攪拌式反應(yīng)釜內(nèi)部流體速度場(chǎng)研究

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對(duì)反應(yīng)釜實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬的原理為計(jì)算流體力學(xué)（CFD）。觀測(cè)流場(chǎng)的速度分布并分析原因，兩相流模型采用Euler-Euler模型和MRF多重參考坐標(biāo)系理論。并可以得出最終結(jié)論：流場(chǎng)速度較大的區(qū)域多集中在攪拌槳所在的區(qū)域中，在反應(yīng)釜壁面和攪拌器的共同作用下，產(chǎn)生徑向流，形成尺寸不同的渦流循環(huán)，并同時(shí)存在速度死區(qū)。

反應(yīng)釜CFDEuler-EulerMRF

引言

在化工工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)釜[1-3]是使用最普遍的一種設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)藥，石油，化工，食品等生產(chǎn)領(lǐng)域。目前，對(duì)于攪拌反應(yīng)釜的研究方法主要有兩種：試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。本次論文采用Euler-Euler多相流模型[4]，采用多重參考坐標(biāo)系[5-6]的方法，針對(duì)給定的攪拌式反應(yīng)釜，模擬內(nèi)部流體攪拌生產(chǎn)中的速度分布，分析反應(yīng)器攪拌混合特性，為實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)備優(yōu)化提供理論參考。

1氣液兩相流理論模型

本文主要對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行氣液兩相攪拌時(shí)的生產(chǎn)工況進(jìn)行模擬仿真，液相為水溶液，氣相為氧氣，轉(zhuǎn)速為300r/min，溫度為110℃，壓力為0.8MPa。

涉及到的理論模型有Euler-Euler多相流模型和Realizablek-ε模型。汽液兩相流理論方程組在Euler-Euler型模型基本操縱方程的形式：

連續(xù)性方程：

式中，為作用于氣液兩相的壓力，μeff為有效粘度，F(xiàn)lg為相間動(dòng)量傳遞項(xiàng)。綜合實(shí)際生產(chǎn)狀況，應(yīng)Euler-Euler模型的特點(diǎn)選用歐拉模型。

2反應(yīng)釜建模與網(wǎng)格劃分

2.1三維建模

通過(guò)UG三維制圖軟件對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行三維建模如圖1所示。根據(jù)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖將反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。上層槳為六斜葉軸流式攪拌槳，下層槳為閉式圓盤(pán)渦輪徑流式攪拌槳。

2.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分軟件為GAMBIT前處理軟件，為保證計(jì)算精度和合理的模擬計(jì)算量，對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分。劃分原則為優(yōu)先使用六面體網(wǎng)格，對(duì)于不規(guī)矩區(qū)域采用周圍體網(wǎng)格劃分。六面體網(wǎng)格計(jì)算質(zhì)量較高，收斂快，降低分析計(jì)算成本。而周圍體網(wǎng)格適應(yīng)性強(qiáng)，可以較好填充不規(guī)矩區(qū)域。如圖3所示為反應(yīng)釜網(wǎng)格劃分截面圖，最終生成網(wǎng)格總數(shù)為325665個(gè)。

3仿真計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為反應(yīng)釜內(nèi)速度矢量圖，由矢量圖可以直觀的看出流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀況。依照攪拌槳分布來(lái)看每層攪拌槳與反應(yīng)釜內(nèi)壁和相鄰攪拌槳之間相互作用在反應(yīng)釜內(nèi)形成2個(gè)子循環(huán)區(qū)并且構(gòu)成整個(gè)反應(yīng)釜的循環(huán)流場(chǎng)。

上層六斜葉攪拌器帶動(dòng)水流主要作軸向滾動(dòng)，一部分水流發(fā)生徑向滾動(dòng)，與反應(yīng)釜壁發(fā)生碰撞后，水流發(fā)生變化，水流分成兩部分，水流一部分沿壁面向下滾動(dòng)，另一部分繼續(xù)沿壁面向上滾動(dòng)。在兩層攪拌槳的作用下，反應(yīng)釜內(nèi)水流形成循環(huán)體。由上至下，上層槳與反應(yīng)釜壁形成一個(gè)順時(shí)針的滾動(dòng)循環(huán)。下層槳與反應(yīng)釜壁形成一個(gè)小的順時(shí)針?shù)鰷u滾動(dòng)循環(huán)。

結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用FLUENT軟件，Euler-Euler模型和MRF方法對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)攪拌流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測(cè)并分析總結(jié)了反應(yīng)釜內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布規(guī)律和形成原因，得出結(jié)論與生產(chǎn)實(shí)際基本吻合，對(duì)設(shè)備工藝生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)具有參考價(jià)值。當(dāng)攪拌反應(yīng)釜運(yùn)行工作時(shí)，攪拌槳區(qū)域速度較大，液體頁(yè)面中央有漩渦