2014年1月

嚴(yán)小生 男 碩士 1988年 鎮(zhèn)江船舶學(xué)院畢業(yè) 高級(jí)工程師 從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和安裝管理工作