新型最大葉片式攪拌器用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器氣液混合特性的數(shù)值模擬

郭 莉，蘇紅軍，徐世艾

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

氣-液混合攪拌是工業(yè)生產(chǎn)中常用的單元操作，在化工、制藥、食品等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用[1]，而選擇攪拌槳類(lèi)型對(duì)攪拌效率有著至關(guān)重要的影響。近年來(lái)，日本以發(fā)展新型聚合反應(yīng)器為背景開(kāi)發(fā)了包括最大葉片式攪拌槳在內(nèi)的多種新型攪拌槳。新型最大葉片式攪拌槳能夠很好地適用于寬黏度域，因此，在各種生產(chǎn)過(guò)程中可以穩(wěn)定操作，不需要考慮黏度的變化。但在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中，新型最大葉片式攪拌槳在攪拌混合高粘流體時(shí)的氣液混合性能需要進(jìn)一步研究。若僅依賴(lài)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究新型最大葉片式攪拌槳，不但會(huì)消耗大量的時(shí)間和資金，很多混合參數(shù)也是無(wú)法直接測(cè)量的，而迅速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為解決這一問(wèn)題提供了有效的手段。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的不斷完善，利用計(jì)算流體力學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解成為可能。隨著其計(jì)算方法的日趨完善，以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，如今CFD技術(shù)早已超越了傳統(tǒng)的流體機(jī)械與流體工程等應(yīng)用范疇，被成功的應(yīng)用于如航空、航運(yùn)、環(huán)境、水利等各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[2]。目前，CFD可用于對(duì)毫升規(guī)模的絲狀微生物的培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬[3]；對(duì)靜電除塵器的粒子充電放電模擬[4]以及基于CFD的對(duì)離散空間濾波器的性能研究[5]等。在攪拌方面，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)于攪拌釜的模擬可以直觀的地反映出攪拌釜內(nèi)各處混合的效果，發(fā)現(xiàn)攪拌裝置中存在的問(wèn)題，對(duì)攪拌器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有重要意義。黃原膠是一種廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域的天然生物膠[6]。但因黃原膠發(fā)酵液在發(fā)酵過(guò)程中黏度變化較大，制約了整個(gè)發(fā)酵過(guò)程，從而很難實(shí)現(xiàn)黃原膠的理想高效規(guī)?；a(chǎn)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模擬方法

本文以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為基礎(chǔ)[7]，以1.0 %質(zhì)量分?jǐn)?shù)黃原膠溶液為研究體系，利用商業(yè)CFD軟件Fluent對(duì)新型最大葉片式攪拌槳進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。探究新型最大葉片式攪拌槳在黃原膠溶液中的攪拌性能。研究計(jì)算軟件為ANSYS FLUEN 14.5，使用64核服務(wù)器進(jìn)行并行計(jì)算(Parallel)。旋轉(zhuǎn)槳葉區(qū)域采用多重參考系法(MRF)[8-10]進(jìn)行處理，即將計(jì)算域分為動(dòng)、靜兩個(gè)區(qū)域，槳葉及附近流體設(shè)置為動(dòng)區(qū)域，動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體轉(zhuǎn)速與攪拌槳轉(zhuǎn)速相同；其余區(qū)域設(shè)置為靜區(qū)域，靜區(qū)域內(nèi)流體速度設(shè)置為零，動(dòng)、靜區(qū)域間通過(guò)交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。液面采用壓力出口邊界，槳葉和釜壁的均為無(wú)滑移壁面邊界，選用湍流模型RNG k-ε模型[11]計(jì)算，氣泡的處理方法采用群體平衡模型(PBM)。

1.2 攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

模擬使用的攪拌釜為上部設(shè)有四塊擋板的圓筒形橢圓封底敞口釜，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)黃原膠普遍使用大高徑比反應(yīng)釜，本研究為高徑比約為3∶1的大高徑比的工業(yè)規(guī)模(10 m3)機(jī)械攪拌釜。槳型為新型最大葉片式攪拌槳，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，尺寸如表1所示。

圖1 新型最大葉片式攪拌槳結(jié)構(gòu)圖 表1 攪拌釜及最新型最大葉片式攪拌槳尺寸

幾何參數(shù)尺寸數(shù)值幾何參數(shù)尺寸數(shù)值H/m4.00h3/m1.60T/m1.80r/m0.90h1/m0.45R/m1.25h2/m0.455

計(jì)算網(wǎng)格的合理設(shè)計(jì)和高質(zhì)量是CFD計(jì)算精確的前提條件。本模擬采用ANSYS嵌入的Meshing軟件對(duì)整個(gè)攪拌釜進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.005 m。為了提高計(jì)算精確度，對(duì)槳葉區(qū)和氣體分布環(huán)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。研究先對(duì)單相流體進(jìn)行計(jì)算，在單相計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上導(dǎo)入Euler-Euler模型。在氣泡處理方法方面，本模擬選用群體平衡模型(PBM)。PBM模型充分考慮了氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中聚并和破碎對(duì)氣泡尺寸分布的影響[12-14]，相對(duì)而言，比均一氣泡尺寸假設(shè)更符合實(shí)際。隨后，進(jìn)行氣-液兩相模擬計(jì)算。

2 結(jié)果分析與討論

模擬主要研究了在單位體積功耗Pv=1.1kW·m-3，攪拌轉(zhuǎn)速為42 r/min時(shí)，不同通氣量(0.76、0.82、0.88、0.94、0.99 vvm)對(duì)新型最大葉片式攪拌槳流體力學(xué)行為的影響。其中，主要考察了攪拌器在通氣后的單位體積功耗、氣含率、氣泡尺寸和氣液傳質(zhì)系數(shù)。

2.1 宏觀流動(dòng)場(chǎng)

新型最大葉片式槳攪拌的攪拌流場(chǎng)速度矢量圖如圖2所示。由圖可以看出，新型最大葉片式攪拌槳在攪拌過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)整體大循環(huán)，而在攪拌槳的底部和上部中會(huì)形成個(gè)較小循環(huán)，這與攪拌槳的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在槳葉區(qū)，流體由槳葉排出后沿?cái)嚢栎S向下運(yùn)動(dòng)至釜底后會(huì)沿釜壁向上運(yùn)動(dòng)形成整體循環(huán)；在擋板區(qū)，擋板的存在限制了流體的切向速度，使得大部分流體由擋板作用向攪拌軸方向運(yùn)動(dòng)，在攪拌軸處向下運(yùn)動(dòng)，最終返回到槳葉區(qū)完成一個(gè)整體循環(huán)。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，槳葉的排出性能增強(qiáng)，攪拌釜內(nèi)整體的液相速率增大，循環(huán)強(qiáng)度增大。

圖2 新型最大葉片式攪拌槳的速度矢量圖

2.2 單位體積功耗

攪拌過(guò)程的功率消耗是衡量攪拌器攪拌能力的重要參數(shù)[15]，它的大小反映了攪拌過(guò)程的能耗和經(jīng)濟(jì)成本。

(1)

其中，Pv為單位體積功耗，單位：W/m3；N為攪拌轉(zhuǎn)速，單位：r/s；M為攪拌扭矩，單位：N·m；V為攪拌釜體積，單位：m3。

由式(1)計(jì)算得到新型最大葉片式攪拌槳在相同轉(zhuǎn)速不同通氣量下的單位體積功耗曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知，通氣后，新型最大葉片式攪拌槳的單位體積功耗隨著通氣量的增加而減小，且其值小于通氣前的單位體積功耗1.1 kW·m-3。這是因?yàn)闅怏w的加入一方面降低了流體的表觀密度，減小了流體對(duì)槳葉的阻力，另一方面是槳葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)，在其背部會(huì)形成氣穴，而氣穴的存在會(huì)使槳葉旋轉(zhuǎn)阻力減小，從而進(jìn)一步降低了功耗。

圖3 新型最大葉片式攪拌槳單位體積功耗與不同通氣量的關(guān)系

2.3 氣含率

2.3.1 局部氣含率

氣含率是用來(lái)表征攪拌釜內(nèi)氣液分散特性的一種參數(shù)[16]，在相同轉(zhuǎn)速不同通氣量下，攪拌釜內(nèi)局部氣含率分布及其軸向分布隨通氣量的變化分別如圖4、5所示。

圖4 新型型最大葉片式攪拌槳局部氣含率分布云圖

圖5 新型最大葉片式攪拌槳局部氣含率軸向分布圖

由圖4、5可以看出，在相同攪拌轉(zhuǎn)速下，釜內(nèi)局部氣含率隨著通氣量的增大而增大。整體來(lái)看，釜內(nèi)上循環(huán)區(qū)的局部氣含率較大，其次是下循環(huán)區(qū)，葉輪區(qū)的局部氣含率相對(duì)較小。此模擬結(jié)果與Nienow等[17]的研究結(jié)果相符。

2.3.2 總體氣含率

總體氣含率是局部氣含率的綜合反映，它與流體性質(zhì)、攪拌設(shè)備及操作條件相關(guān)。本文是通過(guò)對(duì)全釜局部氣含率積分得到總體氣含率。

圖6 總體氣含率與通氣量的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6為在相同轉(zhuǎn)速下總體氣含率隨通氣量的變化曲線(xiàn)。由圖可以清楚地看出，總體氣含率隨著通氣量的增大而增大。此結(jié)果與局部氣含率的分析結(jié)果相同。

2.4 氣泡尺寸分布

本文采用PBM聚并模型，將釜內(nèi)氣泡尺寸分為5組。氣體進(jìn)口尺寸設(shè)置為2.52 mm和3.99 mm且氣體進(jìn)口分率分別設(shè)為0.5、0.5。新型最大葉片式攪拌槳?dú)馀莩叽绶植记闆r如圖7和圖8所示。

圖7 新型最大葉片式攪拌槳不同通氣量下釜內(nèi)的 氣泡尺寸分布

圖8 新型最大葉片式攪拌槳不同通氣量下釜內(nèi)的 氣泡尺寸分布

由圖7、8可以看出，在新型最大葉片式攪拌槳的攪拌作用下，釜內(nèi)氣泡尺寸隨著通氣量的增大而增大但分布較為均勻。小尺寸氣泡主要集中在攪拌器區(qū)域，攪拌軸區(qū)域以及釜壁區(qū)域。這是因?yàn)樵跀嚢杵鞲浇?，槳葉旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體的湍動(dòng)能大，剪切較強(qiáng)，氣泡發(fā)生破裂的可能性更大，氣泡尺寸較小。在槳葉排出流與壁面接觸的地方及附近區(qū)域，因流線(xiàn)發(fā)生強(qiáng)烈彎曲而存在大量攜帶高能量的湍流渦，這些區(qū)域破碎占主導(dǎo)作用，氣泡直徑相對(duì)較小。而在氣體分布器附近區(qū)域及擋板后的死區(qū)由于氣含率較高，增加了氣泡之間的相互碰撞發(fā)生聚并的幾率，因此，氣泡尺寸較大。

2.5 氣液傳質(zhì)系數(shù)

圖9 氣液傳質(zhì)系數(shù)有與通氣量的關(guān)系曲線(xiàn)

傳質(zhì)系數(shù)能反應(yīng)傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化程度，是度量相間傳質(zhì)過(guò)程快慢的重要參數(shù)。黃原膠溶液為高粘假塑性流體，氣液傳質(zhì)過(guò)程中主要受液膜控制，因此，在分析過(guò)程中忽略其氣膜傳質(zhì)阻力。

氣速是影響Kla 的重要因素。由圖9可以看出，氣液傳質(zhì)系數(shù)隨著通氣量的增大而增大。這是因?yàn)闅馑僭龃?，釜?nèi)氣含率增大，氣泡數(shù)量增多而導(dǎo)致氣-液相界面積增大，使氣液傳質(zhì)能力加強(qiáng)，Kla 的值增大。

3 結(jié)論

本節(jié)利用Fluent軟件，研究了在單位體積功耗1.1kW·m-3，攪拌轉(zhuǎn)速為42 r/min，不同通氣量下，新型最大葉片式攪拌器在攪拌釜內(nèi)氣液混合過(guò)程參數(shù)，直觀的給出了實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法給出的釜內(nèi)的局部信息，得出以下結(jié)論：

(1)新型最大葉片式攪拌槳在攪拌過(guò)程中形成一個(gè)大循環(huán)，且循環(huán)強(qiáng)度隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增加；

(2)通入氣體后，新型最大葉片式攪拌槳的單位體積功耗降低。且在相同轉(zhuǎn)速下，通氣量增加，攪拌器的單位體積功耗下降；

(3)在新型最大葉片式攪拌槳的作用下，釜內(nèi)上循環(huán)區(qū)的局部氣含率較大，其次是下循環(huán)區(qū)，葉輪區(qū)的局部氣含率相對(duì)較小。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著通氣量的增大而增大；

(4)在相同轉(zhuǎn)速下，釜內(nèi)氣含率、氣泡尺寸以及氣液傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)均隨著通氣量的增加而增大。

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