新型叶片式搅拌器用于工业规模反应器气液混合特性的数值模拟

牟钧

摘要：新型叶片式搅拌器在工业规模反应器中的气液混合特性的研究主要采用了CFD技术，通过对反应器气液混合特性的功率特点，剪切能力等流体动力性能进行了检验，检验结果显示新型的叶片式搅拌器在工业规模运用中，当搅拌器的转速不断加大时，新型叶片式搅拌器的功率消耗也随之上升，与之相反的，搅拌器的转速越高，死区分率就会越来越小。在雷诺数不断加大时，剪切的平均速度就随之变大。

关键词：新型叶片式搅拌器;混合特性;工业规模;数值模拟

中图分类号：TQ051.72 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2019）07-0271-02

作为化工学专业的一个关键单元操作，搅拌操作中搅拌器的类型对搅拌混合结果的影响是很大的。新型的叶片式搅拌器的结构与其他搅拌器不同，新型叶片式搅拌器叶片变为了现在多报道的天平样子的叶片，随着搅拌器结构的改进，搅拌器的的搅拌效果也得到了一定程度的优化。新型叶片式搅拌器与传统叶片式搅拌器相比，新型叶片式搅拌器结构中上边的叶片顶端较窄，叶片外观更像一个梯形。目前许多研究人员为了对叶片式搅拌器进行研究，采用了数值模拟的方法，通过对流畅分布以及气液混合特性的调查。这篇文章通过CFD法对一定工业规模的新型叶片式搅拌器进行数值模拟，对模拟过程中的数据进行考察，记录器流畅与功率的变化特点。

1.计算条件

本次数值模拟采用的介质是1.0wt%的黄原胶溶液，并且使用MRF法，在操作时把反应器分成动态区域与静态区域两部分，动态区域包括新型叶片式搅拌器的叶轮以及旁边的流体区域，除此之外的区域设置为静态区域，本次模拟实验主要参考张敏革先生的研究方法。

2.计算模型

2.1 流体力学控制方程

新型叶片式搅拌器在工作时控制搅拌体积的主要是使用ANSYS CFD求解器，利用有限元求解法。整个数值模拟实验过程受控于能量守恒定律等众多守恒定律公式。通过把偏微分方程进行转化，使之变成代数方程组。

2.2 搅拌器的结构和网络划分

本次对叶片式搅拌器用于工业规模反应器气液混合特性的CFD数值模拟的搅拌器模型使用的是新型叶片式搅拌器，新型叶片式搅拌器的结构外形整体类似一个栅栏，顶自中间向上逐渐变窄，轮廓成梯形状，中间向下轮廓为矩形。搅拌器详细长宽高度如下：叶片半径--1.2米、釜径—1.6米、装置流体液的高—4.8米。采用非结构化四面体形式的网格，对新型叶片式搅拌器中叶轮附近进行加密网格措施，并且网格最小不小于三毫米，最高不高于两厘米。

3.结果及讨论

3.1 功耗及死区分率

我们通过了解相关书籍知识可以知道，死区也叫PWM，打个比方，在一些电气试验元件中，人关上班桥关闭断开后，都会在一段时间过后再通开下半桥，反之也是，死区就是这段中间延迟的这部分时间。在这次新型叶片式搅拌器用于工业规模反应器气液混合特性的CFD模拟中，我们可以把反应器的内液相速率比叶片端部速率的0.1还低的部门区域作为死区，我们可以利用死区分率作为对搅拌器混合性能的表现。由于搅拌功率消耗状况与其所需要大量的资金支持，因此我们可以通过新型叶片式搅拌器在本次工业规模反应器气液混合特性的数值模拟中的搅拌功耗作为评定搅拌器合理与否的关键要素，在进行功率的计算时，我们可以使用P=2IINM作为功率的计算公式。通过不断地模拟数值计算，我们可以得知新型叶片式搅拌器的搅拌功率曲线呈上升趋势。新型叶片式搅拌器的叶片转动速度变化时，新型叶片式搅拌器的介质，也就是黄原胶溶液的功耗同死区分率也有一定程度的关联。再叶片转动速度上升的情况下，新型叶片式搅拌器每单位体积所消耗的功率成同增关系，转动速度小于每分钟85转时，单位体积的功率消耗会随着转动的速度增加慢慢升高，新型叶片式搅拌器的搅拌轴为了力矩在极高速度下转动时会导致相当大的功率损耗，同此相比，流体的粘性阻力反而显得没那么主要。同时我们还可以根据数值模拟得出死区的分率在新型叶片式搅拌器转动速度升高时迅速下降，在达到极点后再逐渐平缓。

3.2 搅拌流场的速度矢量分布

新型叶片式搅拌器在其设计以及造型构造阶段时，最主要考虑的时其搅拌流场，新型叶片式搅拌器的速度矢量分布于叶片的转动速度相关，假设转动速度时每分钟50转时搅拌流场的速度矢量分布大致如图左，假设转动速度为每分钟150转时搅拌流场的速度矢量分布大致如图右。新型叶片式搅拌器所形成的全釜大循环，基本与我们所考察的文章书籍相差无几，当新型叶片式搅拌器的叶片转动速度较低时，由于流体自搅拌器的下端流出时碰到釜壁遇到阻碍，就会因此分成两段，自左右两边，顺着釜壁，一边向上方流动的同时，另一边也会顺着釜壁向下，并且在底部形成分层现象，因此会导致一个小型的循环出现在栅栏于叶轮的衔接之处。

3.3 搅拌器的剪切性能

作为评价搅拌器混合特性的一个关键因素，新型叶片式搅拌器的剪切性能也是我们所需要关注的一个要点，对新型叶片式搅拌器剪切性能就有很大程度影响的是搅拌器距离底部的距离，新型叶片式搅拌器的剪切速率会伴随着Re n的升高而升高。

4.结语

我们通过利用Fluent软件，通过对新型叶片式搅拌器在工业规模反应器气液的混合特性的數值模拟中，通过反应器气液混合特性的功率特点，剪切能力等流体动力性能进行了检验，再通过对数值模拟研究的实际情况，我们主要得出了三点结论。（1）首先新型叶片式搅拌器的，转动速度小于每分钟85转时，单位体积的功率消耗会随着转动的速度增加慢慢升高，此时所消耗的功率主要用途时为了减少液体本身存在的粘性对其流动所造成的阻力，当转动速度超过每分钟85转时，功率消耗的主要用途就会变为为搅拌轴所提供的力矩。（2）第二点就是新型叶片式搅拌器会由于流体自搅拌器的下端流出时碰到釜壁遇到阻碍形成釜壁大循环，并且其面积会随着主循环的而变大。（3）最后一点就是新型叶片式搅拌器会由于搅拌器的转动速度的不断增加而显著的加大了整体的剪切速率，而新型搅拌器的剪切区域主要聚集在搅拌器底端的叶片附近。

参考文献：

[1]郭莉，苏红军，徐世艾.新型最大叶片式搅拌器用于工业规模反应器气液混合特性的数值模拟[J].山东化工，2018（1）：129-132.

[2]孟汉卿，郭莉，染欣欣，et al.新型Maxblend搅拌器用于工业规模反应器混合特性的数值模拟[J].山东化工，2016，45（15）：169-172.

[3]洪厚胜，张庆文，万红贵，et al.搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究[J].过程工程学报，2005，5（2）：131-134.

[4]刘玉玲，李东旭，李盼盼，et al.搅拌器内转轮半径对气液混合影响的数值模拟研究[J].水资源与水工程学报，2017（02）：17-21.