幾種框式槳攪拌槽內(nèi)流動特性的比較研究

李文金，周勇軍，袁名岳，何華，孫建平

（1 南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇南京211816； 2 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院國家化工設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇蘇州215600）

引 言

攪拌反應(yīng)器是化學(xué)工程和生物工程中最常見也是最重要的單元設(shè)備之一，是反應(yīng)流體進(jìn)行質(zhì)量、動量和能量傳遞及化學(xué)反應(yīng)（“三傳一反”）的典型單元設(shè)備[1]，攪拌槳作為化學(xué)工程反應(yīng)器內(nèi)的核心部件，通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)來優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部流場可以強(qiáng)化釜內(nèi)流體流動[2]。傳統(tǒng)框式槳會導(dǎo)致物料在混合時存在混合不均勻以及局部過熱等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響反應(yīng)生成物的性能，造成生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)功耗高等諸多問題[3]。因此對該類攪拌槳進(jìn)行優(yōu)化，研究攪拌釜內(nèi)的流體流動，認(rèn)識其流場特性，對于該類攪拌設(shè)備及產(chǎn)品工藝的設(shè)計和優(yōu)化很有意義[4-6]。

框式組合槳上層的二折葉槳以軸流為主且能耗較低，其單獨(dú)工作時，整個流場流型以軸向循環(huán)流為主，常用于大葉徑、低轉(zhuǎn)速的高黏液體場合[7-11]，下層的框式槳通常應(yīng)用于低速場合，這種槳葉在槽內(nèi)以水平回轉(zhuǎn)流為主，其在槽壁附近的流速比較大[12-14]。這兩種槳葉的組合，在攪拌釜內(nèi)會優(yōu)勢互補(bǔ)，即在釜內(nèi)下半部保留傳統(tǒng)框式槳至槽壁附近流體水平環(huán)向流速大特點，同時通過二折葉槳槽內(nèi)軸向循環(huán)流為主的特點增大反應(yīng)釜流體軸向流動[15-16]。國內(nèi)對二折葉槳、傳統(tǒng)框式槳及其組合槳攪拌槽內(nèi)流場的研究，目前以模擬和二維PIV 研究為主[17-18]。隨著PIV 技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，PIV 技術(shù)已經(jīng)可以在同一瞬間記錄大范圍內(nèi)空間點上的速度分布信息，使其能夠顯示更加豐富流場形狀和流動特性[19-24]。

劉仁龍等[25]采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法對攪拌槽內(nèi)穿流-柔性組合槳的混沌混合特性進(jìn)行研究，穿流-柔性組合槳通過穿流孔與柔性部分的共同作用調(diào)控流場結(jié)構(gòu)，使流體混沌混合的效果更好；仝源等[26]開發(fā)了一種新型組合攪拌槳，研究了其混合性能并與傳統(tǒng)的組合槳進(jìn)行了對比，對內(nèi)外槳轉(zhuǎn)速最佳配比進(jìn)行實驗研究；梁千頃[27]通過實驗和數(shù)值模擬方法研究了改進(jìn)的偏框式槳內(nèi)外雙螺帶組合槳和變徑螺帶槳內(nèi)外雙螺帶組合槳兩種組合槳的功率消耗和混合性能，結(jié)果表明在相同的Reynolds數(shù)下，改進(jìn)型偏框式槳-內(nèi)外雙螺帶組合槳具有更好的混合性能，其底部流體速度高，而且比較均勻；周勇軍等[28]采用模擬和實驗驗證的方法對比了改進(jìn)型框式組合槳在上下層槳葉不同安裝角度下的攪拌槽內(nèi)流場，發(fā)現(xiàn)當(dāng)安裝角度為90°時，上層二斜葉槳的軸向流作用強(qiáng)度最大，槽內(nèi)流體的混合效果最好；孫會等[29]利用滑移網(wǎng)格法對雙層斜葉平槳、標(biāo)準(zhǔn)錨式槳和新型內(nèi)外組合槳產(chǎn)生的流場進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明新型內(nèi)外組合槳使得槽內(nèi)徑向流動和軸向流動得到了加強(qiáng)，并且改善了近壁區(qū)的流體流動；包雨云等[30]用實驗方法研究了流體介質(zhì)為羧甲基纖維素納（CMC）甘油水溶液的改進(jìn)型偏框組合槳、傳統(tǒng)框式槳、內(nèi)外螺帶-錨式組合槳攪拌槽中流場，在相同轉(zhuǎn)速下，改進(jìn)型偏框組合槳的徑向流效果最好，該組合槳的功率準(zhǔn)數(shù)也顯著降低；楊娟等[31]用實驗的方法比較了向心槳、Rushton槳、三斜葉槳分別作為上層槳的組合槳攪拌槽中微觀混合特性，發(fā)現(xiàn)高剪切的Rushton 槳與強(qiáng)循環(huán)的斜葉槳組合的雙層槳微觀混合效率最高。

綜上所述，目前對于二折葉槳與框式槳的組合槳攪拌槽內(nèi)流場的研究文獻(xiàn)較少。為解決部分化工生產(chǎn)過程中反應(yīng)器物料黏附、積存罐體的問題，開發(fā)了新型框式組合槳，對其在攪拌槽內(nèi)部流場特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)還未見報道，因此對傳統(tǒng)框式槳、傳統(tǒng)框式組合槳和新型框式組合槳進(jìn)行對比實驗研究，可為新型框式組合槳應(yīng)用于實際工程提供借鑒。

1 實驗裝置與方法

圖1 所示為激光照射時的透明儲水方槽，方槽為900 mm×900 mm×1000 mm的長方體，攪拌槽放在方槽中心，加入清水作為攪拌介質(zhì)，從底部緩慢注入清水以使立方體透明玻璃方槽和攪拌槽之間充滿水且液面高度和攪拌槽內(nèi)水面保持齊平，減少激光直接照射攪拌槽時在外壁上形成較強(qiáng)的反射光影響相機(jī)的圖像拍攝。同時為防止周邊反光的物體在拍攝圖片上形成較亮的光斑，對處理的數(shù)據(jù)造成誤差，用黑布遮蓋住激光發(fā)射和相機(jī)拍攝的對立面。激光照射的光線將攪拌槽中撒有示蹤粒子的流場照亮，在很短的時間間隔內(nèi)連續(xù)拍攝兩張粒子圖像，圖像處理算法會根據(jù)兩張粒子圖像得到粒子位移，根據(jù)兩張圖像的時間間隔和粒子位移，得到全場速度。

圖1 方型槽模型Fig.1 Square slot model

攪拌槽和系列框式槳的尺寸見圖2。實驗采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭和圓柱形透明有機(jī)玻璃組成的攪拌槽，直徑T 為430 mm，攪拌槽總高為H，上下層槳葉直徑分別為D1和D2，攪拌槽內(nèi)部無擋板，并且攪拌槽的中心位置為槳葉的安裝位置，其中底槳離槽底的距離為C1，兩層槳葉之間的距離為C2。

框式槳的底部刮板處為標(biāo)準(zhǔn)半橢圓，上層槳尺寸為D1和下層框式槳尺寸D2相同為330 mm，框式槳的高度d 為240 mm。其中框式組合槳的上部槳葉為二斜葉槳, 二折葉槳的葉片的傾斜角為45°。新型框式槳的下部有橢圓弧彎葉，中間的小槳葉為二斜葉槳，輪廓直徑為上層二斜葉槳的1/2。橢圓弧彎葉的高度d1=80 mm，小斜葉槳至框式槳底部距離d2=100 mm。上層槳葉片、框式槳立葉、橫梁葉以及橢圓彎葉寬度B=36 mm，主要參數(shù)如表1所示。

圖2 攪拌槽和槳葉結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.2 Structure and dimension of mixing tank and impellers

表1 攪拌槽及槳葉主要參數(shù)Table 1 Main operating parameters of stirred tank and impellers

圖3 為所研究的傳統(tǒng)框式槳、傳統(tǒng)框式組合槳和新型框式組合槳的結(jié)構(gòu)，采用2D-PIV 在工況C1=100 mm、C2=320 mm 及N=60 r/min 的情況下，研究不同攪拌器在攪拌槽內(nèi)的流動特性。實驗確定的坐標(biāo)原點為攪拌槽橢圓封頭的底部中心，沿攪拌軸中心與水平面垂直向上的方向規(guī)定為z軸正方向。

圖3 三種攪拌槳結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of three impellers

2 結(jié)果及討論

2.1 三種攪拌槳攪拌槽內(nèi)的速度分布

2.1.1 速度云圖 圖4 為傳統(tǒng)框式槳、傳統(tǒng)框式組合槳、新型框式組合槳在攪拌槽內(nèi)單獨(dú)工作時的速度云圖。

圖4（a）為單個框式槳攪拌槽內(nèi)速度云圖，可見框式槳立葉附近流體速度較大，而框式槳中間區(qū)域流體速度較低，幾乎不流動，存在大范圍的“流動死區(qū)”，框式槳橫梁附近速度較大，而槽內(nèi)上方流體存在較大范圍的低速區(qū)。整體反映了框式槳近壁流體流動充分，在其中間區(qū)域和上方存在較大低速區(qū)，混合均一性較差。

圖4（b）為傳統(tǒng)框式組合槳攪拌槽內(nèi)速度云圖，槽內(nèi)流體在下層框式槳周圍的流動和圖4（a）相似，而框式槳上方由于二折葉槳的作用使得低速區(qū)明顯縮小，表明二折葉槳加強(qiáng)了槽內(nèi)流體上下部的流動，從而更有利于槽內(nèi)反應(yīng)物的混合，從而縮短聚合物反應(yīng)時間。但在框式槳中間區(qū)域還是存在“流動死區(qū)”。

圖4（c）為新型框式組合槳攪拌槽內(nèi)速度云圖，相對于圖4（a）、（b）槽內(nèi)上方區(qū)域流體的速度變大，二折葉槳和新型框式槳中間部位的流體速度變化明顯；而框式槳中間部位的流體由于小斜葉槳的作用速度也發(fā)生了明顯的改變，從圖中可以看出二斜葉-新型框式組合槳解決了上述兩種槳葉存在的各種弊端，有效提高了攪拌槽內(nèi)流體的整體速度和槽內(nèi)反應(yīng)物的混合效率。

由圖相比于傳統(tǒng)框式槳框式組合槳的同一徑向位置上的速度更加均勻，新型框式組合槳的下部流體的軸向速度改變明顯。三種攪拌槳在r/R=0.90區(qū)域內(nèi)流體的軸向速度都是最大的，框式槳加強(qiáng)了攪拌槳與槽壁之間的流體速度，有利于攪拌槳的刮壁效果。框式組合槳解決了框式槳對于攪拌槽上部區(qū)域攪拌影響小的缺點，而新型框式組合槳的框式槳在中間區(qū)域的軸向速度明顯增加。

2.2 流線對比

圖6（a）為傳統(tǒng)框式槳攪拌槽內(nèi)的流型分布，在框式槳中間區(qū)域和立葉外側(cè)至槽壁面區(qū)域的流型均以水平為主，框式槳上部流體除平直葉上方形成了漩渦外其他區(qū)域流線整體為水平方向，反映了框式槳水平回環(huán)流為主的特點。

圖4 三種攪拌槳槽內(nèi)速度云圖Fig.4 Velocity contour in the mixing tank of three impellers

圖5 三種攪拌槳不同徑向位置軸向速度對比Fig.5 Comparison of axial velocities of three impellers in different radial positions

圖6（b）為傳統(tǒng)框式組合槳攪拌槽內(nèi)流型分布，在框式槳中心區(qū)域和立葉外側(cè)至槽壁的流線均以水平為主，框式槳上部區(qū)域整體流線具有明顯的向上的趨勢，特別是斜葉槳附近區(qū)域（z/H=0.7）的流線發(fā)生了明顯的變化，在r/R 為0.5 處形成了一個漩渦。上層二折葉槳的存在改變了傳統(tǒng)框式槳槽內(nèi)流線以水平為主的狀態(tài)，使框式槳上下部區(qū)域流體的流動得到加強(qiáng)，更加有利于攪拌槽內(nèi)流體的混合和熱量傳遞。

圖6（c）為新型框式組合槳攪拌槽內(nèi)流型分布，新型框式槳立葉外側(cè)至槽壁的流線均以水平為主，在槳中間區(qū)域由于斜葉槳的存在其上部和下部區(qū)域流線呈“V”字形流動，框式槳立葉區(qū)向下的流體流動更加強(qiáng)烈，表明這部分流體會向下流動沖擊槽體底部沉積的物料，向上流動的流體使框式槳底部和中間區(qū)域物質(zhì)和能量的交換得到加強(qiáng)。

2.3 湍動能

衡量流場湍動程度的指標(biāo)有湍動能、湍動能耗散率，其中湍動能已成為諸多學(xué)者研究流場能量變化的標(biāo)準(zhǔn)，流場的微觀變化情況與湍動能的變化息息相關(guān)。湍動能k的計算公式為[32]：

為研究三種槳葉攪拌槽內(nèi)的湍動能，將拍攝得到的槳葉與激光面重合位置時拍攝的所有圖片用tecplot 軟件進(jìn)行平均化處理，得到如圖7 所示的三種不同攪拌槳攪拌槽內(nèi)的湍動能云圖。

圖7（a）所示攪拌槽內(nèi)湍動能最大的地方為傳統(tǒng)框式槳的右頂角附近，這與圖6（a）所示區(qū)域的漩渦相關(guān)。整體上在整個框式槳附近的湍動能較大，充分反映了傳統(tǒng)框式槳槳葉至壁面之間流體流動速度較大的特點，而框式槳上部和中間區(qū)域的湍動能較小表明此區(qū)域內(nèi)的流動性比較差。圖7（b）所示攪拌槽內(nèi)組合槳槳葉附近的湍動能較大，由于二折葉槳的存在使得框式槳上部的區(qū)域的湍動能變大，說明此區(qū)域內(nèi)流體流動性變好。圖7（c）所示攪拌槽內(nèi)新型框式槳上部區(qū)域和框式槳中心區(qū)域湍動能相對于圖7（a）、（b）有明顯的增大，表明這兩個區(qū)域的流體混合更加充分，新型框式槳中間的小槳葉能較好地解決框式槳中間區(qū)域存在流動死區(qū)的問題，有利于攪拌槽內(nèi)流體的傳熱、傳質(zhì)。

圖6 三種攪拌槳攪拌槽內(nèi)流型Fig.6 Flow pattern in the mixing tank with different impellers

圖7 三種攪拌槳的湍動能云圖Fig.7 Turbulent energy cloud of three impellers

3 結(jié) 論

采用粒子圖像測速技術(shù)對傳統(tǒng)框式槳、傳統(tǒng)框式組合槳以及新型框式組合槳在相同工況下進(jìn)行實驗研究，考察了系列框式槳在攪拌槽內(nèi)的流動特性，得到如下主要結(jié)論。

（1）傳統(tǒng)框式槳攪拌槽內(nèi)，框式槳的立葉至槽壁面的區(qū)域流體流動較為充分，以水平環(huán)流為主，框式槳上方和框式槳中間區(qū)域流體流動不充分，存在較大的流動死區(qū)。

（2）在傳統(tǒng)框式組合槳攪拌槽內(nèi)框式槳上方，由于二折葉槳的軸向流作用使得上部流體流速變大，框式槳上下區(qū)域內(nèi)的流體流動明顯變大，加強(qiáng)了攪拌槽內(nèi)流體上下部的流動，從而更有利于槽內(nèi)反應(yīng)物的混合，但在框式槳中心區(qū)域依舊存在流動死區(qū)。

（3）新型框式組合槳攪拌槽內(nèi)流體低速區(qū)明顯減少，由于上層二折葉的作用，流體的軸向流得到加強(qiáng)，上下層槳葉間的連接流得到了加強(qiáng)，二折葉和框式槳中間部位的流體速度得到明顯改變，由于斜葉槳和框式槳彎葉的作用使框式槳中間部位的流體速度發(fā)生了明顯改變，框式槳立葉區(qū)向下的流體流動更加強(qiáng)烈，從而加強(qiáng)了框式槳底部和中間區(qū)域物質(zhì)和能量的交換。

符 號 說 明

C1——離底距離，mm

C2——兩槳間距離，mm

D1——頂槳尺寸，mm

D2——底槳尺寸，mm

d——框式槳高度，mm

d2——框式槳橢圓弧彎葉高度，mm

H——攪拌槽總高，mm

k——湍流動能，m2/s2

N——槳葉轉(zhuǎn)速，r/min

T——攪拌槽直徑，mm

u——軸向速度，m/s

Vtip——葉端線速度，m/s

v——軸向速度，m/s