反應(yīng)釜攪拌軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

宋自武

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)尼龍科技有限公司 河南 平頂山 467000）

1 引言

混合效果質(zhì)量差，會(huì)發(fā)生壓力、溫度局部短時(shí)間發(fā)生變化等。通常混合時(shí)，把密度非常低的固液混合到固相介質(zhì)并不容易，經(jīng)常出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，其中物料團(tuán)結(jié)就是其中一方面問(wèn)題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。所以，要求低密度顆粒攪拌時(shí)間達(dá)到一定要求。有效設(shè)計(jì)反應(yīng)釜攪拌軸的結(jié)構(gòu)具有突出的意義，且能獲得非常不錯(cuò)的懸浮效果，大幅降低了維修成本?？紤]到上述情況，在相關(guān)軟件利用下，分析并營(yíng)造逼真的內(nèi)部流場(chǎng)，可明確攪拌設(shè)備是否合理[1]。現(xiàn)階段許多學(xué)者在模擬及分析攪拌設(shè)備的內(nèi)部流場(chǎng)當(dāng)中取得了一定的研究進(jìn)展，投入使用后效果良好。而因?yàn)轭w粒密度比液相中上浮顆粒下的攪拌內(nèi)容的分析較少，在CFD數(shù)值模擬使用下，分析及討論固液攪拌效果欠佳的反應(yīng)釜具體問(wèn)題，提出了反應(yīng)釜攪拌軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及升級(jí)的設(shè)計(jì)措施，現(xiàn)具體內(nèi)容分析如下。

2 反應(yīng)釜攪拌軸的計(jì)算模型與方法

2.1 物理模型與數(shù)值計(jì)算模型

（1）物理模型。以設(shè)備結(jié)構(gòu)為前提，將之前4層PBT槳應(yīng)用到反應(yīng)釜及其攪拌器內(nèi)。既有作業(yè)參數(shù)如下述：操作容積為8方，同時(shí)以r=24m作為操作內(nèi)徑；每分鐘轉(zhuǎn)速9893r；固相粒徑處在20～50μm，以珍珠巖顆粒居多，堆積密度176g/m3；首次填料結(jié)束后，中間的固相為2%的體積。于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以上設(shè)備液面內(nèi)發(fā)生下述幾種狀況，如非常多的固體粉末、缺少長(zhǎng)時(shí)間的均勻攪拌等，因?yàn)橐陨锨闆r的存在，便會(huì)發(fā)生結(jié)塊。先經(jīng)過(guò)一定作業(yè)時(shí)間，將會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的垢塊形成在容器內(nèi)壁及擋板上，使內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)處于一種嚴(yán)重?fù)p壞當(dāng)中，混合效果不佳，繼而使設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)非安全問(wèn)題。分析結(jié)束后，問(wèn)題多是釜內(nèi)軸向循環(huán)效果不夠好、液面循環(huán)死角多等?；诖?，在加大攪拌器功率的前提下，優(yōu)化及完善攪拌器，維持流場(chǎng)中軸向循環(huán)的進(jìn)行，營(yíng)造良好的液面軸向流動(dòng)。擋板經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，不會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的物料集中死角。在三層雙折葉槳改進(jìn)后，接著分析具體相流場(chǎng)，繼而經(jīng)過(guò)優(yōu)化獲得的流場(chǎng)效果。在CFD利用下，對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)施模擬，為獲得比較不錯(cuò)的優(yōu)化成效，且實(shí)施更深層次的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）數(shù)值計(jì)算模型?？紤]到具體狀況，從整體上搭建反應(yīng)釜的三維模型，進(jìn)而確保網(wǎng)格搭建中流場(chǎng)離散化處置較高的精確度。針對(duì)包括近壁區(qū)域、槳葉表面等在內(nèi)的特殊的流動(dòng)邊界區(qū)域，一般使用的處理方式為網(wǎng)格加密處理。并且于處置過(guò)程中還從整體上實(shí)施了具體的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，尤以過(guò)程當(dāng)中的檢驗(yàn)指標(biāo)也認(rèn)為是攪拌槳扭矩。接受所需驗(yàn)證之后，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在90×104以上時(shí)，攪拌器中的扭矩均不超出5%。為高效算出結(jié)果，結(jié)合具體能承受的計(jì)算時(shí)間范圍，總網(wǎng)格數(shù)目接近128×104網(wǎng)格[2]。

（3）計(jì)算方法與邊界條件在數(shù)值模型中的設(shè)置

CFD數(shù)值模擬技術(shù)的使用，離散方程處理中運(yùn)用有效體積法。尤以壓力-速度耦合是在SIMPLE算法使用而來(lái)。為讓內(nèi)部流場(chǎng)呈現(xiàn)出來(lái)，使用兩類(lèi)不一樣的區(qū)域劃分，外部及內(nèi)部分別是靜止的擋板、旋轉(zhuǎn)的槳葉。選取旋轉(zhuǎn)、靜止的參考系。選取湍流模型時(shí)，那么需使用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型；營(yíng)造真實(shí)的固液混合流程，模擬中則使用mixture兩相流；測(cè)算時(shí)，為確保收斂性有效，選取的步長(zhǎng)0.05s，該步長(zhǎng)存在于非定常的數(shù)值設(shè)置當(dāng)中。

于離散方程中使用有限體積法，壓力-速度耦合在SIMPLE算法利用下而獲得，以二階迎風(fēng)作為差分格式，通過(guò)多重參考系法（MRF）的使用來(lái)測(cè)算流動(dòng)場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模式利用下，營(yíng)造湍流的真實(shí)情景，將mixture兩相流模型用于固液混合的處置。為讓計(jì)算中具有收斂性，模擬固液兩相流，以0.05s作為非定常數(shù)值的時(shí)間步。在測(cè)算反應(yīng)釜內(nèi)流場(chǎng)時(shí)，以CFD分析軟件Fluent的使用為前提，營(yíng)造逼真的單相流動(dòng)的定常數(shù)值，通過(guò)軟件Gambit測(cè)算流域網(wǎng)格劃分，通過(guò)軟件Tecplot進(jìn)行流場(chǎng)的后處理。

2.2 反應(yīng)釜攪拌軸的數(shù)值模型計(jì)算方法與邊界條件的設(shè)立

在CFD數(shù)值模擬技術(shù)利用之下，將有效體積法用于離散方程處置當(dāng)中。尤以基于SIMPLE算法而產(chǎn)生的壓力-速度耦合。通常使用重參考系法（MRF）這類(lèi)較為有效的二階迎風(fēng)格式的差分格模式。為將內(nèi)部流場(chǎng)更好地表達(dá)出來(lái)，使用了兩類(lèi)不同區(qū)域劃分，內(nèi)部與外部分別是旋轉(zhuǎn)槳葉、靜止擋板。以靜止及旋轉(zhuǎn)的參考系作為選取的比照。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的k-模型的使用來(lái)對(duì)湍流模型進(jìn)行選擇；在利用Fluent軟件內(nèi)的mixture兩相流下，對(duì)固液混合程序做出模擬；測(cè)算時(shí)，為讓收斂更有成效，選取的步長(zhǎng)為0.05s。

在離散方程中，使用有限體積法，將SIMPLE算法應(yīng)用到壓力-速度耦合中，以二階迎風(fēng)進(jìn)行差分格式，通過(guò)多重參考系法（MRF）對(duì)流動(dòng)場(chǎng)實(shí)施測(cè)算，劃分計(jì)算域靜止擋板處于外部區(qū)域，槳葉附近區(qū)域的測(cè)算需以旋轉(zhuǎn)參考系為準(zhǔn)。湍流的模擬使用了標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模式，通過(guò)mixture兩相流模型的使用對(duì)固液混合流程做出處置。為讓測(cè)算體現(xiàn)收斂性，以0.05s作為時(shí)間步長(zhǎng)。在CFD分析軟件Fluent利用前提下，模擬單相流動(dòng)的定常數(shù)值，在軟件Gambi運(yùn)用下，分類(lèi)計(jì)算流域網(wǎng)格，在軟件Tecplot使用下，進(jìn)行流場(chǎng)的后處理。

3 反應(yīng)釜攪拌軸的數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 原結(jié)構(gòu)單相流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)單相流場(chǎng)的改進(jìn)

在分析及模擬反應(yīng)釜原結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)情況中，未經(jīng)過(guò)優(yōu)化的攪拌結(jié)構(gòu)內(nèi)，分析縱向剖面速度矢量分布圖，并以此為準(zhǔn)，滿足流動(dòng)規(guī)律的軸向循環(huán)未產(chǎn)生于反應(yīng)釜內(nèi)，軸向流動(dòng)趨勢(shì)沒(méi)有于液面四周有顯著趨勢(shì)。從整體上分析非常低攪拌流動(dòng)速度，不可否認(rèn)出現(xiàn)了一定的低速區(qū)。結(jié)束模擬測(cè)算之后，在高效的機(jī)械作用下，通常攪拌功率，非常接近原結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，攪拌功率并不高。結(jié)構(gòu)單相流場(chǎng)的改進(jìn)。以該結(jié)構(gòu)當(dāng)中流場(chǎng)為根據(jù)，模擬并測(cè)算流體動(dòng)力學(xué)情況。分析并模擬速度流場(chǎng)分布，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，運(yùn)用葉式攪拌槳。通過(guò)流場(chǎng)分析，可將液面四周漩渦處于一種非常不錯(cuò)的狀態(tài)，讓罐中流體軸向運(yùn)動(dòng)更加明顯，讓充分的軸向循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)。攪拌流場(chǎng)液面經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，進(jìn)行測(cè)算，保持速度在單位每秒內(nèi)1.0m至1.3m[3]。和之前的結(jié)構(gòu)比起來(lái)，獲得了很大程度上的提高。維持90%機(jī)械效率，顯著提升攪拌功率，比之前的效果要高出好多倍，讓中等劇烈攪拌成為可能，較好地混合了有關(guān)液體及固體粉末。

3.2 數(shù)值模擬的固液混合時(shí)間預(yù)測(cè)

模擬把固體顆粒添加到反應(yīng)釜改進(jìn)結(jié)構(gòu)內(nèi)，接著模擬分析氣固兩相流，逐步檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的效果；為獲得固相濃度分布測(cè)算混合模擬，；且實(shí)施預(yù)測(cè)初始狀態(tài)設(shè)置，在確保液面上均勻浮動(dòng)固體粉末前提下。因?yàn)榉磻?yīng)釜中8方清水的存在，需要珍珠巖顆粒漂浮于液面上，且體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%。從模擬實(shí)際狀況來(lái)看，決定單位分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)速93r，同時(shí)不將啟動(dòng)考慮其中，討論及研究從0秒開(kāi)始至355s中釜內(nèi)軸截面固相分布。且監(jiān)測(cè)改進(jìn)模型的具位置。從結(jié)果情況看，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)下，攪下了順著軸心四周的固體顆粒。在上述條件前提下，向四周擴(kuò)散開(kāi)來(lái)在不超過(guò)20s的攪拌時(shí)間中，測(cè)出監(jiān)測(cè)所得的固相體積分率，和最終的結(jié)果比較，差距在20%左右，讓物料中等混合成為可能；接著在半分鐘的時(shí)間中，可讓物料達(dá)到大體上的均勻混合效果。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)反應(yīng)釜CFD流場(chǎng)實(shí)施測(cè)算，形成良好的結(jié)構(gòu)，高效進(jìn)行攪拌，逐步提高了軸向循環(huán)效果，較好地解決了存在的液面物料漂浮問(wèn)題。反應(yīng)釜攪拌軸先經(jīng)過(guò)改造，同時(shí)投入應(yīng)用當(dāng)中，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，軸頭備件數(shù)量較多，盡量維持了反應(yīng)釜運(yùn)行的平穩(wěn)[4]。在優(yōu)化設(shè)備時(shí)，在符合生產(chǎn)工藝條件下，高效進(jìn)行生成，減少了成本的消耗，避免之前結(jié)構(gòu)中存在的缺陷問(wèn)題，值得推廣使用。