基于CFD的雙向循環(huán)大型攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器的流場分析.pdf

1、攪拌設(shè)備普遍應(yīng)用在化工、食品、冶金、造紙、石油和水等行業(yè)中。尤其在化學(xué)工業(yè)中，攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的反應(yīng)器之一，而且攪拌槳為結(jié)晶器內(nèi)介質(zhì)動(dòng)力的直接來源，對介質(zhì)的充分傳熱和流動(dòng)、結(jié)晶器空間的充分利用和保證結(jié)晶產(chǎn)品的粒度分布有決定性的作用。目前對其雖然已有許多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，但有關(guān)的理論及設(shè)計(jì)方法仍不完善，半經(jīng)驗(yàn)的方法依然是工業(yè)過程中設(shè)計(jì)和放大的主要方法，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型來描述反應(yīng)器中的流體運(yùn)動(dòng)情況。近年

2、來，計(jì)算流體力學(xué)(CFO)方法用于研究攪拌釜式結(jié)晶應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合特性，可以節(jié)省大量的時(shí)間以及人力物力，顯示出卓越的優(yōu)勢，對未來攪拌釜的研究、開發(fā)與設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的影響不可估量。
　　 目前，對攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器的研究并不成熟，特別是槳葉的設(shè)計(jì)處于保密狀態(tài)；另外，槳葉的葉片多為扭曲形狀，在制造上只能采用澆鑄工藝，很難保證槳葉的制造精度。實(shí)際上，用機(jī)翼理論和葉柵理論指導(dǎo)軸流泵和船用螺旋槳的葉輪設(shè)計(jì)已較成熟，而軸流泵和船用螺旋槳的葉輪

3、與攪拌釜的軸流槳在結(jié)構(gòu)和性能上有很多相似之處，所以本文嘗試借鑒軸流泵與船用螺旋槳的葉輪設(shè)計(jì)理論來設(shè)計(jì)此攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器的葉片。
　　 本文的研究內(nèi)容依托上海高橋石化《雙向循環(huán)大型攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器裝置的研制》課題，主要研究工作和成果包括：
　　 (1)簡要總結(jié)了翼型葉輪的三種常用設(shè)計(jì)理論，并對他們的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上利用水力設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器的葉片。
　　 (2)利用CFD軟件FLUENT

4、，采用多重參考系法，針對攪拌釜內(nèi)流體進(jìn)行單相流場數(shù)值模擬，分析了流場的宏觀規(guī)律、速度特性；針對攪拌轉(zhuǎn)速、離底高度、介質(zhì)密度等可能對流場產(chǎn)生較大影響的參數(shù)分別進(jìn)行了考察，并對其流場進(jìn)行橫向比較，分析其參數(shù)對流場的影響規(guī)律。
　　 通過以上研究可知：該攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器主要產(chǎn)生軸向流；攪拌流場的絕對速度和轉(zhuǎn)速成正比，隨著轉(zhuǎn)速的增加，剪切性能更好；攪拌槳離底高度對出口速度有所影響，隨著高度的增加，循環(huán)性能更好，但是離底太高，增加了攪拌

5、軸的懸長，對攪拌軸和攪拌槳的安全不利，因此應(yīng)從多方面考慮選擇攪拌槳的離底高度；攪拌釜介質(zhì)密度與其推力成正比，密度越大攪拌釜的循環(huán)性能更好。
　　 (3)基于CFD對攪拌釜進(jìn)行固液兩相流數(shù)值分析，主要探討此攪拌釜的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而分析其對結(jié)晶過程的影響；本文主要探討攪拌釜的轉(zhuǎn)速，顆粒直徑、顆粒的濃度等因素，間接來分析攪拌釜結(jié)晶的過程。通過分析可知：從宏觀流場來看，固體顆粒的粒徑比較小且體積濃度不太大的情況下，固體顆粒對于連續(xù)相

6、的作用不明顯；轉(zhuǎn)速和固體顆粒濃度對攪拌釜攪拌性能的影響不是很大，而固體顆粒粒徑對攪拌釜的攪拌性能影響卻比較大，在顆粒直徑大于0.1mm時(shí)，攪拌釜的攪拌性能明顯不好。
　　 (4)混合時(shí)間是攪拌釜式結(jié)晶反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文應(yīng)用CFD軟件FLUENT，選用多重參考系法(MRF)及標(biāo)準(zhǔn).k-ε模型，研究了不同的示蹤劑加料點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)位置及操作條件對混合時(shí)間的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：混合過程主要由攪拌槽內(nèi)的流體流動(dòng)所控制；選擇槳葉下