双层桨釜底通气式搅拌器性能分析*

2014-05-29王新升王超明郝惠娣孙雨凡

化工机械 2014年4期

关键词：漩涡桨叶气液

王新升王超明郝惠娣孙雨凡张沛刘鑫

(西北大学化工学院)

气液混合搅拌反应器在生物化工领域有着广泛的应用[1]，通过改进普通自吸式气体分散器使之可安装在釜底，同时实现釜底通气，可提高搅拌槽内气液整体的混合效果，对生物反应器的发展有重大的意义。

1 结构设计

1.1气体分散器

在普通自吸式气体分散器的基础上进行改进[2]，所选普通自吸式分散器结构如图1a所示，气体分散口高40mm，宽30mm,气体分散叶片与所在圆弧切线方向夹角为30°，共12片叶片，如图1b所示。改进后的气体分散器结构如图2所示，将气体入口沿环向分布且与挡板结合，挡板总宽度(包括通气通道)为筒体的1/10，模拟中所选筒体均为直径为300mm,高度为400mm,液面高度为350mm 的平底圆筒，所以挡板总宽度为30mm,其中通气通道的半径为10mm,总数为4个。

a. 结构模型

b. 气体分散口

图2 釜底通气式气体分散器结构

1.2桨叶的选取

上、下两层桨均选用标准六叶圆盘涡轮桨(6PT)，桨叶最大直径为100mm,每片桨叶的长度为25mm,宽度为20mm,圆盘直径为75mm。分别对两桨叶安装距离为100、150、200、250mm的情况进行了仿真模拟。

2 数值模拟

为了分析该气体分散器置于釜底时对通气的节能性能，对置于釜底的气体分散器进行了环境压力进出口为条件的数值模拟。由于新型气体分散器与普通气体分散器的吸气和分散装置一样，为了减少划分网格和计算的工作量，选用普通气体分散器为模拟对象。在对新型结构的数值模拟中，因为搅拌槽内的流场对气体的分布和整体的搅拌混合效果有着重要的影响，因此对其进行了液相的单相流模拟，以分析双层6PT组合桨在不同和安装距离时的搅拌混合效果。

2.1算法

采用多重参考系法(MRF)对旋转桨叶和静止区域进行处理[3]，对包围桨叶的部分填充冰冻体做为旋转域，并采用旋转坐标，其他区域为静止域，参考坐标为静态坐标。在单相流模拟中，湍流方程采用标准k-ε模型。多相流模拟中，采用欧拉-欧拉法处理[4],设气液两相分别为分散相和连续相，分别采用零方程模型和标准k-ε模型，并使用Sato增强涡体粘度模型[5]。

2.2模型的建立

采用先建立搅拌器模型后填充的方式建立模型，同时在桨叶旋转区填充冰冻体,进行布尔操作后的模型如图3所示。

图3 布尔操作后的桨叶旋转区模型

2.3网格的划分

对旋转域和静止域分别进行网格的划分，基本尺寸分别为12mm与15mm，其中旋转域与动态域的交界面处的面网格基本尺寸为4mm。利用膨胀法对静态域壁面及挡板处和旋转域与静态域的交界面处进行进一步细化，以防止在上述位置产生较大的速度梯度[6]。

2.4边界条件

在单相流的模拟中，为防止液体的溢出，设立与空气接触面的边界类型为自由滑移面，壁面和旋转轴所在面均设为Wall类型，其中定义旋转轴所在面同桨叶一样的旋转速度350r/min，旋转域与静态域的结交面设立为GGI模型。在气液两相流模拟中，将气体分散器入口以外的敞开面设置为Opening,类型为去气开口，气体入口定义为压力入口，相对参考压强均为0Pa，参考压强为标准大气压。

3 模拟分析

3.1气液两相流模拟结果分析

在环境压力进出口及转子转速为350r/min的条件下，气体体积分数分布云图如图4所示。由于桨叶的旋转使得分散器中的液体被排出，从而形成负压，使气体被吸入气体分散器入口通道。从气体分散器入口至分散通道的距离h1为310mm，如果完全由外压提供进气压力，所需压力为ρgh1，在该装置情况下，气体被吸入的高度h2为170mm，在此基础上只需提供ρg(h1-h2)的压力即可实现使气体进入到分散通道，可节省34%的静压能。由于该结构与新型分散器的分散装置一样，因此新型气体分散器也有着同样的性能。

图4 分散气气体体积分布云图

3.2新型结构单相流模拟结果分析

双层6PT组合桨在安装距离分为100、150、200、250mm的情况下的流场矢量图如图5所示。可以看出，当双层桨安装距离较近(100mm)时，在上层桨以上的区域形成的漩涡区较小不利于上层流体的充分混合。相反，当双层桨安装距离过大(200mm)时，在上层桨下部的漩涡区以下和下层桨形成的漩涡区以上的部分有一部分区域混合效果较差。当安装距离为150mm和200mm时，搅拌槽内整体混合效果比较好，对比二者可以看出，在150mm距离安装时，下层桨漩涡区形成两个较小的漩涡，而200mm距离安装时形成一个较大的漩涡，相比而言，后者会有效降低功率，相比前者要更节能[7]。