混合式搅拌器在结晶罐中的应用及数值分析

任 超 王学生

（华东理工大学机械与动力工程学院)

混合式搅拌器在结晶罐中的应用及数值分析

任 超*王学生

（华东理工大学机械与动力工程学院)

针对国内某厂柠檬酸结晶罐的改造，以双螺带与框式混合搅拌器为模型，对一种新型冷却结晶罐的流场进行了数值研究。得到了罐内流场和速度分布情况，分析了搅拌器表面静压分布并预测了搅拌功率，为结晶操作中搅拌器的选择与设计提供了参考。最后通过现场数据测试对其进行了工程考核。结果表明，新型混合搅拌器使结晶率和产量均有很大的提高，产品质量较改造前得到明显改善，晶粒均匀，晶型规则，达到了预期目标。

结晶罐 螺带式 搅拌器 数值分析 流场分布 工程考核

0 前言

近年来，随着计算流体力学 (CFD)的飞速发展，数值分析方法已经成为化工装备行业研究的重要手段之一。国内外许多学者对搅拌器的流体力学性能和传热性能进行了数值研究[1-3]，预测了各种搅拌罐内的流场特性、搅拌器功率消耗、混合性能及传热性能，而对于一些新型独特的混合搅拌器研究不多，数值分析甚少。结晶是食品、化工和医药行业生产精制产品的重要工艺。在柠檬酸的生产过程中，结晶操作是最重要的操作单元之一[4]。为及时从柠檬酸溶液中结晶出合格的晶体，分离出母液，防止母液被污染和稀释，并保证较高的结晶率和收率，选择合适的工艺条件是必要的，而且还要使用合适的结晶设备。

目前国内使用的结晶罐体积日趋增大。为了使罐内结晶液有更高的混合效果，以保证溶质温度的均匀性和浓度的均匀性，于是提出了搅拌器的功能问题，即如何保证结晶液在罐内不同部位，尤其是在罐壁处和罐内中央处的均一性要求。传统的结晶罐一般采用锚式、框式搅拌器，这类搅拌器的作用都为形成径向型流动，很少有上下翻动现象，而且为避免晶体粘附在挡板上，往往不设挡板，因此很难达到罐壁处与罐中央处物料浓度的均一性和罐内上下物料浓度的均一性。由于桨叶结构的原因，一般的搅拌桨转速较低，但对于黏度较大且易粘壁的非牛顿结晶液而言，较低的转速不能满足其要求[5-6]。在综合考虑的基础上，决定选用螺带式搅拌器。实践证明，这是非常合理的选择。

本文针对国内某厂柠檬酸结晶罐的改造，以双螺带与框式混合搅拌器为模型，利用计算流体力学(CFD)软件Fluent 6.3对该新型结晶罐进行了流场的数值研究，预测了搅拌器的功率特性和表面压力分布，最后通过现场数据测试对其进行了工程考核，为今后结晶罐搅拌器的选择与设计提供了参考。

1 计算模型与模拟方法

1.1 结构尺寸与网格划分

结晶罐的模型及结构尺寸如图1所示。搅拌器为双螺带式与框式的组合，所采用的结晶罐其罐体上部为圆柱形，下部为圆锥形封头，罐体的直径为D=1.8 m，双螺带式搅拌器的直径为d=1.76 m，螺带的高度为h=1.76 m，螺带的宽度为w=150 mm，螺带的厚度为δ=14 mm，螺带与筒体内壁间隙为c=20 mm。双螺带搅拌器的结构参数如表1所示。

表1 双螺带搅拌器的结构参数

由于双螺带式搅拌器结构的复杂性，在Gambit中划分网格时，对计算域进行分块划分网格，桨叶附近和桨叶至槽壁之间区域采用Hex/Wedge方式划分为六面体结构化网格 (区域1)，其余部分采用Tet/Hybrid方式划分为四面体非结构化网格 (区域2)，一共有632 029个单元。图2为Y=0 mm的网格划分示意图。

图2 Y=0平面的网格划分

1.2 模拟方法

采用有限体积法将流动控制方程离散化[7]，速度-压力耦合关系采用SIMPLE算法，对流项的离散使用二阶迎风格式。计算使用的软件是Fluent 6.3，湍流模型采用标准κ-ε模型，收敛精度达到了10-4。

对于搅拌器的CFD分析方法主要有[8]： “黑箱”法、内外迭代法、多重参考系法 (MRF)、滑动网格法 (SG)等。目前应用最多的是多重参考系法和滑动网格法。滑动网格法对流动场、剪切场、混合时间的模拟结果较好，对尾涡大小的预测比较准确。由于进行的是完全非稳态模拟，这种方法计算时需要大量的时间以及复杂的后处理过程。多重参考系法的模拟方法不需要实验数据的支持，并且可以按照稳态的方法模拟，能准确地模拟速度域，混合时间上的模拟还要优于滑动网格法，可以节省大量的时间。

综合考虑以上因素，采用MRF来处理运动的桨叶和静止的槽壁之间的相互作用，将计算区域分成互不重叠的两部分，即区域1和区域2，如图1所示。中间包含运动的桨叶的部分为区域1，计算时采用旋转坐标系；其他部分为区域2，计算时采用静止坐标系。区域1和区域2之间的数据通过交界面进行传递计算。

1.3 边界条件

选取柠檬酸作为流体介质，密度为1 450 kg/m3，黏度为0.002 5 Pa·s。计算中搅拌转速为50 r/min。计算域选取整个流体区域，罐内流动为稳态流动，为了有利于收敛将自由液面定义为对称边界，法向速度为零，压力梯度为零。

假设运动区域内流体的转速与搅拌器的转速相同，搅拌器和罐壁定义为壁面边界，其中搅拌器定义为旋转壁面，其相对于周围流体速度为0，罐壁为静止壁面；采用无滑移边界，近壁采用标准壁面函数处理。

2 模拟结果与讨论

2.1 宏观流场分布

图3为Y=0平面上的速度矢量图及局部放大图。由图可见，整个流场是以轴向流为主，但下端框式搅拌器处主要以切向流和径向流为主；由于螺带桨叶具有较大的轴向推力，它将流体带向结晶罐上端，使之在近壁处向上流动，到达顶部后又沿搅拌轴向下流动，从而形成整罐的大环流，这与实际流动相符。由图3右侧放大图可见，在螺带周围也存在小的环流，螺带和槽壁之间的流体沿槽壁向上运动，螺带内端的一部分流体向上流动，在桨叶处出现漩涡，这主要是因为旋转过程中桨叶背面产生低压，周围流体在压差的作用下向低压区流动而造成的。

图3 Y=0截面处速度矢量图和局部放大图

图4 所示分别为 Y＝0、 Z＝900 mm、 Z＝-250 mm截面处速度云图，图4(b)、图4(c)所取截面分别为图1中平面1、平面2。图4(a)所示该流场比较对称，螺带附近存在对称的循环流，且上方速度较小；螺带内端区域和外端区域的流体由于被螺带搅起并受桨叶的压力作用，因而其速度较大；罐壁边界层中的流体呈现出罐内最大流速，说明螺带式搅拌器可以很好地强化传热，增大循环量，使混合均匀。图4(b)中螺带产生的流动在水平面上为环向流，槽中心处以轴向流为主，速度较小，周围区域速度分布比较均匀。图4(c)中，截面处于框式搅拌器上，因此其与图4(b)流场不同，在桨叶的内侧由于切向流的作用，速度梯度较大，速度分布不均匀。

图4 Y=0，Z=900 mm，Z=-250 mm截面处速度云图

2.2 参考直线上的速度分布

考虑到双螺带式与框式组合的复杂性，要沿桨叶方向求其速度分布比较麻烦，因此分别取螺带和搅拌轴间沿轴向的两条纵向直线以及穿过轴心沿径向的一条横向直线，考察直线上各点的各项速度分布[9]。如图2所示，纵向直线1靠近搅拌轴，距轴心线250 mm；纵向直线2靠近螺带内端，距轴心线580 mm；横向直线3位于Z=900 mm的平面上。

图5中所示为直线1和直线2上的速度曲线对比，可以看出轴向速度和径向速度的变化趋势明显比切向速度的大。图5(a)中，两条直线都受到螺带的漩涡影响，轴向速度曲线均随Z轴呈现周期变化，直线1靠近搅拌轴，此处流体向下流动，速度为负，且在螺带底部与框式桨叶上部之间的地方，轴向速度达到最大，约为-0.52 m/s；直线2靠近螺带，轴向速度为正值，最大轴向速度出现在螺带上部，约为0.56 m/s。图5(b)中，直线1的径向速度沿Z轴由正值逐渐减小到负值，由于罐内大环流的作用，下部流体流向罐壁速度为正，上部流体流向轴心速度为负；直线2受到螺带的作用，其速度仅出现周期变化。图5(c)中，切向速度的变化较为平稳，且直线2所处的圆周直径大于直线1，所以切向速度较大，两者最大切向速度均在下方框式搅拌器处。

图6中，横向直线上各项速度比较对称，速度变化也很明显，轴向速度在螺带内端出现两个波峰，在罐壁处达到最大1.2 m/s，靠近搅拌轴处为两个波谷，速度为负。最大径向速度依然在螺带处，最大达到0.24 m/s。切向速度在靠近搅拌轴处最小，罐壁处最大达到2.2 m/s。

2.3 搅拌器功率消耗及压力分布

搅拌功率准数NP是搅拌设备最基本的特性参数之一，它是用来衡量搅拌釜内流体搅拌程度和流动状态的重要指标。为了预测搅拌器的功率消耗，将搅拌器表面静压积分求出扭矩 (可通过模拟结果直接读出)，与转速相乘即可求出搅拌功率的大小，具体计算结果如表2所示。

表2 搅拌器功率消耗

图7为搅拌器表面静压分布图，给出两个角度下的结果以便于观察。由图7可见，螺带式桨叶表面压力分布均匀，桨叶下表面静压值大于上表面，且由于深度的不同，靠上的桨叶静压小于下方桨叶的静压。下方框式桨叶静压最大值出现在叶梢位置，对称的另一半桨叶受负压，桨叶表面压力分布不均匀。整个搅拌器最大静压约为5.8 kPa。该结果可为搅拌器的结构强度分析和载荷设置提供参考。

图7 搅拌器表面静压

3 新型结晶罐的工程应用

国内某厂在柠檬酸结晶中使用的框式搅拌器，由于只有切向流，搅拌强度低且不利于传热，导致反应时间较长，晶粒大小不均匀、形状不规则。由于生产效率低、能耗高，电机负荷大，使其生产出现 “瓶颈”。因此为了满足生产的需要，对其柠檬酸结晶罐进行了改造设计。把现有的框式搅拌器改为以上所研究的双螺带式和框式的混合型式。表3为不改变其他结晶工艺条件的前提下，对改造后的新型结晶罐运行参数的标定结果，并与改造前的标定结果相比较。

从表3可以看出：应用新型螺带式结晶罐后，结晶时间缩短了2 h左右，结晶率提高了12%，产量明显提高，增加了10%～13%。柠檬酸产品的物理外观质量明显提高，晶体颗粒分布集中，晶型规则，晶粒均匀。避免了因晶体颗粒长大、搅拌功率不足和晶粒下沉而造成的搅拌电机抱死现象。此外，还节省了夹套中的冷却水量，节能效果明显。

标定结果表明，在现行工艺条件下，安装新型螺带式搅拌器的结晶罐其各项性能指标相比改造前均有很大提高，达到了预期的目的。

表3 结晶罐改造前后运行参数标定结果

4 结论

本文针对国内某厂柠檬酸结晶罐的改造，以双螺带与框式混合搅拌器为模型，利用计算流体力学软件Fluent 6.3对该新型结晶罐进行了流场的数值研究，并通过现场数据测试对其进行了工程考核，为今后结晶罐搅拌器的选择与设计提供了参考依据。本文结论如下：

（1）双螺带与框式混合搅拌器使整个流场以轴向流为主。在圆锥封头区域，框式搅拌器使流场以切向流和径向流为主。搅拌罐形成一个大的环流，流体在罐内的中部沿搅拌轴向下流动，贴近罐壁处向上流动，螺带区域还有局部的环流漩涡存在。

（2）通过比较三条参考直线上的轴向速度、径向速度和切向速度，直观地认识了罐内不同区域速度分布情况；计算了搅拌功率，分析了搅拌器表面的静压分布。

（3）通过现场数据测试，新型螺带式结晶罐有效地防止了结晶液的粘壁现象，保证了结晶液温度与浓度的均匀性；使得结晶率和产量均有很大的提高，产品质量较改造前得到明显改善，晶粒均匀，晶型规则，达到了预期目标，解决了企业的难题。

[1]陈红生，何雄志．结晶罐搅拌流场及传热过程的数值模拟 [J]．轻工机械，2010，28(4)：26-29．

[2]Niedzielska A,Kuncewicz C.Heat transfer and power consumption for ribbon impellers mixing efficiency[J].Chemical Engineering Science,2005,60:2 439-2 448.

[3]Zhang Minge,Zhang Lühong,Jiang Bin,et al.Calculation of metzner constant for double helical ribbon impeller by computational fluid dynamic method [J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2008,16(5):686-692.

[4]魏广成，姚成宝，刘观飞．浅析一水柠檬酸结晶工艺和设备选型 [J]．工程建设与设计，2008(8)：73-76．

[5]虞军．大型结晶罐搅拌的创新 [J]．医药工程设计，2007， 28(5)： 11-13．

[6]王凯，虞军．搅拌设备 [M]．北京：化学工业出版社，2003．

[7]王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．

[8]周国忠，施力田，王英琛．搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展 [J]．化学工程，2004，32(3)：28-32．

[9]姜小放，曹西京，司震鹏，等．不同挡板结构的浆料搅拌罐流场仿真与分析 [J]．包装与食品机械，2009， 27(5)： 80-83．

Application and Numerical Analysis of Combined Agitator in Crystallizer

Ren Chao Wang Xuesheng

Aimed at the reconstruction of citric acid crystallizer in a factory,the flow field numerical simulation of new type cooling crystallizer with a double helical ribbon and gate combined agitator was carried out.The flow field and velocity distribution in crystallizer were obtained,static pressure distribution of the agitator surface was analyzed and agitation power was predicted,which provided reference for selection and design of agitator in crystallization.Engineering assessment of the new type crystallizer was conducted by field data test.The results showed that the combined agitator increased the crystallization ratio and production effectively,the quality was obviously improved compared with before reconstruction,the crystal size was uniform,the crystal shape was regular,and achieved the anticipated target.

Crystallizer;Helical ribbon;Agitator;Numerical analysis;Flow field distribution;Engineering assessment

TQ 051.6

*任超，男，1986年生，硕士研究生。上海市，200237。

2011-09-19）