反应釜搅拌轴的结构改进问题

刘　馥　曹　静

（盘锦职业技术学院，盘锦 124000）

反应釜搅拌轴的结构改进问题

刘馥曹静

（盘锦职业技术学院，盘锦 124000）

结合计算流体动力学数值模拟方法，在分析数值计算模拟和方法的基础上，对改进反应釜的内部单相、双相流场进行数值模拟分析。模拟结果表明，通过改进的釜搅拌轴结构能够有效保证搅拌功率得到增加，大幅度提升轴向循环效果，具有进一步推广的价值。

反应釜 数值模拟 搅拌轴 结构优化 流场分析

当前，在化工、制药等领域中经常应用到承压反应釜。具体的应用过程，则涉及到复杂的固液多相混合操作，且会产生大量的热传递效应。如果在此过程中呈现出不好的混合效果，就会导致出现压力、温度局部的剧烈变化，造成设备失效情况的发生。一般来说，进行混合的过程中，将密度比较低的固液混合入固相介质或者液体存在一定难度，经常会出现物料团结、投料溶入等问题。因此，这对有效开展低密度颗粒搅拌的时间提出了一定要求。所以，合理设置反应釜搅拌轴的结构具有重要意义，能够满足一定的悬浮效果。

在传统的设计过程中，利用半经验设计方法，往往具有周期长、过程较为复杂，难以进行深入有效优化等问题。所以，结合计算流体动力学（CFD）软件Fluent，通过内部流场分析和模拟，能够知晓对搅拌设备的合理实际[1,2]。当前，已经有相当多的国内外学者针对搅拌设备的内部流场进行数值模拟分析，且获得了一定的研究结果。但是，考虑到颗粒密度小于液相的上浮颗粒的搅拌过程研究还不太多，这里利用CFD数值模拟，探讨固液搅拌效果不佳的反应釜相关问题，探讨反应釜搅拌轴的结构改进问题，以期对后续的反应釜设计提供一定指导。

1　计算模型和方法

1.1物理模型

根据设备结构，在反应釜及其搅拌器中采用传统的4层PBT桨。原有的操作参数如下：8方且内径为2400mm操作容积；转速为9893r/min；固相粒径范围在20～50μm，且主要为珍珠岩颗粒，堆积密度为0.176×103kg/m3；在进行第一次进料后，其中的固相体积分数为2%。在运行过程中，上述设备液面中还存在大量的固体粉末、长时间没经过均匀搅拌等情况，这样就会由于吸水而出现结块问题。在进行一定的操作时间后，就会使较为严重的垢块出现在挡板以及容器内壁上，严重破坏内部流场形态，不能起到有效的混合效果，从而影响设备的安全运行。经过分析发现，主要的问题包括釜内轴向循环效果不佳、搅拌的功率配合比较低以及液面存在多个循环死角问题。所以，应该在保障有效增大搅拌器功率的情况下，对搅拌器进行改进优化设计，以保证流场内部的轴向循环，优化液面的轴向流动状态。通过挡板的优化，避免出现严重的物料集中的死角。这里，采用三层双折叶桨改进搅拌器（见图1），并进行相关的流场分析，以验证优化改进后的流场效果。通过CFD模拟的流场数据，有效保证优化效果，同时进一步开展深入的优化设计。

图1　改进后的反应釜及搅拌器桨叶结构

1.2数值计算模型

这里结合实际情况，建立整体的反应釜的三维模型，从而保证网格构建过程中流场的离散化处理及有效的精度要求。对于特殊的流动边界位置，如近壁区域、交界处、桨叶表面，都是采用网格加密处理。另外，还对整体进行了相应的网格无关性验证处理，其中的检验指标则是搅拌桨扭矩。经过必要的验证可以看出，对于大于超过90万的网格来说，搅拌器的扭矩都在5%范围内。为了有效保证具有较高的计算效率，结合实际可以接受的计算时间，这里的总网格数量为128万网格左右[3]。

1.3数值模型中计算方法和边界条件的设置

应用CFD数值模拟技术，利用有效体积法进行离散方程处理。其中，压力-速度耦合则是通过SIMPLE算法获得。一般来说，利用有效的二阶迎风格式的差分格式，可采用多重参考系法（MRF）。为了有效描述内部流场，采用两种不同区域划分，内部是具体有旋转的桨叶等，外部则是静止状态的挡板。选择两个参考系，分别是静止参考系和旋转参考系。在湍流模型的选择过程中，则是利用标准的k-模型；固液混合过程的模拟，则是采用Fluent软件中的mixture两相流进行模拟；计算过程中，为了保证具备有效的收敛性，则应该保证在进行非定常的数值设置中选择步长为0.05s。

文中采用有限体积法来离散方程，压力-速度耦合使用SIMPLE算法得到，差分格式采用二阶迎风，流动场的计算使用多重参考系法（MRF），将计算域分为两种区域，其中三个内部区域包括旋转的桨叶，外部区域包括静止的挡板，桨叶附近区域在旋转参考系下计算，其他区域使用静止参考系。选用标准k-e湍流模式来模拟湍流，采用mixture两相流模型处理固液混合过程。为保证计算的收敛性，固液两相流非定常数值模拟的时间步长取0.05s。

对于反应釜内流场的计算和分析，单相流动的定常数值模拟基于CFD分析软件Fluent进行，计算流域网格划分采用软件Gambit，流场的后处理借助软件Tecplot。

2　数值模拟结果与分析

2.1反应釜单相流场分析

2.1.1原结构单相流场

针对在8方体积中的反应釜原结构进行计算流体动力学数值模拟分析。在没有改进的搅拌结构中，分析内部纵向剖面的速度矢量分布，同时结合纵向截面的速度矢量图，可以看出符合流动规律的轴向循环并没有在反应釜内形成，轴向流动趋势在液面附近并没有明显趋势。整体分析搅拌流场中存在比较低的流动速度，同时还存在一定的低速区，也就是较多循环滞缓区域。经过模拟计算，在90%的机械效率下，一般的搅拌功率为1.04kW，能够接近对原结构的实测数据1.10kW。总体来看，搅拌功率明显偏低。

2.1.2改进结构单相流场

根据8方体积反应釜改进结构的内部流场，进行计算流体动力学数值模拟分析。模拟改进结构的反应釜搅拌器的速度流场分布，利用有效的强制轴向循环双折叶式搅拌桨来有效改进结构内部。通过流场分析，能够有效改变液面附近漩涡状态，明显增强了罐内流体轴向运动的趋势，实现了内部流场中较为充分的轴向循环功能。

另外，通过改进后的搅拌流场液面分析计算，速度为1.0～1.3m/s。与原结构相比，得到了大幅提升。同时，90%机械效率情况下，能保证整体搅拌功率提升到7.6kW，达到原有效果的7倍左右，实现了中等剧烈程度的搅拌，充分满足了剧烈搅拌的临界状态，从而可以有效进行相关液体、固体粉末的混合操作。

2.2固液混合时间预测

通过将固相颗粒模拟加入到反应釜改进结构中，并进行气固两相流的模拟，进一步验证改进的效果；开展相关釜内固液两相混合模拟计算，得到固相浓度分布；同时，有效开展单次加料操作混合时间的预测。

初始状态设置方面，应该保证在液面上均匀漂浮固体粉末的情况。考虑到反应釜内的8方清水条件，要求在液面上漂浮着具有体积分数为2%的珍珠岩颗粒。根据实际模拟情况，确定转速则为93r/min，且不考虑启动状态的过程，探讨0～355s内釜内轴截面固相分布。同时，对改进模型的三个位置进行监测，得到三个位置的固相体积分数变化情况，如图2所示。结果发现，随着相关搅拌时间的提升，沿着轴心附近的固体颗粒则被搅下。在此基础上，进行有效的四周扩散，约20s的搅拌时间内计算得到监测的固相体积分率，其和最后结果相差约为20%，能够实现物料中等混合程度；进行30s左右的时间内，可以实现基本混合均匀的物料。

图2　固相体积分数变化曲线

3　结论

计算分析反应釜的CFD流场，合理优化结构，有效增加了搅拌功率，同时实现了轴向循环效果的大幅度提升，有效改善了液面物料漂浮问题，具有很高的推广价值。

[1]胡效东，田强，戚振，等.基于滑移网格的反应釜内部流体动力学特性研究[J].压力容器，2013，（7）：30-38.

[2]杨阳，赵建平.EPS聚合反应釜内混合过程的数值模拟[J].轻工机械，2012，30（6）：1-4.

[3]曹海亮，陈猛，贾宝光.热管搅拌反应釜内综合性能的数值模拟[J].化工进展，2014，（9）：2273-2278.

Analysis of the Reactor Structural Improvements Agitator Shaft Problems

LIU Fu,CAO Jing
(Panjin Vocational and Technical College, Panjin 124000)

R esults of computational flu id dynamics simulation method, based on the analysis and numerical simulation methods, improve internal reactor for s ingle-phase, two-phase flow field numerical s imulation analysis, simulation results show that, by improving the kettle agitator shaft structure, can effectively guarantee the agitating power is increas ed, greatly enhance the effect of axial circulation, with further promotion of value.

reactor, numerical si mulation, stirring shaft, structural optimization, flow field analysis