隨著(zhù)工業(yè)規模的不斷擴大,導致如今攪拌反應器的高徑比也越來(lái)越大,單層槳難以滿(mǎn)足氣體分散性好、全罐混合均勻、氣泡停留時(shí)間長(cháng)、傳質(zhì)系數高等要求,因此配置多層攪拌槳得到廣泛的應用。
全國咨詢(xún)熱線(xiàn):0534-8150150
技術(shù)支持
當前位置:首頁(yè) >> 技術(shù)支持 >> 攪拌槳層間距對攪拌釜內流體特性的影響研究攪拌反應器廣泛應用在化工、制藥、廢水處理等工業(yè)領(lǐng)域中。隨著(zhù)工業(yè)規模的不斷擴大,導致如今攪拌反應器的高徑比也越來(lái)越大,單層槳難以滿(mǎn)足氣體分散性好、全罐混合均勻、氣泡停留時(shí)間長(cháng)、傳質(zhì)系數高等要求,因此配置多層攪拌槳得到廣泛的應用。采用組合槳比單層槳有更好的氣液分散效果與更高的混合效率,但組合槳攪拌反應器內部流場(chǎng)復雜性要遠遠大于單層槳。隨著(zhù)計算機技術(shù)的推廣普及與計算方法的新發(fā)展,計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)得到越來(lái)越多的應用。通過(guò)CFD對攪拌反應器內部流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬,可以模擬出不同操作條件下攪拌反應器內流體的流動(dòng)特性。
攪拌反應器由透明有機玻璃制作,其中筒徑T=380mm,高H=1000mm,液面高度h1=845mm,攪拌槳直徑d1=200mm,軸徑d2=30mm,下層攪拌槳距反應器底部h2=95mm,雙層組合槳層間距分為低位C1=200mm,中位C2=400mm,高位C3=60s0mm,攪拌槳轉速為100r/min。
將三維模型按1:1與實(shí)驗用攪拌反應器進(jìn)行建模。建模時(shí),將動(dòng)(攪拌槳)、靜(釜體)區域分開(kāi)建模,之后再進(jìn)行裝配組合。由于本文對雙層攪拌槳層間距進(jìn)行研究,因此需將動(dòng)區域間距按低位、中位、高位做出調整,如上圖所示。
本文采用CFD前處理軟件GAMBIT對此攪拌反應器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將槳葉區設置為動(dòng)區域,其余部分為流體靜區域,其中動(dòng)區域和靜區域邊界層通過(guò)interface面進(jìn)行耦合。該攪拌反應器內部設置雙層攪拌槳。由于本文對雙層攪拌槳層間距進(jìn)行研究,因此需對該模型按攪拌槳層間距低、中、高位三種情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終得到三種槳型網(wǎng)格模型的總網(wǎng)格數分別為:526142、639482、607065。如下圖所示為網(wǎng)格質(zhì)量檢查截面圖。
設置兩個(gè)攪拌漿區域為動(dòng)區域,其余部分為靜區域。將動(dòng)區域與靜區域的交界面定義為滑移面,邊界條件設置為interface,通過(guò)interface與靜區域耦合,共設置6對interface面。將雙層攪拌槳和攪拌軸的面設置為Moving Wall,在GAMBIT中定義為無(wú)滑移固壁,記為攪拌轉動(dòng)面。
本文借助FLUENT軟件對攪拌反應器進(jìn)行求解,多相流模型采用流體體積(VOF)模型。設置動(dòng)區域為Mesh Motion,設定實(shí)驗的轉速值為100r/min,并設置攪拌轉動(dòng)面隨其所在區域轉動(dòng),相對速度為0。速度壓力耦合方式選用Phase coupled SIMPLE算法。殘差監視器收斂精度設置為10-3。
本文中仿真結果基于瞬態(tài)方法進(jìn)行模擬。設定攪拌轉速為100 r/min,攪拌器轉動(dòng)一周需0.6 s,記為周期T=0.6s。此次仿真模擬結果分析按攪拌槳層間距的低、中、高位三種情況在50T時(shí)的結果進(jìn)行對比分析,因為在模擬至50T時(shí)刻后反應器內流場(chǎng)特性已基本趨于穩定。本文所要分析的模擬結果主要有速度云圖、流場(chǎng)跡線(xiàn)圖和氣液兩相圖。
圖分別表示上層攪拌槳在低位、中位和高位三種不同層間距下的速度場(chǎng)分布情況。通過(guò)在不同層間距下流場(chǎng)速度對比來(lái)看,上面一層攪拌槳形成軸向流動(dòng),最下面一層攪拌槳形成徑向流動(dòng)。在每種情況下速度影響區主要集中在攪拌槳周?chē)?,遠離攪拌槳區域速度相對較小,并且攪拌反應釜底部流場(chǎng)速度較低,形成一個(gè)低流速區。隨著(zhù)時(shí)間的推移速度場(chǎng)影響區由攪拌槳向外逐漸擴大。上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個(gè)循環(huán)流場(chǎng)。由下圖(a)、(b)看出在上層槳低、高位安裝時(shí)由于層間距相對過(guò)小或過(guò)大,攪拌反應釜內速度分布不均勻,不能較好的形成循環(huán)流場(chǎng)。相比而言,中位安裝時(shí)效果較好。
圖5為攪拌槳在不同層間距條件下反應釜內流場(chǎng)矢量圖。反應釜內液體在雙層槳葉區作環(huán)流上升運動(dòng)其中也包括了較少的環(huán)流下降運動(dòng),并且在槳葉區運動(dòng)比較強烈。由圖5(a)、(b)、(c)可以看出最下方槳葉區液體的環(huán)流下降運動(dòng)較為強烈,這是由于最下方槳葉區沒(méi)有受到其他槳葉區產(chǎn)生的環(huán)流上升作用的影響。最上方槳葉區的液體通過(guò)環(huán)流上升到達液面后向心部流動(dòng),繼而沿攪拌軸向下返回槳葉區,這就造成了氣液兩相分界面出現中心下凹、四周上升的錐形的現象,其中以攪拌槳高位安裝時(shí)最為明顯。
由矢量圖可以清晰直觀(guān)的看到反應釜內流場(chǎng)流體運動(dòng)規律:上層攪拌槳主要引起反應釜內流體軸向流動(dòng),下層攪拌槳主要引起徑向流動(dòng)。由下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流到達反應釜內壁時(shí)與之發(fā)生碰撞并分成兩股,一部分流體沿內壁向上并且受上面兩層攪拌槳的擾動(dòng)影響繼續參與到軸向流運動(dòng)中;另一部分流體沿內壁向下流動(dòng),當到達反應釜底部時(shí)與之發(fā)生二次碰撞后返回向上流動(dòng),當到達下層攪拌槳的擾動(dòng)區域后受其影響繼續參與徑向流動(dòng),與速度云圖模擬結果相一致。
下圖分別為不同層間距下的流場(chǎng)湍動(dòng)能變化分布圖。由圖可以看出,槳葉周邊區域k值最大,沿槳葉區域向外逐漸減小,在液面處和反應器底部k值最小,說(shuō)明湍流動(dòng)能主要產(chǎn)生于槳葉周邊區域,這些區域湍動(dòng)程度比較高,混合效果比較好。由圖還可以看出,在上層攪拌槳處于低位、高位情況時(shí),湍動(dòng)能分布明顯不均勻,上層攪拌槳湍動(dòng)能相對較大,會(huì )使內部液相晃動(dòng)加劇。當攪拌槳處于中位時(shí),反應器內部湍動(dòng)能分布相對均勻,說(shuō)明此種情況下,混合效果最好。
本文也對攪拌槳層間距低位、中位、高位三種情況下的攪拌功率進(jìn)行模擬研究與實(shí)驗驗證。
由于該實(shí)驗裝置采集到的為轉速與扭矩值,需換算成功率值,其計算方法見(jiàn)公式(1)。
P=T*n*2π/60 ? ? ? ?(1)
式中T為扭矩值(Nm);n為轉速值(r/min)。
此次仿真結果基于瞬態(tài)模擬方法。設定液面高度845mm保持不變,三種情況下設定攪拌轉速均為100r/min,當攪拌穩定后通過(guò)后處理軟件CFD-POST查看計算結果。
如表1所示,為數值模擬與測試實(shí)驗攪拌穩定后扭矩值、功率值隨轉速(設定為100r/min)的變化與數值模擬、實(shí)驗測試兩者的誤差。
從表1中可以看出此次實(shí)驗的最大誤差為6.4%,說(shuō)明數值模擬結果與實(shí)驗測試結果基本吻合,且在實(shí)驗的過(guò)程中,機械加工精度與安裝精度沒(méi)有考慮;仿真與建模過(guò)程中對結果影響較小的螺栓螺母等結構也忽略不計,也是造成試驗和仿真存在偏差的原因。由實(shí)驗結果看出,可以采用數值模擬的方法為此類(lèi)攪拌反應器的驅動(dòng)電機功率選型提供依據。
本文應用VOF多相流模型與帶旋流修正的k-ε模型對攪拌反應器內部流場(chǎng)特性進(jìn)行數值模擬。將計算結果與實(shí)驗結果進(jìn)行對比得到以下結論:
(1)上層六斜葉型攪拌槳形成軸向流動(dòng),下層新型三箭葉型攪拌槳形成徑向流動(dòng);上層攪拌槳產(chǎn)生的軸向流和下層攪拌槳產(chǎn)生的徑向流融合并在攪拌反應釜內形成一個(gè)循環(huán)流場(chǎng);上層攪拌槳中位安裝時(shí)可以較好形成循環(huán)流場(chǎng)且反應器內部液相運動(dòng)平穩具有更好的攪拌效果。
(2)在對攪拌槳不同層間距對驅動(dòng)功率的影響中發(fā)現,攪拌槳在高位安裝時(shí)的驅動(dòng)功率最??;且采用實(shí)驗法和數值模擬方法得到的攪拌器驅動(dòng)功率最大誤差為6.4%。
實(shí)驗結果表明,使用CFD模擬結果與實(shí)驗測試結果吻合較好,驗證了CFD數值模擬的可行性,并為該類(lèi)攪拌反應器的設計、放大及結構優(yōu)化提高生產(chǎn)效率方面提供技術(shù)支持與理論依據。
了解更多,歡迎撥打我們的服務(wù)熱線(xiàn):400-998-7008
山東川大機械設備有限公司
地址:山東省德州市平原縣經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區民生北路
網(wǎng)址:http://wap.mutecd.com/