新型葉片式攪拌器用于工業規模反應器氣液混合特性的數值模擬

牟鈞

摘要：新型葉片式攪拌器在工業規模反應器中的氣液混合特性的研究主要采用了CFD技術，通過對反應器氣液混合特性的功率特點，剪切能力等流體動力性能進行了檢驗，檢驗結果顯示新型的葉片式攪拌器在工業規模運用中，當攪拌器的轉速不斷加大時，新型葉片式攪拌器的功率消耗也隨之上升，與之相反的，攪拌器的轉速越高，死區分率就會越來越小。在雷諾數不斷加大時，剪切的平均速度就隨之變大。

關鍵詞：新型葉片式攪拌器;混合特性;工業規模;數值模擬

中圖分類號：TQ051.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1578（2019）07-0271-02

作為化工學專業的一個關鍵單元操作，攪拌操作中攪拌器的類型對攪拌混合結果的影響是很大的。新型的葉片式攪拌器的結構與其他攪拌器不同，新型葉片式攪拌器葉片變為了現在多報道的天平樣子的葉片，隨著攪拌器結構的改進，攪拌器的的攪拌效果也得到了一定程度的優化。新型葉片式攪拌器與傳統葉片式攪拌器相比，新型葉片式攪拌器結構中上邊的葉片頂端較窄，葉片外觀更像一個梯形。目前許多研究人員為了對葉片式攪拌器進行研究，采用了數值模擬的方法，通過對流暢分布以及氣液混合特性的調查。這篇文章通過CFD法對一定工業規模的新型葉片式攪拌器進行數值模擬，對模擬過程中的數據進行考察，記錄器流暢與功率的變化特點。

1.計算條件

本次數值模擬采用的介質是1.0wt%的黃原膠溶液，并且使用MRF法，在操作時把反應器分成動態區域與靜態區域兩部分，動態區域包括新型葉片式攪拌器的葉輪以及旁邊的流體區域，除此之外的區域設置為靜態區域，本次模擬實驗主要參考張敏革先生的研究方法。

2.計算模型

2.1 流體力學控制方程

新型葉片式攪拌器在工作時控制攪拌體積的主要是使用ANSYS CFD求解器，利用有限元求解法。整個數值模擬實驗過程受控于能量守恒定律等眾多守恒定律公式。通過把偏微分方程進行轉化，使之變成代數方程組。

2.2 攪拌器的結構和網絡劃分

本次對葉片式攪拌器用于工業規模反應器氣液混合特性的CFD數值模擬的攪拌器模型使用的是新型葉片式攪拌器，新型葉片式攪拌器的結構外形整體類似一個柵欄，頂自中間向上逐漸變窄，輪廓成梯形狀，中間向下輪廓為矩形。攪拌器詳細長寬高度如下：葉片半徑--1.2米、釜徑—1.6米、裝置流體液的高—4.8米。采用非結構化四面體形式的網格，對新型葉片式攪拌器中葉輪附近進行加密網格措施，并且網格最小不小于三毫米，最高不高于兩厘米。

3.結果及討論

3.1 功耗及死區分率

我們通過了解相關書籍知識可以知道，死區也叫PWM，打個比方，在一些電氣試驗元件中，人關上班橋關閉斷開后，都會在一段時間過后再通開下半橋，反之也是，死區就是這段中間延遲的這部分時間。在這次新型葉片式攪拌器用于工業規模反應器氣液混合特性的CFD模擬中，我們可以把反應器的內液相速率比葉片端部速率的0.1還低的部門區域作為死區，我們可以利用死區分率作為對攪拌器混合性能的表現。由于攪拌功率消耗狀況與其所需要大量的資金支持，因此我們可以通過新型葉片式攪拌器在本次工業規模反應器氣液混合特性的數值模擬中的攪拌功耗作為評定攪拌器合理與否的關鍵要素，在進行功率的計算時，我們可以使用P=2IINM作為功率的計算公式。通過不斷地模擬數值計算，我們可以得知新型葉片式攪拌器的攪拌功率曲線呈上升趨勢。新型葉片式攪拌器的葉片轉動速度變化時，新型葉片式攪拌器的介質，也就是黃原膠溶液的功耗同死區分率也有一定程度的關聯。再葉片轉動速度上升的情況下，新型葉片式攪拌器每單位體積所消耗的功率成同增關系，轉動速度小于每分鐘85轉時，單位體積的功率消耗會隨著轉動的速度增加慢慢升高，新型葉片式攪拌器的攪拌軸為了力矩在極高速度下轉動時會導致相當大的功率損耗，同此相比，流體的粘性阻力反而顯得沒那么主要。同時我們還可以根據數值模擬得出死區的分率在新型葉片式攪拌器轉動速度升高時迅速下降，在達到極點后再逐漸平緩。

3.2 攪拌流場的速度矢量分布

新型葉片式攪拌器在其設計以及造型構造階段時，最主要考慮的時其攪拌流場，新型葉片式攪拌器的速度矢量分布于葉片的轉動速度相關，假設轉動速度時每分鐘50轉時攪拌流場的速度矢量分布大致如圖左，假設轉動速度為每分鐘150轉時攪拌流場的速度矢量分布大致如圖右。新型葉片式攪拌器所形成的全釜大循環，基本與我們所考察的文章書籍相差無幾，當新型葉片式攪拌器的葉片轉動速度較低時，由于流體自攪拌器的下端流出時碰到釜壁遇到阻礙，就會因此分成兩段，自左右兩邊，順著釜壁，一邊向上方流動的同時，另一邊也會順著釜壁向下，并且在底部形成分層現象，因此會導致一個小型的循環出現在柵欄于葉輪的銜接之處。

3.3 攪拌器的剪切性能

作為評價攪拌器混合特性的一個關鍵因素，新型葉片式攪拌器的剪切性能也是我們所需要關注的一個要點，對新型葉片式攪拌器剪切性能就有很大程度影響的是攪拌器距離底部的距離，新型葉片式攪拌器的剪切速率會伴隨著Re n的升高而升高。

4.結語

我們通過利用Fluent軟件，通過對新型葉片式攪拌器在工業規模反應器氣液的混合特性的數值模擬中，通過反應器氣液混合特性的功率特點，剪切能力等流體動力性能進行了檢驗，再通過對數值模擬研究的實際情況，我們主要得出了三點結論。（1）首先新型葉片式攪拌器的，轉動速度小于每分鐘85轉時，單位體積的功率消耗會隨著轉動的速度增加慢慢升高，此時所消耗的功率主要用途時為了減少液體本身存在的粘性對其流動所造成的阻力，當轉動速度超過每分鐘85轉時，功率消耗的主要用途就會變為為攪拌軸所提供的力矩。（2）第二點就是新型葉片式攪拌器會由于流體自攪拌器的下端流出時碰到釜壁遇到阻礙形成釜壁大循環，并且其面積會隨著主循環的而變大。（3）最后一點就是新型葉片式攪拌器會由于攪拌器的轉動速度的不斷增加而顯著的加大了整體的剪切速率，而新型攪拌器的剪切區域主要聚集在攪拌器底端的葉片附近。

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