任 超 王學(xué)生

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

混合式攪拌器在結(jié)晶罐中的應(yīng)用及數(shù)值分析

任 超*王學(xué)生

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠檸檬酸結(jié)晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，對(duì)一種新型冷卻結(jié)晶罐的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究。得到了罐內(nèi)流場(chǎng)和速度分布情況，分析了攪拌器表面靜壓分布并預(yù)測(cè)了攪拌功率，為結(jié)晶操作中攪拌器的選擇與設(shè)計(jì)提供了參考。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行了工程考核。結(jié)果表明，新型混合攪拌器使結(jié)晶率和產(chǎn)量均有很大的提高，產(chǎn)品質(zhì)量較改造前得到明顯改善，晶粒均勻，晶型規(guī)則，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

結(jié)晶罐 螺帶式 攪拌器 數(shù)值分析 流場(chǎng)分布 工程考核

0 前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué) (CFD)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析方法已經(jīng)成為化工裝備行業(yè)研究的重要手段之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)攪拌器的流體力學(xué)性能和傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值研究[1-3]，預(yù)測(cè)了各種攪拌罐內(nèi)的流場(chǎng)特性、攪拌器功率消耗、混合性能及傳熱性能，而對(duì)于一些新型獨(dú)特的混合攪拌器研究不多，數(shù)值分析甚少。結(jié)晶是食品、化工和醫(yī)藥行業(yè)生產(chǎn)精制產(chǎn)品的重要工藝。在檸檬酸的生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶操作是最重要的操作單元之一[4]。為及時(shí)從檸檬酸溶液中結(jié)晶出合格的晶體，分離出母液，防止母液被污染和稀釋，并保證較高的結(jié)晶率和收率，選擇合適的工藝條件是必要的，而且還要使用合適的結(jié)晶設(shè)備。

目前國(guó)內(nèi)使用的結(jié)晶罐體積日趨增大。為了使罐內(nèi)結(jié)晶液有更高的混合效果，以保證溶質(zhì)溫度的均勻性和濃度的均勻性，于是提出了攪拌器的功能問(wèn)題，即如何保證結(jié)晶液在罐內(nèi)不同部位，尤其是在罐壁處和罐內(nèi)中央處的均一性要求。傳統(tǒng)的結(jié)晶罐一般采用錨式、框式攪拌器，這類攪拌器的作用都為形成徑向型流動(dòng)，很少有上下翻動(dòng)現(xiàn)象，而且為避免晶體粘附在擋板上，往往不設(shè)擋板，因此很難達(dá)到罐壁處與罐中央處物料濃度的均一性和罐內(nèi)上下物料濃度的均一性。由于槳葉結(jié)構(gòu)的原因，一般的攪拌槳轉(zhuǎn)速較低，但對(duì)于黏度較大且易粘壁的非牛頓結(jié)晶液而言，較低的轉(zhuǎn)速不能滿足其要求[5-6]。在綜合考慮的基礎(chǔ)上，決定選用螺帶式攪拌器。實(shí)踐證明，這是非常合理的選擇。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠檸檬酸結(jié)晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent 6.3對(duì)該新型結(jié)晶罐進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值研究，預(yù)測(cè)了攪拌器的功率特性和表面壓力分布，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行了工程考核，為今后結(jié)晶罐攪拌器的選擇與設(shè)計(jì)提供了參考。

1 計(jì)算模型與模擬方法

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸與網(wǎng)格劃分

結(jié)晶罐的模型及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。攪拌器為雙螺帶式與框式的組合，所采用的結(jié)晶罐其罐體上部為圓柱形，下部為圓錐形封頭，罐體的直徑為D=1.8 m，雙螺帶式攪拌器的直徑為d=1.76 m，螺帶的高度為h=1.76 m，螺帶的寬度為w=150 mm，螺帶的厚度為δ=14 mm，螺帶與筒體內(nèi)壁間隙為c=20 mm。雙螺帶攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 雙螺帶攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于雙螺帶式攪拌器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在Gambit中劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格，槳葉附近和槳葉至槽壁之間區(qū)域采用Hex/Wedge方式劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 (區(qū)域1)，其余部分采用Tet/Hybrid方式劃分為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 (區(qū)域2)，一共有632 029個(gè)單元。圖2為Y=0 mm的網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 Y=0平面的網(wǎng)格劃分

1.2 模擬方法

采用有限體積法將流動(dòng)控制方程離散化[7]，速度-壓力耦合關(guān)系采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)的離散使用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算使用的軟件是Fluent 6.3，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，收斂精度達(dá)到了10-4。

對(duì)于攪拌器的CFD分析方法主要有[8]： “黑箱”法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法 (MRF)、滑動(dòng)網(wǎng)格法 (SG)等。目前應(yīng)用最多的是多重參考系法和滑動(dòng)網(wǎng)格法?；瑒?dòng)網(wǎng)格法對(duì)流動(dòng)場(chǎng)、剪切場(chǎng)、混合時(shí)間的模擬結(jié)果較好，對(duì)尾渦大小的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。由于進(jìn)行的是完全非穩(wěn)態(tài)模擬，這種方法計(jì)算時(shí)需要大量的時(shí)間以及復(fù)雜的后處理過(guò)程。多重參考系法的模擬方法不需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，并且可以按照穩(wěn)態(tài)的方法模擬，能準(zhǔn)確地模擬速度域，混合時(shí)間上的模擬還要優(yōu)于滑動(dòng)網(wǎng)格法，可以節(jié)省大量的時(shí)間。

綜合考慮以上因素，采用MRF來(lái)處理運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的槽壁之間的相互作用，將計(jì)算區(qū)域分成互不重疊的兩部分，即區(qū)域1和區(qū)域2，如圖1所示。中間包含運(yùn)動(dòng)的槳葉的部分為區(qū)域1，計(jì)算時(shí)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；其他部分為區(qū)域2，計(jì)算時(shí)采用靜止坐標(biāo)系。區(qū)域1和區(qū)域2之間的數(shù)據(jù)通過(guò)交界面進(jìn)行傳遞計(jì)算。

1.3 邊界條件

選取檸檬酸作為流體介質(zhì)，密度為1 450 kg/m3，黏度為0.002 5 Pa·s。計(jì)算中攪拌轉(zhuǎn)速為50 r/min。計(jì)算域選取整個(gè)流體區(qū)域，罐內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，為了有利于收斂將自由液面定義為對(duì)稱邊界，法向速度為零，壓力梯度為零。

假設(shè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體的轉(zhuǎn)速與攪拌器的轉(zhuǎn)速相同，攪拌器和罐壁定義為壁面邊界，其中攪拌器定義為旋轉(zhuǎn)壁面，其相對(duì)于周?chē)黧w速度為0，罐壁為靜止壁面；采用無(wú)滑移邊界，近壁采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 宏觀流場(chǎng)分布

圖3為Y=0平面上的速度矢量圖及局部放大圖。由圖可見(jiàn)，整個(gè)流場(chǎng)是以軸向流為主，但下端框式攪拌器處主要以切向流和徑向流為主；由于螺帶槳葉具有較大的軸向推力，它將流體帶向結(jié)晶罐上端，使之在近壁處向上流動(dòng)，到達(dá)頂部后又沿?cái)嚢栎S向下流動(dòng)，從而形成整罐的大環(huán)流，這與實(shí)際流動(dòng)相符。由圖3右側(cè)放大圖可見(jiàn)，在螺帶周?chē)泊嬖谛〉沫h(huán)流，螺帶和槽壁之間的流體沿槽壁向上運(yùn)動(dòng)，螺帶內(nèi)端的一部分流體向上流動(dòng)，在槳葉處出現(xiàn)漩渦，這主要是因?yàn)樾D(zhuǎn)過(guò)程中槳葉背面產(chǎn)生低壓，周?chē)黧w在壓差的作用下向低壓區(qū)流動(dòng)而造成的。

圖3 Y=0截面處速度矢量圖和局部放大圖

圖4 所示分別為 Y＝0、 Z＝900 mm、 Z＝-250 mm截面處速度云圖，圖4(b)、圖4(c)所取截面分別為圖1中平面1、平面2。圖4(a)所示該流場(chǎng)比較對(duì)稱，螺帶附近存在對(duì)稱的循環(huán)流，且上方速度較小；螺帶內(nèi)端區(qū)域和外端區(qū)域的流體由于被螺帶攪起并受槳葉的壓力作用，因而其速度較大；罐壁邊界層中的流體呈現(xiàn)出罐內(nèi)最大流速，說(shuō)明螺帶式攪拌器可以很好地強(qiáng)化傳熱，增大循環(huán)量，使混合均勻。圖4(b)中螺帶產(chǎn)生的流動(dòng)在水平面上為環(huán)向流，槽中心處以軸向流為主，速度較小，周?chē)鷧^(qū)域速度分布比較均勻。圖4(c)中，截面處于框式攪拌器上，因此其與圖4(b)流場(chǎng)不同，在槳葉的內(nèi)側(cè)由于切向流的作用，速度梯度較大，速度分布不均勻。

圖4 Y=0，Z=900 mm，Z=-250 mm截面處速度云圖

2.2 參考直線上的速度分布

考慮到雙螺帶式與框式組合的復(fù)雜性，要沿槳葉方向求其速度分布比較麻煩，因此分別取螺帶和攪拌軸間沿軸向的兩條縱向直線以及穿過(guò)軸心沿徑向的一條橫向直線，考察直線上各點(diǎn)的各項(xiàng)速度分布[9]。如圖2所示，縱向直線1靠近攪拌軸，距軸心線250 mm；縱向直線2靠近螺帶內(nèi)端，距軸心線580 mm；橫向直線3位于Z=900 mm的平面上。

圖5中所示為直線1和直線2上的速度曲線對(duì)比，可以看出軸向速度和徑向速度的變化趨勢(shì)明顯比切向速度的大。圖5(a)中，兩條直線都受到螺帶的漩渦影響，軸向速度曲線均隨Z軸呈現(xiàn)周期變化，直線1靠近攪拌軸，此處流體向下流動(dòng)，速度為負(fù)，且在螺帶底部與框式槳葉上部之間的地方，軸向速度達(dá)到最大，約為-0.52 m/s；直線2靠近螺帶，軸向速度為正值，最大軸向速度出現(xiàn)在螺帶上部，約為0.56 m/s。圖5(b)中，直線1的徑向速度沿Z軸由正值逐漸減小到負(fù)值，由于罐內(nèi)大環(huán)流的作用，下部流體流向罐壁速度為正，上部流體流向軸心速度為負(fù)；直線2受到螺帶的作用，其速度僅出現(xiàn)周期變化。圖5(c)中，切向速度的變化較為平穩(wěn)，且直線2所處的圓周直徑大于直線1，所以切向速度較大，兩者最大切向速度均在下方框式攪拌器處。

圖6中，橫向直線上各項(xiàng)速度比較對(duì)稱，速度變化也很明顯，軸向速度在螺帶內(nèi)端出現(xiàn)兩個(gè)波峰，在罐壁處達(dá)到最大1.2 m/s，靠近攪拌軸處為兩個(gè)波谷，速度為負(fù)。最大徑向速度依然在螺帶處，最大達(dá)到0.24 m/s。切向速度在靠近攪拌軸處最小，罐壁處最大達(dá)到2.2 m/s。

2.3 攪拌器功率消耗及壓力分布

攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪拌設(shè)備最基本的特性參數(shù)之一，它是用來(lái)衡量攪拌釜內(nèi)流體攪拌程度和流動(dòng)狀態(tài)的重要指標(biāo)。為了預(yù)測(cè)攪拌器的功率消耗，將攪拌器表面靜壓積分求出扭矩 (可通過(guò)模擬結(jié)果直接讀出)，與轉(zhuǎn)速相乘即可求出攪拌功率的大小，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 攪拌器功率消耗

圖7為攪拌器表面靜壓分布圖，給出兩個(gè)角度下的結(jié)果以便于觀察。由圖7可見(jiàn)，螺帶式槳葉表面壓力分布均勻，槳葉下表面靜壓值大于上表面，且由于深度的不同，靠上的槳葉靜壓小于下方槳葉的靜壓。下方框式槳葉靜壓最大值出現(xiàn)在葉梢位置，對(duì)稱的另一半槳葉受負(fù)壓，槳葉表面壓力分布不均勻。整個(gè)攪拌器最大靜壓約為5.8 kPa。該結(jié)果可為攪拌器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和載荷設(shè)置提供參考。

圖7 攪拌器表面靜壓

3 新型結(jié)晶罐的工程應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某廠在檸檬酸結(jié)晶中使用的框式攪拌器，由于只有切向流，攪拌強(qiáng)度低且不利于傳熱，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，晶粒大小不均勻、形狀不規(guī)則。由于生產(chǎn)效率低、能耗高，電機(jī)負(fù)荷大，使其生產(chǎn)出現(xiàn) “瓶頸”。因此為了滿足生產(chǎn)的需要，對(duì)其檸檬酸結(jié)晶罐進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。把現(xiàn)有的框式攪拌器改為以上所研究的雙螺帶式和框式的混合型式。表3為不改變其他結(jié)晶工藝條件的前提下，對(duì)改造后的新型結(jié)晶罐運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果，并與改造前的標(biāo)定結(jié)果相比較。

從表3可以看出：應(yīng)用新型螺帶式結(jié)晶罐后，結(jié)晶時(shí)間縮短了2 h左右，結(jié)晶率提高了12%，產(chǎn)量明顯提高，增加了10%～13%。檸檬酸產(chǎn)品的物理外觀質(zhì)量明顯提高，晶體顆粒分布集中，晶型規(guī)則，晶粒均勻。避免了因晶體顆粒長(zhǎng)大、攪拌功率不足和晶粒下沉而造成的攪拌電機(jī)抱死現(xiàn)象。此外，還節(jié)省了夾套中的冷卻水量，節(jié)能效果明顯。

標(biāo)定結(jié)果表明，在現(xiàn)行工藝條件下，安裝新型螺帶式攪拌器的結(jié)晶罐其各項(xiàng)性能指標(biāo)相比改造前均有很大提高，達(dá)到了預(yù)期的目的。

表3 結(jié)晶罐改造前后運(yùn)行參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠檸檬酸結(jié)晶罐的改造，以雙螺帶與框式混合攪拌器為模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 6.3對(duì)該新型結(jié)晶罐進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行了工程考核，為今后結(jié)晶罐攪拌器的選擇與設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。本文結(jié)論如下：

（1）雙螺帶與框式混合攪拌器使整個(gè)流場(chǎng)以軸向流為主。在圓錐封頭區(qū)域，框式攪拌器使流場(chǎng)以切向流和徑向流為主。攪拌罐形成一個(gè)大的環(huán)流，流體在罐內(nèi)的中部沿?cái)嚢栎S向下流動(dòng)，貼近罐壁處向上流動(dòng)，螺帶區(qū)域還有局部的環(huán)流漩渦存在。

（2）通過(guò)比較三條參考直線上的軸向速度、徑向速度和切向速度，直觀地認(rèn)識(shí)了罐內(nèi)不同區(qū)域速度分布情況；計(jì)算了攪拌功率，分析了攪拌器表面的靜壓分布。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試，新型螺帶式結(jié)晶罐有效地防止了結(jié)晶液的粘壁現(xiàn)象，保證了結(jié)晶液溫度與濃度的均勻性；使得結(jié)晶率和產(chǎn)量均有很大的提高，產(chǎn)品質(zhì)量較改造前得到明顯改善，晶粒均勻，晶型規(guī)則，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，解決了企業(yè)的難題。

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Application and Numerical Analysis of Combined Agitator in Crystallizer

Ren Chao Wang Xuesheng

Aimed at the reconstruction of citric acid crystallizer in a factory,the flow field numerical simulation of new type cooling crystallizer with a double helical ribbon and gate combined agitator was carried out.The flow field and velocity distribution in crystallizer were obtained,static pressure distribution of the agitator surface was analyzed and agitation power was predicted,which provided reference for selection and design of agitator in crystallization.Engineering assessment of the new type crystallizer was conducted by field data test.The results showed that the combined agitator increased the crystallization ratio and production effectively,the quality was obviously improved compared with before reconstruction,the crystal size was uniform,the crystal shape was regular,and achieved the anticipated target.

Crystallizer;Helical ribbon;Agitator;Numerical analysis;Flow field distribution;Engineering assessment

TQ 051.6

*任超，男，1986年生，碩士研究生。上海市，200237。

2011-09-19）