反應(yīng)釜攪拌性能有限元仿真分析CFD 輔助設(shè)計應(yīng)用

丁敬斌

（中際山河科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

引言

大型槽罐多采用機械攪拌來強化原料與溶液的混合，使原料在溶液中充分的被混合，并促進(jìn)其與化學(xué)藥劑的反應(yīng)，為后續(xù)工藝提供有利條件[1]。但是由于反應(yīng)槽罐容積龐大，原料與溶液的混合后容量很大，攪拌混合溶液消耗的功率相應(yīng)較大，攪拌軸及槳葉受力大且復(fù)雜，在傳統(tǒng)的設(shè)計中一般靠經(jīng)驗設(shè)計來確定反應(yīng)釜的各部位尺寸與形狀，致使設(shè)計中計算并不十分準(zhǔn)確，設(shè)備最終的實際效果也不太理想[2]。隨著計算機CFD 軟件的功能、算力越來越強，計算的準(zhǔn)確性已經(jīng)能夠滿足工程設(shè)計的需要，針對大型反應(yīng)釜反應(yīng)釜，利用CFD 軟件模擬反應(yīng)釜在工作狀態(tài)下槽內(nèi)溶液流場變化情況，分析介質(zhì)溶液中顆粒的分布情況，并得出運行過程中槳葉隨時間的受力曲線，計算出攪拌軸所受扭矩，為后續(xù)反應(yīng)釜的設(shè)計提供理論上的支撐[3]。

1 仿真基本介紹

此次仿真的對象為攪拌反應(yīng)釜，報告內(nèi)容如下。

1.1 仿真算法

采用有限速率反應(yīng)相方程為

式中，Mw，i為第i 中物質(zhì)的分子量，R^i，r為表示第i 種物質(zhì)在第r 個反應(yīng)中所產(chǎn)生/分解的速率。反應(yīng)發(fā)生的位置很可能在壁面連續(xù)相中?？紤]以如下形式寫出第r 個反應(yīng)

式中，系統(tǒng)中的N 為化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量，v'i，r為反應(yīng)物i的化學(xué)計量數(shù)，V"i，r為反應(yīng)物r 中生成物i 的化學(xué)計量數(shù)，Mi為第i 種物質(zhì)的符號，kf，r反應(yīng)r 的正向速率常數(shù)，kb，r反應(yīng)r 的逆向反應(yīng)速率常數(shù)；公式（2）適用于可逆和不可逆兩種反應(yīng)，而對于不可逆反應(yīng)，逆向速率常數(shù)忽略。反應(yīng)r 中物質(zhì)i 的產(chǎn)生/分解摩爾速度見公式（3）

式中，N 為反應(yīng)r 的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；Cj，r為反應(yīng)r 中每種反應(yīng)物或生成物j 的摩爾濃度；η'j，r為反應(yīng)r 中每種反應(yīng)物或者生成物j 的正向反應(yīng)速度指數(shù)；η"j，r表示反應(yīng)r 中每種反應(yīng)物或生成物j 的逆向反應(yīng)速度指數(shù)。其中Γ 表示第三體對反應(yīng)速率的凈影響，具體如下

式中，γj，r為第r 個反應(yīng)中第j 種物質(zhì)的第三體影響，如果是缺省狀態(tài)則不包括第三體影響，但如果有了這些數(shù)據(jù)時則可以包括它，反應(yīng)r 前向速率常數(shù)如下

式中，Ar為指數(shù)前因子，βr為溫度指數(shù)，Er為反應(yīng)活化能，RT 為氣體常數(shù)。當(dāng)反應(yīng)可逆時，逆向反應(yīng)常數(shù)如下

式中，Kr為平衡常數(shù)，如下

式中，patm為大氣壓強，函數(shù)中各指標(biāo)項表示自由能變化的幅度，各個部分的計算如下

式中，si和hi分別是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熵和焓。

1.2 仿真模型的建立

反應(yīng)釜內(nèi)徑16 m，高23 m，其中沿筒壁均布4塊17 800 mm×900 mm 的擋板，反應(yīng)釜豎直放置于反應(yīng)釜中心位置。具體參數(shù)見表1。

表1 仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 反應(yīng)釜三維模型

1.3 網(wǎng)格基本介紹

此次，采用的是多面體網(wǎng)格，反應(yīng)釜A 的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為1 693 044，反應(yīng)釜B 的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為9 616 344。A 總體網(wǎng)格見圖2，反應(yīng)釜局部網(wǎng)格見圖3。

圖2 A 總體網(wǎng)格

圖3 反應(yīng)釜局部網(wǎng)格

1.4 初始條件

反應(yīng)釜的初始物質(zhì)為兩相分別為Fe2（SO4）3和NH4HPO4，分布方式為混合分布，體積分?jǐn)?shù)分別為33.3%和66.6%，見圖4。

圖4 反應(yīng)釜A 初始顆粒分布

1.5 反應(yīng)條件

此反應(yīng)的化學(xué)方程為：

2 整個流場的分布情況

圖5 為反應(yīng)釜A 和反應(yīng)釜B 的流線情況，從流線結(jié)果來看，反應(yīng)釜的槳葉的攪拌情況良好，從圖5 中可以看出，反應(yīng)釜附近流場速度較大。離攪拌軸越遠(yuǎn)，速度隨之變小。并且大渦流主要出現(xiàn)在反應(yīng)釜的周圍和側(cè)上方的位置。上部的渦流較小，但是數(shù)量較多，中部呈上下貫通趨勢[4]。

圖5 反應(yīng)釜流線

圖6 為不同組分體積含量隨時間變化的圖像。從圖6 中可以看出，當(dāng)T=0 s 時，F(xiàn)e（SO4）3的摩爾質(zhì)量為38 立方左右，NH4H2PO4的摩爾質(zhì)量為78 立方左右。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e（SO4）3與NH4H2PO4的體積不斷減少，并且Fe（SO4）3比NH4H2PO4減少的速率慢。而生成物FePO4和NH4HSO4的體積逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到4 500 s 時，反應(yīng)物質(zhì)和生成物含量趨于平穩(wěn)。FePO4和NH4HSO4穩(wěn)定在48 立方左右，H2SO4穩(wěn)定在20 立方左右。

圖6 反應(yīng)物生成物含量情況

組分體積的時間上的微分見圖7，不難發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)的初始情況下反應(yīng)物的消失是劇烈的，分析認(rèn)為在反應(yīng)的初始階段反應(yīng)物占比較高，反應(yīng)劇烈，生成物生成的速度極快，一段時間之后，反應(yīng)物慢慢減少，反應(yīng)速率降低，直至反應(yīng)平穩(wěn)[5]。

圖7 各組分體積的時間上的微分

穩(wěn)定后各組分分布圖見圖8。

圖8 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

3 結(jié)果和分析建議

反應(yīng)釜在啟動過程中帶動反應(yīng)釜內(nèi)溶液由靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定流動狀態(tài)。期間，溶液中顆粒的分布由下至上逐漸減少，反應(yīng)釜內(nèi)的流場呈上下循環(huán)的狀態(tài)，底部槳葉的流量明顯大于上部槳葉。生成物FePO4和NH4HSO4的體積逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到4 500 s時，反應(yīng)物質(zhì)和生成物含量趨于平穩(wěn)，與實際工況符合度較高，對現(xiàn)場生產(chǎn)具有較強的指導(dǎo)價值。