立式循环撞击流反应器中桨叶垂直交错排布条件下的混合性能

杨 侠，张 涛，梁利云，吴艳阳，毛志慧，郭 嘉

（1武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430073；2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064；3武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430073）

研究开发

立式循环撞击流反应器中桨叶垂直交错排布条件下的混合性能

杨 侠1，张 涛1，梁利云2，吴艳阳1，毛志慧1，郭 嘉3

（1武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430073；2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064；3武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430073）

立式循环撞击流反应器（VCISR）桨叶的倾角及其布置形式，是影响混合性能的重要因素。本文采用数值方法对VCISR桨叶不同角度垂直交错排布条件下的混合性能进行了研究。上下两对桨叶倾角θ均设置为45°，上下两对桨叶错位角分别设置为15°、30°、45°、60°，结果表明：上下两对桨叶错位角在45°时，VCISR特征撞击面上的速度均方根σ最大，达到3.81，混合性能最优；同工况条件下，当错位角为60°时，桨叶旋转能量消耗最小。

立式循环撞击流反应器；桨叶；垂直交错排布；混合性能；数值模拟

Abstract:In the vertical impinging stream reactor（VCISR），the inclination angles and layout of blades are significant factors affecting its mixing performance. In this paper，numerical methods are used to investigate the overall performance under the condition that blades are in vertically staggered arrangement in the VCISR. The inclination angle of both blades is set as 45° and staggered angles of a pair of upper and lower blades are set as 15°，30°，45°and 60°，respectively. A serial of numerical simulations indicate that when the staggered angle is 45°，the speed root-mean-square（σ）on the characteristic impact surface of VCISR come up to the maximum value 3.81，and the overall performance is the best. Under the same condition，when the staggered angle is 60°，the rotational energy consumption is minimal.

Key words:vertical circulative impinging stream reactor; paddle; vertically staggered arrangement; mixing performance; numerical methods

撞击流（impinging streams，简称为 IS）是一种比较新颖的技术方法[1]，其基本理论思想是使两股相向流动的流体产生撞击，从而达到促进混合及反应的目的。立式循环撞击流反应器（vertical circulative impinging stream reactor，简称VCISR）[1]是一种浸没式循环撞击流的反应器，它属于液相连续相撞击流反应器，同时具有传统搅拌槽反应器功能，可以加热或冷却反应物，可以连续或间歇操作等。VCISR与STR（传统搅拌槽反应器）优点在于：在输入相同的功率下，用普通沉淀法制取“超细”白炭黑实验中，制得的产品粒径更细，粒径分布宽度更窄，反应所需的时间更短[2]。在化学工程领域中的任何一种过程，几乎都可以用撞击流来实现[3]，因而具有很高的工程应用价值。浸没循环撞击流反应器流场特性的深入研究是该类反应器的设计的技术的关键[4]。本文作者通过分析VCISR中上下两对桨叶不同错位角排布条件下撞击面上的速度和压力分布，以讨论桨叶错列排布对撞击流混合性能的影响规律，从而为优化和改进VCISR的结构设计提供理论依据。

1 数学模型

1.1 几何模型

本研究采用了Fluent软件对VCISR桨叶垂直交错排布条件下的混合性能进行数值模拟。VCISR结构中上下两对桨叶倾角均设置为θ=45°，上下两对桨叶以15°、30°、45°、60°不同错位角进行交错排布。湍流模型选用目前使用最为广泛的 k-ε两方程模型。

以反应器建立的坐标系如图 1（a），反应器底面中心为o点，y轴与导流筒的所在轴线重合，x-z平面为撞击面，x-y和y-z平面为垂直面。依照实验室反应器实物结构模型三维建模，反应器总高为60 cm，外径为 40 cm，上下两个导流筒距离顶部和底部各为10 cm，导流筒高度为15 cm，两导流筒间距为10 cm，下桨叶距反应器底部为17 cm。为保证计算精度下减少计算量，在导流筒内在区域网格划分较密，其余区域网格较疏，几何模型如图1（b）所示。

图1 VCISR几何模型

图2 桨叶不同错位角布置图

图3 w0=15 r/s中垂面的速度矢量图

图4 取w0=15 r/s时撞击特征面的速度云图

采用MRF（动参考系模型）方法进行模拟，将动区域（Fluid-move）内流体设定相同转速进行旋转，而静止区域（Fluid-static）内流体设定为静止。容器壁面及导流筒壁面上有Vx=Vy=Vz=0，即满足固定无滑移面边界条件[5]。以20 ℃的蒸馏水为工质，假定为连续、不可压缩的液体，且无旋流[6]。本反应器最主要的操作参数是上、下桨叶交错排布角度，即错位角 β。在模型的上、下导流筒内，各放置一个螺旋桨进行模拟，以β角错位排布，模拟其混合效果及其能量消耗。

1.2 计算条件

搅拌桨转速设定为15 r/s，错位角β分别为15°、30°、45°、60°。桨叶结构如图 2，1、3、5为上层桨叶，2、4、6为下层桨叶。

2 流场模拟结果及其讨论

2.1 速度分布及分析结果

计算结果中，选取纵剖面与几何对称面对称撞击面两个特征面进行速度分布讨论，以进一步获得特征面上的速度梯度分布。在反应器内工质的速度包括径向速度和轴向速度，在纵剖面上主要表现为轴向速度撞击[7]，并使工质做翻转运动。在转速w0=15 r/s、桨叶倾角均为45°工况下，导流筒内轴向平均速度为V=0.666 m/s。计算得到上下桨叶在不同错位角下纵剖面速度矢量图，如图3所示。

图3显示，流体经过导流筒喷射相向撞击，其速度场分布是关于撞击面对称的，证实了柱面的存在。同时可得出，撞击特征面上的速度梯度随错位角度变化而变化。为明确其变化规律，本研究引入σ1为平均速度的均方根，以此表示轴向的平均速度梯度大小。以此方法描述的合理性在于：均方根 σ越大，其平均速度离散程度越大，平均速度梯度值越大，即混合性能越好。表1为计算得到的不同错位角下轴向平均速度的均方根σ1值。

表1显示，错位角为30°时中纵剖面上σ1值最大，说明该错位角下的混合性能更优，较错位角β＝ 15°、45°、60°时分别增大15.2%、7.9%、15.2%。

表1 均方差σ1值表

图4给出是转速为15 r/s时y =30 cm撞击特征撞击面上的速度云图。

从图4 中的速度分布状况来分析，由于导流筒的作用，速度较大的区域分布在沿导流筒的垂直方向，当β=60°和 30°时，该区域内流体速度变化的程度较大；β=15°和 45°时，该区域流体的速度值较接近。而在4种工况下，工质邻近反应器壁面时，速度下降的趋势明显增大，并趋向于缓和。

在4种工况下采集y=30 cm，x=－0.2～0.2 m的152个速度点，形成的速度分布曲线如图5。从图5 中可分析出，在相同的错位角下，最大速度位于导流筒（导流筒的轴x=0，半径x=±0.08 m）垂直方向，约为流体撞击后平流速度的2～5倍。

由图3～图5 可得到，错位角对撞击特征区域的混合特性具有重要影响。同上σ1描述方法，引入σ2描述y=30 cm位置特征撞击面上的混合性能。表2 为不同错位角下计算得到均方根σ2值。

表2可以得出，在同一工况下，上下桨错位45°时，沿径向分布的平均速度的均方差σ2值最大，表明其径向平均速度的梯度最大，这对于促进湍动混合非常有利，即错位角为45°时，在y=30 cm径向面上的混合性能最优。计算得，错位角在45°时的径向平均速度均方根值较错位角 15°、30°、60°时分别增大了8.9%、1.7%、1.0%。

图5 y=30 cm特征撞击面上的速度分布图

表2 均方根σ2值表

径向速度和轴向速度都是影响整个立式循环撞击流反应器混合性能的重要指标，本文引入σ=σ1+σ2作为衡量整体反应器整体混合性能指标，计算得到表3。

表3 均方根σ值表

表3表明错位角为45°时σ值最大，据此可以认为，上下桨叶错位45°排布时反应器中工质的撞击混合效果最佳。该结论可以为立式循环撞击流反应器结构设计和性能优化提供一定参考依据。

2.2 压力分布及能量消耗计算

在评价立式撞击流反应器的混合性能中，能量消耗是重要的参数之一。反应器中，使用螺旋桨推动液体流动，工质所分配的能量一部分要克服阻力，另一部分要产生热量。本研究采用式（1）计算能量耗散值[8]。

式中，w为单位时间消耗的能量，Δp为螺旋桨所在撞击特征面的压强波动幅值，ds为微元面积在螺旋桨的面积，Δp由fluent数值计算得到。按式（1）计算得到w-β关系图如图6。

从图6可以看出，在同一工况下错位角β=60°时w值最低，4种错位角下能量消耗w大小排序是：w(30˚)＞w(45˚)＞w(15˚)＞w(60˚)，该结论为反应器结构设计从能量耗费角度提供了设计依据。分析其原因，一方面说明速度相对较高的撞击区域压力波动增幅较高，另一方面速度变化大的区域压力波动强度较高。

图6 能量消耗与错位角（w-β）关系图

3 结 论

在转速15 r/s、桨叶倾角均为45°条件下，数值模拟了VCISR的撞击混合过程，通过分析得到了如下几点结论。

（1）同工况下，上下桨叶错位角为30°时中纵剖面上σ1值最大，以此认为该错位角下中纵剖面上撞击混合性能更优，较错位角β＝15°、45°、60°时增大15.2%、7.9%、15.2%。

（2）同工况下，上下桨错位45°时撞击面上沿径向分布的平均速度的均方差σ2值最大，表明其径向平均速度的梯度最大，即错位角45°时撞击面上混合性能最优。计算得出45°时撞击面上径向平均速度均方根值较错位角15°、30°、60°时分别增大8.9%、1.7%、1.0%。

（3）通过引入σ综合考虑整体撞击混合性能，计算得到错位角为45°时σ值最大，据此可以认为，上下桨叶错位45°排布时反应器中工质的撞击混合效果最佳。

（4）同一工况下错位角β =60°时能量消耗值w最低，4种错位角下w大小排序是：w(30˚)＞w(45˚)＞w(15˚)＞w(60˚)。

[1] 伍沅.撞击流—原理·性质·应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 伍沅.撞击流的性质及其应用[J].化工进展，2001，20（11）：8-13.

[3] 王维，阎红，潘艳秋，等.撞击流技术的研究进展及应用前景[J].化工进展，1999，18（4）：8-11.

[4] 肖杨.浸没循环撞击流反应器中的流动与混合[D].武汉：武汉化工学院，2002.

[5] 禹言芳，张建伟.撞击流反应器流场的有限元分析初探[J].化工设备与管道，2005，42（1）：54-56.

[6] 张建伟，徐成海，伍沅，等.浸没循环撞击流反应器流场数值模拟[J].东北大学学报，2004，25（2）：156-158.

[7] 黄男男，石秀东，张建华，等.导流筒对搅拌槽流场的影响[J]. 食品与机械，2009，25（1）：93-96.

[8] 孙怀宇，徐成海，伍沅.浸没循环撞击流反应器流场的三维数值模拟积分及分析[J].节能，2006，25（10）：25-27.

Mixing performance of vertical circulation impinging stream reactor with vertically staggered blades

YANG Xia1，ZHANG Tao1，LIANG Liyun2，WU Yanyang1，MAO Zhihui1，GUO Jia3
（1School of Mechanical & Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China；
2China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，Hubei，China；3Key Laboratory for Green Chemical Process，Ministry of Education，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China）

TQ 05

A

1000–6613（2011）04–0715–05

2010-08-31；修改稿日期：2010-10-15。

国家自然科学基金（50906065，21076165）及湖北省教育厅优秀中青年基金（Q20081508）项目。

及联系人：杨侠（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为化工过程机械、流体力学、强化传热技术。E-mail 13212725@163.com。