基于CFD方法的啶蟲脒結(jié)晶釜攪拌器優(yōu)化設(shè)計

嚴(yán)小生 邵洪根 李強

（1.江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司，江蘇揚州 225009；2.杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司，杭州 310012）

啶蟲脒是一種氯代煙堿類殺蟲劑，對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)溶液冷卻結(jié)晶制得。

目前，啶蟲脒結(jié)晶釜通常采用錨式槳，其外觀如圖1所示。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；且近壁區(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，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、濃度場和溫度場等詳細(xì)信息，很大程度上彌補了測試手段有限的不足，為設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)。CFD模擬結(jié)果直觀，可以節(jié)約時間和成本，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。SP306懸浮能力強，即使固含量達(dá)到25%仍能獲得良好的懸浮效果。本文對SP306攪拌器進(jìn)行CFD模擬，以期根據(jù)模擬結(jié)果對啶蟲脒結(jié)晶釜進(jìn)行優(yōu)化，為結(jié)晶釜的攪拌器設(shè)計提供指導(dǎo)，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1 500 mm，直筒高度1 800 mm；擋板四塊均布，寬度125 mm，安裝離壁距離35 mm；攪拌器直徑750 mm，層間距750 mm，底層槳葉離底高度375 mm。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，粘度1.0 cP，啶蟲脒結(jié)晶密度1 170 kg/m3，平均粒徑0.75 mm，結(jié)晶體積含量0.05，直筒裝液高度1 500 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用有限體積法對質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和動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)化為各個節(jié)點上的代數(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。為提高計算結(jié)果的精度，對槳葉和攪拌軸區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。劃分完畢后網(wǎng)格數(shù)量為1 143 139，經(jīng)檢驗已達(dá)到無關(guān)性要求。結(jié)晶釜模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

2.3 計算方法

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動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)域劃為動區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將動區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)為與攪拌器相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其他區(qū)域為靜區(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，攪拌器及攪拌軸定義為運動壁面條件，其中，攪拌軸的主體部分處于靜區(qū)域內(nèi)，相對于靜止坐標(biāo)系是運動的，攪拌器相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系運動速度為0。

圖1 錨式槳外觀圖

圖2 高效軸流型槳SP306外觀圖

3 結(jié)果與分析

圖4為結(jié)晶釜在不同攪拌轉(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)形成了一個軸向的全槽混合。

表1為不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜流場平均速度、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。

圖5為不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜的結(jié)晶體積含量云圖。由圖 5（a）、（b）、（c）和（d）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，且功率消耗也會增大，因此，將90 r/min作為優(yōu)化后的工業(yè)操作條件。

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/min時結(jié)晶釜速度分布矢量圖

表1 不同轉(zhuǎn)速下平均速度、速度方差值和攪拌功率消耗

4 工業(yè)應(yīng)用效果

優(yōu)化后確定SP306攪拌器直徑為750 mm，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)對比

圖5 不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶體積含量云圖

根據(jù)優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用，將結(jié)晶釜的容積放大到了30 m3，仍獲得了良好的結(jié)晶效果，證明了通過CFD技術(shù)進(jìn)行攪拌的設(shè)計與優(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，速度分布的均勻性變好，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750 mm為本結(jié)晶過程的優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)放大與工業(yè)驗證，證明了CFD優(yōu)化設(shè)計的合理性。

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