基于CFD模擬的反應(yīng)釜攪拌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

羅煜樸，付紅紅

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201418）

攪拌反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中常用的裝置，其設(shè)計(jì)擁有較完整的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但針對(duì)特定工藝需求，仍需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量。裝置的攪拌與混合常借助容器中的旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)，為改善容器的傳質(zhì)速率和混合均勻性提供了可能。CFD(computational fluid dynamics)模擬分析常用來指導(dǎo)攪拌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[1-2]。紀(jì)俊紅等[3]運(yùn)用CFD方法對(duì)2種攪拌槳葉形的槽內(nèi)流場(chǎng)均勻性、攪拌成本等進(jìn)行對(duì)比,探討不同葉形對(duì)流場(chǎng)的影響。馬澤文等[4]對(duì)結(jié)晶攪拌反應(yīng)釜中單雙層槳葉攪拌效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明，雙層槳葉有效解決釜內(nèi)上下流場(chǎng)的速度不均，攪拌效果優(yōu)于單層攪拌槳。Hoseini.S等[5]對(duì)攪拌釜的葉輪形狀進(jìn)行優(yōu)化。采用CFD對(duì)3種葉輪的流動(dòng)模式、湍流參數(shù)和功耗進(jìn)行了數(shù)值研究。得出U型和V型葉輪功耗更低、釜內(nèi)攪拌效果更優(yōu)的結(jié)論。槳葉安裝尺寸等同樣影響釜內(nèi)攪拌效果。徐勝利等[6]基于CFD對(duì)攪拌器安裝尺寸的研究表明：攪拌器安裝高度過高，下部流場(chǎng)循環(huán)不利，湍流程度變低，混合效果差；攪拌器安裝高度過低，流體速度增加，但渦流消失，同樣不利于混合。周勇軍等[7]采用了PIV（particle image velocimetry）對(duì)槳葉安裝尺寸進(jìn)行研究，指出，槳葉離底間距過大會(huì)導(dǎo)致下層流體流動(dòng)情況變差，不利于底部物料混合；槳葉間距過大則不利于兩槳葉間流體混合。

除了攪拌器的旋轉(zhuǎn)部件，釜內(nèi)擋板[8-10]對(duì)攪拌性能也有重要影響。根據(jù)安裝位置不同，釜內(nèi)擋板分為2類：①垂直安裝于釜壁的壁擋板；②如底擋板、表面擋板等安裝在其他位置的特殊擋板。合理設(shè)置擋板，可將流體的切向流改為徑向和軸向流，產(chǎn)生渦流，增加流體的剪切強(qiáng)度，改善攪拌效果。周三平等[11]設(shè)計(jì)了一種新型擋板，他們將壁擋板分成兩塊，將其逆著流體旋轉(zhuǎn)方向傾斜。模擬結(jié)果顯示：新型擋板可提升釜內(nèi)混合效果，攪拌功率也降低。王星星等[12]進(jìn)行橢圓底封頭十字擋板釜內(nèi)流場(chǎng)研究。研究指出：底擋板更適合于搭配徑向流攪拌槳，利于上升流形成，防止物料堆積。

硬脂酸鈣反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)為熔融硬脂酸及氫氧化鈣顆粒，對(duì)混合效果要求較高。目前針對(duì)硬脂酸鈣生產(chǎn)工藝進(jìn)行的反應(yīng)釜攪拌結(jié)構(gòu)優(yōu)化較少，因此，針對(duì)特定生產(chǎn)工藝條件，進(jìn)行攪拌結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化，具有較高實(shí)用意義與迫切性。本文基于CFD對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行流場(chǎng)分析，分別針對(duì)擋板、槳葉及其安裝尺寸設(shè)置不同的對(duì)照模擬，通過分析釜內(nèi)流動(dòng)情況，對(duì)擋板、槳葉以及安裝尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 反應(yīng)釜內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

硬脂酸鈣反應(yīng)釜的初步設(shè)計(jì)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 150-2011《壓力容器》、化工行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20569-2013《機(jī)械攪拌設(shè)備》和HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》[13-15]。反應(yīng)釜初步結(jié)構(gòu)如圖1所示。筒體直徑為1 100 mm，下封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。釜內(nèi)采用雙層攪拌槳，槳徑均為600 mm，下層槳葉為三葉后彎攪拌器，上層槳葉為圓盤渦輪攪拌器。本文采用六弧葉圓盤渦輪、V型六直葉圓盤渦輪、V型六弧葉圓盤渦輪3種槳葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬比較。裝料液位高度參考實(shí)際裝料容積，最大取為筒體高度1 000 mm處。

圖1 硬脂酸鈣反應(yīng)釜示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram for the calcium stearate reactor（mm）

六弧葉圓盤渦輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。V型六直葉圓盤渦輪是對(duì)葉片進(jìn)行V型改造，以降低功耗，V型缺口底部寬度為35 mm，深度為27.5 mm，各倒角半徑均為2 mm。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。V型六弧葉圓盤渦輪的主體結(jié)構(gòu)與六弧葉圓盤渦輪相同，只在葉片上進(jìn)行與V六直葉相同的V型缺口改造。下槳葉采用三葉后彎槳葉，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 六弧葉圓盤渦輪結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.2 Schematic diagram for the structure of six-arc lobe disc turbine（mm）

圖3 V型六直葉圓盤渦輪結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.3 Schematic diagram for the structure of V-shaped six straight blade disc turbine（mm）

圖4 三葉后彎攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram for the structure of the three-blade back-bending mixer（mm）

對(duì)硬脂酸鈣的工藝生產(chǎn)，釜內(nèi)加設(shè)底擋板，可增加上升流，防止物料沉積。文章設(shè)置兩種壁擋板+底擋板構(gòu)成的組合擋板進(jìn)行模擬優(yōu)選，其中壁擋板分別選取傳統(tǒng)擋板與改進(jìn)型擋板，而底擋板均采用十字形擋板。壁擋板上端與裝料液面平齊，下端與內(nèi)筒體下封頭切線平齊。壁擋板與釜壁間隙2 mm，擋板寬度100 mm，高度1 000 mm，擋板厚度10 mm。底擋板長(zhǎng)度350 mm，高度100 mm，擋板兩端距容器中心及內(nèi)壁面均100 mm，輪廓與下封頭重合。壁擋板與底擋板在釜內(nèi)呈十字形均布。改進(jìn)型壁擋板是將傳統(tǒng)壁擋板從中間分開，逆流體方向傾斜15°。2種擋板的結(jié)構(gòu)見圖5。為優(yōu)化槳葉安裝尺寸，設(shè)置3組對(duì)照模擬。通過對(duì)槳葉間距及離底間距進(jìn)行調(diào)整，選出較優(yōu)的安裝尺寸。槳葉間距/離底間距3組對(duì)照組分別為：385mm、320 mm；385 mm、420 mm；485 mm、320 mm。

圖5 壁擋板結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.5 Structure schematic diagram for wall baffles（mm）

1.2 網(wǎng)格劃分與模擬參數(shù)設(shè)定

使用Workbench19.2創(chuàng)建流場(chǎng)分析項(xiàng)目，導(dǎo)入三維模型。采用自動(dòng)方法對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。分析區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)釜體內(nèi)部流體域，包括4個(gè)部分：釜體區(qū)域、上槳葉區(qū)域、下槳葉區(qū)域及攪拌軸區(qū)域。網(wǎng)格整體分為動(dòng)網(wǎng)格及靜網(wǎng)格2個(gè)區(qū)域?？紤]到局部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，針對(duì)釜體的區(qū)域擋板部分以及上下槳葉的槳葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格平均質(zhì)量控制在0.83以上，網(wǎng)格數(shù)控制在500萬～600萬，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 靜區(qū)域網(wǎng)格與動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格Fig.6 Static and dynamic area grids

湍流模型采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（shear stress transport，SST）模型，SST模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型相似，相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，改進(jìn)后在廣泛的流體域中有更高的精度與可信度。采用多重坐標(biāo)系方法進(jìn)行模擬，計(jì)算中網(wǎng)格不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，只是參考坐標(biāo)系發(fā)生轉(zhuǎn)換，對(duì)整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行時(shí)均處理，整個(gè)過程近似達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

模擬中，分別設(shè)置定子域與轉(zhuǎn)子域。轉(zhuǎn)子域轉(zhuǎn)速設(shè)定50 r/min。設(shè)置上液面為對(duì)稱面，釜壁、封頭、槳葉及擋板為無滑移壁面。將2轉(zhuǎn)子域及軸與流體域的交界面設(shè)置為Frozen Rotor類型。選擇與熔融的硬脂酸物性參數(shù)相近的Glycerol（C3H8O3）作為流體域介質(zhì)。設(shè)置求解精度為10-4，步長(zhǎng)10，動(dòng)量離散格式為高解析度，湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率的離散格式為一階。進(jìn)入CFX-Sovler進(jìn)行迭代計(jì)算，曲線收斂良好。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 擋板對(duì)流動(dòng)特性的影響

設(shè)置“傳統(tǒng)壁擋板+十字形底擋板”和“改進(jìn)壁擋板+十字形底擋板”2組對(duì)照，提取中截面速度矢量圖、速度云圖及釜內(nèi)流線圖進(jìn)行分析。觀察2組速度矢量圖如圖7所示。

圖7 不同壁擋板反應(yīng)釜中截面速度矢量圖Fig.7 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different wall baffles

采用傳統(tǒng)壁擋板時(shí)，兩槳葉上、下兩側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流，兩槳葉間流體域靠近攪拌軸側(cè)有明顯且連續(xù)的上升流。上槳葉與壁擋板干涉良好，在流體域交界處速度最大。采用改進(jìn)壁擋板時(shí)，在擋板分界處得到流速更高的渦流，與上槳葉形成良好的干涉，改善了局部的流體流動(dòng)，但兩槳葉間無連續(xù)的上升流，整體上升流不明顯。

不同壁擋板反應(yīng)釜中截面速度分布云圖如圖8所示。由圖8可見，采用傳統(tǒng)壁擋板時(shí)，釜內(nèi)整體速度分布較為均勻，兩槳葉附近流體流速較高，隨著距離增加，流速并未明顯變小，在流體域末端無明顯流動(dòng)死角。而采用改進(jìn)壁擋板改善了槳葉上下兩側(cè)的渦流流速，使其流速更快，增強(qiáng)了局部攪拌效果，但在流體域的邊界部分流速過低，一定程度上造成了區(qū)域流動(dòng)死角。

圖8 不同壁擋板反應(yīng)釜中截面速度云圖Fig. 8 Cross-sectional velocity cloud in the reactorwith different wall baffles

不同壁擋板反應(yīng)釜速度流線圖如圖9所示。采用傳統(tǒng)壁擋板的流場(chǎng)整體分為2部分，下半部流體流動(dòng)整體性較高，上升流趨勢(shì)明顯。上半部分和上槳葉產(chǎn)生良好交互，流動(dòng)情況較好。新型壁擋板的流場(chǎng)大致分為上中下3個(gè)部分，每個(gè)部分中分別存在良好的循環(huán)流動(dòng)，但各部分流動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，無明顯的跨域上升流，整體性較差。基于工藝過程中攪拌介質(zhì)中存在氫氧化鈣固體，上升流不明顯會(huì)導(dǎo)致物料沉積，降低反應(yīng)效率，對(duì)生產(chǎn)造成不利影響。改進(jìn)壁擋板雖然局部流動(dòng)情況優(yōu)于傳統(tǒng)壁擋板，但各流體域相對(duì)獨(dú)立，整體傳質(zhì)效果差；傳統(tǒng)壁擋板攪拌釜下半部流動(dòng)情況更為整體，上升流明顯，有利于提高攪拌效率。

圖9 不同壁擋板反應(yīng)釜速度流線圖Fig. 9 Velocity streamline in the reactor with different wall baffles

2.2 上槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)特性的影響

反應(yīng)釜采用雙槳葉結(jié)構(gòu)，下槳葉為三葉后彎攪拌器，上槳葉分別選取六弧葉圓盤渦輪、V型六直葉圓盤渦輪、V型六弧葉圓盤渦輪。上下兩槳間距為385 mm，離底間距為320 mm。

不同上槳葉反應(yīng)釜中截面速度矢量圖如圖10所示。由圖10可知，三組模擬最大速度均在流體域交界處，槳葉兩側(cè)均產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流。但V型六弧葉圓盤渦輪在遠(yuǎn)離槳葉的區(qū)域流速明顯較另外兩組低,流動(dòng)特性較差。而通過圖10（a）和（b）的局部放大圖又看出，六弧葉圓盤渦輪相比V型六直葉圓盤渦輪，靠近軸側(cè)的上升流表現(xiàn)的更為密集連續(xù)。

圖10 不同上槳葉反應(yīng)釜中截面速度矢量圖Fig. 10 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different upper blades

不同上槳葉反應(yīng)釜中截面速度云圖如圖11所示。六弧葉圓盤渦輪時(shí)，釜內(nèi)整體速度分布較均勻，兩槳葉附近流速較高，符合圓盤渦輪攪拌器的流動(dòng)模式，隨著距離增加，流速并未明顯變小，在流體域末端并未出現(xiàn)明顯流動(dòng)死角。而V型六直葉圓盤渦輪，在上槳葉上端靠近攪拌軸側(cè)流體域流體流速明顯較慢。特別是V型六弧葉圓盤渦輪時(shí)，在遠(yuǎn)離兩槳葉的釜上部及底部流體流速逐漸降低，在最頂部及最底部形成較大流動(dòng)死區(qū)，流場(chǎng)效果不佳。

圖11 不同上槳葉反應(yīng)釜中截面速度云圖Fig.11 Cross-sectional velocity cloud in the reactor with different upper blades

由圖12可見，六弧葉圓盤渦輪，下半部流體流動(dòng)整體性較高，上升流趨勢(shì)明顯。上半部分也和上槳葉產(chǎn)生良好交互，流動(dòng)情況較好。V型六直葉圓盤渦輪，釜內(nèi)流體域大致分為上中下3個(gè)部分，中下部分流體域未見明顯的連續(xù)上升流，中上流體域相對(duì)獨(dú)立，且可以觀察到在流體域邊界流動(dòng)情況略差。而V型六弧葉圓盤渦輪，釜內(nèi)流場(chǎng)主要分為上槳葉以上及以下兩個(gè)流體域，流體流動(dòng)的區(qū)域整體性一般，特別在遠(yuǎn)離槳葉部分的流體域流速過低，無法形成良好的循環(huán)流動(dòng)。考慮到反應(yīng)中無上升流或上升流不強(qiáng)則會(huì)導(dǎo)致固相堆積，影響反應(yīng)效率及質(zhì)量，六弧葉圓盤渦輪攪拌效果更優(yōu)。

圖12 不同上槳葉反應(yīng)釜速度流線圖Fig.12 Velocity streamline in the reactor with different upper blades

2.3 安裝尺寸對(duì)流動(dòng)特性的影響

安裝尺寸模擬優(yōu)化時(shí)，釜內(nèi)加載了傳統(tǒng)壁擋板+十字形擋板的擋板組合及三葉后彎-六弧葉圓盤渦輪組合槳。模擬中改變槳葉間距和離底間距（記作：槳葉間距/離底間距，mm）。兩槳葉間距尺寸分別取385 mm和485 mm，離底間距尺寸分別取320 mm和420 mm。安裝尺寸對(duì)照組的模擬結(jié)果見圖13～15。

圖13 不同安裝尺寸下反應(yīng)釜中截面速度矢量圖（槳間距/離底間距）Fig.13 Cross-sectional velocity vector diagram in the reactor with different installation dimensions

圖14 不同安裝尺寸下反應(yīng)釜中截面速度云圖（槳間距/離底間距）Fig.14 Cross-sectional velocity cloud in the reactor with different installation dimensions

圖15 不同安裝尺寸下反應(yīng)釜速度流線圖（槳間距/離底間距）Fig.15 Velocity streamline in the reactorwith different installation dimensions

由圖13～15可見，槳葉間距/離底間距安裝尺寸采用385 mm/320 mm時(shí)，兩槳葉上、下兩側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流，靠近攪拌軸側(cè)上升流明顯。釜內(nèi)整體速度分布均勻，兩槳葉附近流體流速高，流體域末端無明顯流動(dòng)死角。當(dāng)槳葉間距保持不變，而離底間距安裝尺寸增大為420 mm時(shí)，反應(yīng)釜底部流體流速降低，上升流不夠強(qiáng)，易導(dǎo)致物料沉積。當(dāng)槳葉間距增大到485 mm，而離底間距保持320 mm時(shí)，總體流型與385 mm/320 mm類似，但兩槳葉間距增大，兩槳葉的互相干涉變?nèi)酰瑯~間的上升流減弱，整個(gè)流體域很明顯的分為上中下3個(gè)區(qū)，各區(qū)相互獨(dú)立，影響傳質(zhì)效果。當(dāng)槳葉間距為385 mm，離底間距為320 mm時(shí)，即兩槳葉間距與攪拌釜內(nèi)徑的比為0.35，下槳葉離底間距與攪拌釜內(nèi)徑的比為0.29時(shí)，釜內(nèi)流動(dòng)效果較好。

3 結(jié)語

本文采用CFD對(duì)硬脂酸鈣反應(yīng)釜擋板、槳葉類型及安裝尺寸進(jìn)行了模擬，通過對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的分析比較，得到以下結(jié)論：

(1)壁擋板與底擋板構(gòu)成的組合擋板可改善釜內(nèi)的流動(dòng)特性。傳統(tǒng)壁擋板比改進(jìn)壁擋板表現(xiàn)出更強(qiáng)的釜內(nèi)連續(xù)上升流，可避免物料沉積，更利于充分反應(yīng)。

(2)六弧葉圓盤渦輪-三葉后彎組合槳時(shí)，上槳葉與擋板互動(dòng)最佳，釜內(nèi)整體流動(dòng)最均勻，上升流也最明顯。

(3)離底間距過大會(huì)導(dǎo)致底部上升流弱化，物料沉積；槳葉間距過大會(huì)導(dǎo)致兩槳葉互動(dòng)較差，無明顯的貫通上升流，影響釜內(nèi)反應(yīng)效率。本文優(yōu)化的安裝尺寸為，槳葉間距385 mm，離底間距320 mm。

以上結(jié)果為反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)與選型提供了數(shù)值依據(jù)，并為反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。