搅拌釜内空气-PPG分散特性的数值模拟与实验测量

程群群钟 秦

（1 巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

（2 南京理工大学，江苏 南京 210094）

搅拌釜内空气-PPG分散特性的数值模拟与实验测量

程群群1钟 秦2

（1 巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

（2 南京理工大学，江苏 南京 210094）

文章借助FLUENT软件，采用Euler-Euler方法、Laminar层流模型、MFR法处理旋转搅拌桨、气泡单一尺寸假设，对搅拌釜内空气-PPG体系的气含率和搅拌功率进行了数值模拟，模拟结果与实验值吻合较好。同时，考察了搅拌转速和通气流量对气含率和通气搅拌功率的影响。结果表明，数值模拟所选取的模型，能较好地模拟搅拌釜内空气-PPG体系的分散特性。

数值模拟；实验测量；空气-PPG（聚醚多元醇）；搅拌功率；气含率

气-液搅拌釜是化工生产过程中常用的单元设备，近年来对其实验研究也非常广泛[1-4]，但只能对釜进行整体描述，不可避免把一些细节上的局部信息给掩盖了。随着数值模拟技术的迅速发展，采用该方法研究气-液两相混合特性越来越显得重要和方便。目前数值模拟技术对搅拌釜内空气-水体系的研究已有大量文献报道[5-10]，但是对搅拌釜内聚合体系气-液两相混合特性的数值模拟研究较少[11-12]。因而采用CFD方法研究聚合搅拌釜气-液混合特性，对聚合物的生产和搅拌设备的优化设计都具有重要的参考意义。

基于此，本文以空气-PPG为研究物系，考察搅拌转速和通气流量对空气-PPG体系的气含率和搅拌功率的影响，并与实验测量的数据进行比较，为今后研究搅拌釜内聚合体系混合特性提供参考。

1 实验

1.1 实验装置与试剂

本文以粗聚醚多元醇 （N-330、江苏钟山石化）为液相，压缩空气为气相。

实验装置如图1所示。搅拌釜是椭圆底封头无挡板，釜高为0.6 m、直径为0.28 m、液位高为0.504 m（约为1.8釜高）的玻璃釜。用交流调频器（清华机电）控制搅拌转速；扭矩传感器 （CNJ-001，众力测控）测定扭矩。利用转子流量计（LZB-10，常州瑞明仪表）计量气量。组合桨如图2所示，桨直径均为D=0.14 m、桨叶宽均为d=0.28 m。其：上层桨为径流型6-HEDT桨、中层桨为混流型6-XDT桨，叶片安放角45°、底层桨为混流型6-XYK桨，叶片安放角45°，分别离釜底距离为0.381 m、0.264 m、0.122 m。

图1 实验装置

图2 三种搅拌桨的外形图

1.2 模拟对象及方法

模拟对象与实验装置相一致，模拟工况与实验工况一致。选用FLUENT6.3软件中的Laminar模型、标准壁面函数、Eulerian-Eulerian方法，Schiller-Naumann曳力模型、及多重参考系法（MFR）处理旋转的桨叶和静止的釜壁，对多层桨搅拌釜内空气-PPG体系的气含率、通气功率及功率准数进行数值模拟。PPG为主相，空气为次相。在数值模拟计算过程中不考虑气泡的破碎和凝并现象，气泡假设为球形，直径均为0.002 m。

图3 搅拌釜内网格示意图

研究区域的网格分区划分，即把整个研究区域分成六个区域，采用非结构四面体和六面体相结合的网格对所有区域进行划分。为了更精确描述釜内的流动特性，对气体入口区和桨叶区进行了网格加密。通过试算和比较，最终网格单元数约为971660个，如图3所示。

2 结果与讨论

2.1 功率准数模拟值与实验值对比

搅拌功率采用扭矩应变法计算，如式（1）：

式中，p为搅拌功率，W；m为扭矩，N·m；N为搅拌转速，r·min-1。

功率准数（Np）表示输入的搅拌功率消耗施加于受搅拌液体的力，是计算搅拌功率的基本参数，其计算如式（2）：

式中，ρ为液相密度，kg·m-3。

图4给出了功率准数 （Np）随叶端雷诺数（Re）的变化曲线。从图可以看出，功率准数随着Re的增加均降低。功率准数的模拟值与实验值吻合较好，平均相对偏差约为8.2%。

图4 功率准数的模拟值与实验值比较

2.2 通气搅拌功率

通气时实际消耗的搅拌功率就是通气搅拌功率，其对气-液两相分散特性具有重要影响。不同搅拌转速下，随着通气流量的改变，通气搅拌功率的变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，随着通气流量的上升通气搅拌功率均有所降低，但通气流量较大时，搅拌功率变化较平缓，这主要是因为，搅拌桨叶背面气穴的产生，造成搅拌桨的旋转阻力降低。其的模拟值与实验值基本吻合，如N=120、180、220r· min-1时，模拟计算数值与实验数值的平均偏差分别为11.5%、11.9%、14.4%。可见增加搅拌转速，通气搅拌功率的模拟值与实验值的相对偏差逐渐偏大，这可能是数值模拟过程中假设气泡尺寸相同而造成的。

图5 通气搅拌功率的模拟值与实验值比较

2.3 总体气含率

气含率和气泡大小共同决定体系的相界面积，是表征釜内气-液混合特性的重要参数之一。本文用斜管压差计测量通气前后搅拌槽内的液位，并通过式（3）计算总体气含率。

式中，ε为气含率；h0为通气前液位高度，m；hg为通气后液位高度，m。

图6给出了不同搅拌转速和通气流量下，总体气含率模拟值与实验值对比。由图可见，随着搅拌转速和通气流量的增加，总体气含率逐渐提高，且模拟计算值与实验值变化趋势相同。这结果表明，将该数值模拟计算方法用于搅拌釜内空气-PPG体系的数值模拟是可行的。

当搅拌转速N=180 r·min-1时，总体气含率随着通气流量的增加（2～8 m3·h-1）而升高，值从0.017升至0.09，约增加了0.094；而当通气流量固定（2 m3·h－1）时，随着搅拌转速的增加，值从0.37升至0.47，增加幅度仅有约为0.01。由此可见，搅拌转速和通气流量对总体气含率的影响程度有所不同，但增大通气流量对提高釜内总体气含率具有更好的效果。

从数值模拟计算精度可见，总体气含率的模拟计算值比实验值整体偏小，而且当搅拌转速和通气流量较高时，模拟值与实验值偏差较大。其原因可能有两点：一是数值模拟与实验对总体气含率的概念描述不同；二是由于模拟计算时，假设的气泡尺寸与在实际操作条件下的气泡尺寸偏差较大，且不同实验操作条件下气泡的聚并与破碎是不同的。若能采用与实验测量相一致的气泡尺寸，结合Alves等[13]研究结果，考虑搅拌釜中不同区域的气泡聚并与破碎，将能更精确对空气-PPG两相流动体系进行模拟，这将是今后数值模拟研究的主要方向。

图6 总体气含率的模拟结果与实验值的比较

2.4 局部气含率

2.4.1 通气流量对局部气含率分布的影响

气体在搅拌釜内的分布状况可通过铅垂面上局部气含率分布进行充分的描述。搅拌转速N=180 r·min-1，不同通气流量下，搅拌釜内铅垂面上局部气含率的分布云图，如图7所示。

从图7可以看出，不同区域气含率有着明显的不同。底层桨上方气含率较高，而中、上层桨气含率较低，即图中蓝色的区域（α∝0）。这是因为，PPG的粘度高，气泡向上运动的阻力大，因而上部区域的气含率较低。因此，仅参考总体气含率评价搅拌设备的性能是不够的。但在组合桨的搅拌下，釜内的气含率分布有所改善，遍及区域增加，且在底层桨上部区域出现的气含率峰值。随着通气流量的增加，高气含率的区域分布增加，并向釜的上部扩散，但局部气含率的分布形式基本不变。可见，随着通气流量的增加，局部气含率提高，有利于改善空气-PPG两相分散的死区。

图7不同通气量下，釜内局部气含率的分布云图（N=180r·min-1）

2.4.2 搅拌转速对局部气含率分布的影响

图8为通气流量Qg=2 m3·h-1，不同搅拌转速下，釜内铅垂面上局部气含率的分布云图。

图8 不同搅拌转速下，釜内局部气含率的分布云图（Qg=2 m3·h-1）

由图8可见，当N=120 r·min-1时，气体主要分布在搅拌轴周围区域，不能及时被分散，直接沿轴向上运动，这是因为搅拌转速过低造成的。当搅拌转速提高到180 r·min-1时，在底层混合流型桨的搅拌下气体有明显的径向分布趋势，且局部气含率有所升高，整个釜内气体分散均匀度有所提高，这表明气体随着液体能进一步运动分散，在桨的搅拌下液体的搅动促进了整个釜内气相的积累，但是在气体分布器以下区域及上层桨周围区域局部气含率分布仍然不佳。当N=300 r· min-1时，釜内气含率分布更加均匀，但在釜内上部区域及气体分布器下部区域局部气含率仍然较低。通过以上分析可知，N=180 r·min-1时，整个釜内的气-液分散状态最好。

在实验测量中，由于气体的通入，釜内流动状况混乱，在加上实验工作量大及实验条件的有限，因而用实验的方法很难观察到釜内的气-液分散情况，而运用数值模拟方法恰恰可以弥补这一不足，这对聚合体系气-液分散特性具有重要的指导意义。

3 结束语

本文对三层桨搅拌釜内空气-PPG体系的搅拌功率和气含率进行了实验测量和数值模拟，主要得到以下几点结论：

第一，通过分析发现搅拌功，总体、局部气含率，在通气前后均发生了一定的变化，并且受通气流量的影响显著。

第二，搅拌釜内的局部气含率空间分布极不均匀，下循环区的气含率最大，上循环区的局部气含率较小。通过对比还可看出，提高通气流量和搅拌转速，均有利于增加釜内部分区域的局部气含率。

第三，通气搅拌功率、功率准数和总体气含率的模拟计算值与实验数据基本吻合，表明Euler-Euler方法及单一气泡尺寸假设对三层桨搅拌釜内空气-PPG体系混合特性的数值模拟是可行的，但在高通气量和高搅拌转速下，模拟值较实验值有所偏低。

[1]张新年，刘新卫，包雨云，等．半椭圆管盘式涡轮搅拌桨气-液分散特性[J]．过程工程学报，2008，（3）：444－448.

[2]程群群，陈迁乔，戚莉，等．不同温度下空气-聚醚多元醇搅拌特性的实验研究[J]．化工进展，2011，（30）：2376－2381．

[3]程群群，陈迁乔，钟秦，等．空气-水/PPG体系的搅拌功率与气含率实验测定[J]．高校化学工程学报，2012，（26）：704－709．

[4]龙建刚，包雨云，高正明．搅拌槽内不同桨型组合的气-液分散特性[J]．北京化工大学学报，2005，（5）：1－5.

[5]陈佳，肖文德.侧进式搅拌釜内气液两相流的数值模拟[J].化工学报，2013，（7）：2344-2351.

[6]张国娟，闵健，高正明．翼型桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J]．高校化学工程学报，2005，（2）：169－174.

[7]孙会，潘家祯．带有新型内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究[J]．化工学报，2006，（1）：13－20.

[8]张国娟，闵健，高正明，等．涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J]．北京化工大学学报，2004，（6）：24－27.

[9]CHEN L，GAO Z M．Numerical simulation of local characteristics in an aerated stirred tank with muitiple impellers[J]．Journal of Beijing University of Chemical Technology（Natural Science Edition）（China），2010，（3）：14-19.

[10]SUN H Y，MAO Z S，YU G Z．Experimental and numerical study of gas holdup in surface aerated stirred tanks[J]．ChemEngSci，2006，（12）：4098-4110.

[11]丁健华，马腾，陈涛，等．搅拌釜内流场三维数值模拟及功率预测[J]．化工装备技术，2015，（1）：19-22.

[12]王晓瑾，彭炯，杨伶，等．行星式搅拌釜混合性能的数值模拟[J]．北京理工大学学报，2012，（6）：645-649.

[13]ALVES S S，MASIA C I，VASCONCELOS J M．Experimental and modeling study of gas dispersion in a double turbine stirred tank[J]．Chem Eng Sci，2002，（57）：487－496.

A STUDY ON THE NUMBERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF GAS-PPG DISPERSION CHARACTERISTICS IN A STIRRED TANK

CHENG Qun-qun1ZHONG Qin2
（1 Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）
（2 Nanjing University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210094）

The stirring power and gas holdup in a gas-PPG stirred tank is numerically simulated in the paper with the help of the software FLUENT,the adoption of Euler-Euler method,Laminar model,Multiple Frames of Reference（MFR）method to deal with the rotating mixing propeller,and the assumption of single bubble size.It shows that the simulated values are wellmatched to the experimental values.At the same time,the effect of the stirring revolution and aeration flow on the gas holdup and the mixing power are investigated.The results show that the model chosen for numerical simulation can well imitate the dispersion characteristic of gas-PPG system in stirred tank.

Numerical simulation；Experiment measurement；Gas-Polyether polyol（PPG）；Stirring power；Gas holdup

TQ018

A

1672－2868（2016）06－0049－06

责任编辑、校对：陈小举

2016-10-18

程群群（1985-)，女，安徽亳州人，巢湖学院化学与材料工程学院，助教。研究方向：化学工程与工艺。