基于CFD仿真分析的搅拌反应釜混合特性研究

张 仂

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

搅拌是一种常用的化工单元操作，广泛应用于化工、医药、生物等行业。在盐行业，桨叶式搅拌釜是常用的一种反应器。在搅拌釜结构布置方案不合理的情况下，往往会引起搅拌不均匀、搅拌死区等问题，从而导致系统的搅拌效率不高，影响反应进程。

随着计算流体力学(CFD)技术的迅速发展，通过CFD方法对复杂流场进行仿真分析成为可能。对于搅拌反应釜这样的复杂结构，很难采用传统流体力学手段获得其内部流场信息，而CFD仿真方法很大程度上弥补了测试手段有限的不足[1-3]。为此，利用CFD仿真分析方法对两种桨叶反应搅拌釜器进行了仿真分析，比较了不同搅拌速率和不同桨叶布置下的搅拌效果，为类似结构的反应搅拌釜设计提供了一定的理论依据。

2 反应釜几何模型

图1为某反应反应釜外形结构及内部搅拌器结构。搅拌器分别采用是3层桨和2层桨。搅拌釜内径1 800 mm，直筒高度5 450 mm，挡板四块均布，宽度360 mm，搅拌器直径950 mm。

图1 某反应反应釜外形及搅拌器结构Fig.1 The shape and agitator structure of a reactor

3 数学模型及边界条件

3.1 数学模型

反应釜中的介质为浓盐水，在桨叶的搅拌下，反应釜中的流动过程可以假定为三维不可压缩的黏性湍流流动。需用连续性方程、动量守恒方程、标准k-ε湍流模型[4-5]等控制方程对问题进行求解。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

湍动动能k输运方程：

(3)

湍动耗散率ε输运方程：

(4)

式(1)～式(4)中，i,j=1,2,3；u为介质的流动速度;p为介质压力；t为时间；μ为介质黏度；δij为Kronecker算子；k为流体的湍动强度；ε为流体的湍动耗散率；μeff为湍流黏度；YM为湍流膨胀耗散相；Gk为与平均速度梯度有关的湍动动能生成项，Gb为与浮力有关的湍动动能生成项。k-ε方程中的其它参数分别为：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1，σε=1.3。

壁面区域采用标准壁面函数进行处理。上述控制方程采用二阶迎风格式进行离散，采用SIMPLE算法进行压力—速度耦合计算。

3.2 计算方法

搅拌釜仿真模型采用FLUENT软件建立。为解决运动桨叶和静止挡板及釜壁之间的相对运动问题，文章采用多重参考坐标系(MRF)法进行模拟。选取整个流场域为计算域，对桨叶区和非桨叶区分别进行网格划分，桨叶区附近的流体区域划分为动区域，采用旋转坐标系，将动区域内的流体设为与搅拌桨叶相同的转速进行旋转；其他区域为静区域，采用静止坐标系。固体壁面条件均采用无滑移固体壁面条件，近壁区采用标准壁面函数。

3.3 网格划分

文章采用非结构化四面体网格进行结构模型离散。为提高计算结果精度，对桨叶和搅拌轴区域做了网格加密处理。网格总数量约为140万个。反应釜的网格划分示意图如图2所示。

图2 反应釜网格模型Fig.2 Mesh model of reactor

3.3 边界条件和介质条件

反应釜入口流量为60 m3/h；出口为完全发展条件；桨叶转速为80 r/min和120 r/min两种工况。

反应釜内流动介质为浓盐水，密度1 300 kg/m3，黏度2.2×10-3Pa·S。

4 结果分析

通过对比不同桨叶结构下的反应釜流场(图3)发现，反应釜在两桨结构下，其内部的轴向混合效果欠佳，在反应釜上部存在较多的循环滞流区，没有形成有效的轴向流动。三桨结构下，反应釜的轴向循环比较充分，基本无循环滞流区，在反应器的上部也形成了较为充分的轴向循环流动。

图3 反应釜内的流场分布Fig.3 Distribution of flow field in reactor

图4是两桨叶和三桨叶在不同高度下的轴向速度分布。通过对比发现，三桨叶结构可以大大提升反应反应釜上部轴向循环流速，尤其是液面附近的流速，由原来的0.2 m/s～0.4 m/s，上升到1.0 m/s～2.5 m/s左右，从而使得整个反应器内的流场混合效果更佳。

表1对比了两种反应器的搅拌轴功率。两桨叶的输出轴功率较小，单位体积搅拌功率约为0.95 kW(80 r/min)；三桨叶单位体积搅拌功率约为1.4 kW(80 r/min)，比两桨叶结构提高了约1.5倍，轴功率提升明显。

图4 反应器不同高度的轴向速度分布Fig.4 Axial velocity of different heights of reactor

桨叶数/个转速80 r·min-1时/kW转速120 r·min-1时/kW250165.1373.2245.7

5 结论

研究表明，CFD技术可以有效地预测搅拌反应器的流场分布特性、搅拌功率和操作参数。尤其是针对较大体积的反应器，可以在无法采用传统试验手段观测的情况下，得到反应釜内部的详细流场信息，为反应釜结构设计提供必要的理论支持。