李 巖，劉雪東，錢建峰

（1常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2蘇州市協(xié)力化工設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215137）

搪玻璃設(shè)備的制備是選用高含硅量的搪玻璃釉料施涂在經(jīng)過特殊處理的金屬表面，通過900℃左右高溫多次煅燒，使釉料密著于金屬基材表面，與金屬緊密結(jié)合，因此具有良好的耐腐蝕性和金屬強(qiáng)度的雙重優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥等過程工業(yè)中，以完成多種單元操作過程[1-2]。搪玻璃攪拌槳是搪玻璃設(shè)備的一種易損件，好的攪拌槳在同等使用的情況下有著較長的使用壽命，并且可以大大提高攪拌效率，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量等[3]。

隨著國內(nèi)外石油化工，特別是精細(xì)化工等工業(yè)的迅速發(fā)展，對優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕設(shè)備的需求越來越多，搪玻璃攪拌槳由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，市場需求前景廣闊。但由于其特殊的加工工藝要求，結(jié)構(gòu)不宜太復(fù)雜，目前使用的搪玻璃攪拌槳以傳統(tǒng)型為主，結(jié)構(gòu)單一，黏度適用范圍小，已不能滿足某些新工藝的需求[4-5]。國內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)不斷致力于新型高效節(jié)能型搪玻璃攪拌槳的研究開發(fā)，取得了一定的成果[6-10]。本文作者采用CFD方法，對某企業(yè)開發(fā)的新型搪玻璃攪拌槳進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究，以期對搪玻璃攪拌槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)有所指導(dǎo)。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 研究對象

攪拌釜計(jì)算域的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1，筒體內(nèi)直徑D=800 mm，槳徑為d，槳葉與水平面夾角為θ，葉片最大寬度為b，液面高度H=D，新型槳（N型）離底高度C=d，傳統(tǒng)槳（PBT）[11]C=200 mm?？紤]搪玻璃設(shè)備制造安裝等工藝要求[12]，筒內(nèi)安裝一塊擋板，擋板由圓管壓扁，寬度與筒壁距離為8 mm。模擬介質(zhì)為水。攪拌器參數(shù)見表1。

表1 攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

利用Solidworks建模，導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用多重考系法（MRF）解決靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌槳之間的相對運(yùn)動(dòng)問題，將整個(gè)計(jì)算域一分為二，槳葉及其附近流體區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其它流體區(qū)域設(shè)置為靜止坐標(biāo)系，通過交界面，兩部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)量、能量的交換[13]。網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對內(nèi)部動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，生成網(wǎng)格總數(shù)約300萬個(gè)。

1.3 模擬方法

采用Fluent 6.3軟件，流場計(jì)算采用MRF法，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為定常流動(dòng)，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項(xiàng)的離散使用二階迎風(fēng)差分格式，殘差迭代到10?3時(shí)為收斂。在收斂流場的基礎(chǔ)上采用SM法[14-15]，打開混合模型，進(jìn)行非定常計(jì)算，自定義示蹤劑，迭代過程開始部分時(shí)間步長設(shè)為1 ms，后續(xù)迭代過程中為加快收斂速度，適當(dāng)加大時(shí)間步長，設(shè)置示蹤劑的收斂殘差為 10?6。

2 新型槳攪拌特性模擬結(jié)果與分析

2.1 流場分布

2.1.1 擋板的影響

攪拌釜內(nèi)安裝擋板是為了改變流場的流型，增強(qiáng)液體對流循環(huán)強(qiáng)度，同時(shí)更充分地利用槳葉加入的能量，從而提高攪拌效果。以N3型（槳葉折角35°、葉寬75 mm）、n=100 r/min為例，選取X=0 mm、Z=282 mm 兩個(gè)分別垂直于X軸和Z軸的截面，研究安裝擋板前后的流場分布。

由圖2可知，由于槳葉的折葉結(jié)構(gòu)，流體受到槳葉的擠壓作用，在槳葉附近湍動(dòng)最大。圖2(a)、圖2(c)為不加擋板時(shí)，流體隨槳葉的高速旋轉(zhuǎn)被甩出，受離心力的作用，基本繞軸做環(huán)向循環(huán)流動(dòng)，此時(shí)軸向流較弱，不利于流體的混合，且容易出現(xiàn)漏槳現(xiàn)象。圖2(b)、圖2(d)為加擋板后，擋板的擾流作用一定程度上改變了近壁區(qū)域的流體流動(dòng)方向，避免了打漩現(xiàn)象，使得槳葉端部的高速水平射流在流動(dòng)中夾帶周圍流體，迅速向釜體邊緣擴(kuò)散，碰到壁面后，分成向上、向下兩股分流，釜內(nèi)軸向和徑向流加強(qiáng)，整體攪拌作用隨之增大。故加擋板后槳葉的攪拌效果更好。

2.1.2 槳葉離底高度的影響

圖3為加擋板n=100 r/min，N3型槳葉不同離底高度時(shí)，通過攪拌軸垂直截面的流場分布圖，由圖可看出流型與槳葉離底高度有明顯關(guān)系。圖3(a)、圖3(b)分別為C=150 mm、C=225 mm，此時(shí)釜內(nèi)形成一個(gè)整體循環(huán)，且離底高的漩渦較小，混合更好，所以槳葉不能離槽底太近。圖3(c)、圖3(d)為C=337 mm、C=450 mm，釜內(nèi)形成了雙循環(huán)，槳葉區(qū)出現(xiàn)了明顯的徑向流，同時(shí)，釜底的軸向流趨于加強(qiáng)，當(dāng)C=450 mm時(shí)，槳葉下端的循環(huán)更加明顯。故該槳葉的離底高度為C=450 mm時(shí)，攪拌混合效果較好。

2.2 速度分布

速度分布是重要的模擬參數(shù)，而槳葉區(qū)的速度分布尤其重要。為便于比較分析新型槳葉折角和葉寬對速度特性的影響，了解流體在釜內(nèi)的流動(dòng)狀況，用葉端線速度（Vtip）來量綱為1化速度，用槳葉半徑（R）來量綱為1化徑向距離，如圖4、圖5為加擋板n=100 r/min及6種槳葉分別在Z=200 mm、Z=350 mm截面沿徑向的時(shí)均速度分布。

由圖4知，整體上6種槳葉的速度分布規(guī)律一致，槳葉區(qū)速度最大值由小到大依次為：N1、N2、N3、N4、N5、N6，并且速度梯度較小，說明不同結(jié)構(gòu)新型槳葉具有類似的流動(dòng)特性。槳葉折角相同時(shí)，隨葉寬增大，槳葉區(qū)最大速度值增大；葉寬相同時(shí)，槳葉折角減小，槳葉區(qū)最大速度值減小。在r=1.33R位置處均出現(xiàn)一個(gè)峰值，此處位于擋板靠近槳葉一側(cè)，說明流體到達(dá)擋板時(shí)，速度有一個(gè)極值。

圖4處在槳葉下端區(qū)域，軸向速度靠近攪拌軸部分為正值，最大值約0.12Vtip，在槳葉端部靠后，葉端到壁面間為負(fù)值，在槳葉下端形成一個(gè)循環(huán)；徑向速度最大值約0.13Vtip，在葉端與擋板之間；切向速度最大值在葉端。圖5處在槳葉上端區(qū)域，靠近軸部分為負(fù)值，軸向速度最大值在槳葉尖端稍后，約0.19Vtip，葉端到壁面間為正值，在槳葉上端形成一個(gè)循環(huán)，徑向速度最大值為0.24Vtip，和切向速度最大值均在葉端?？梢?，新型槳葉徑向分流比軸向分流稍大，釜內(nèi)高速區(qū)主要集中在葉端附近，說明攪拌槳輸出的能量大多耗散在槳葉附近。

綜上，安裝N6型槳時(shí)，在反應(yīng)釜槳葉區(qū)形成的軸向流和徑向流比其它幾種都要強(qiáng)，對整個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)的物料混合起到較大的推動(dòng)作用，故N6型槳混合效果最好。

3 與傳統(tǒng)槳對比

為了研究搪玻璃新型槳葉的攪拌性能，本文作者將N型槳與PBT槳進(jìn)行了對比，并分別選取N2、N3和N4型槳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將同組參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)效果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 功率消耗比較

攪拌功率的大小表征攪拌釜內(nèi)物料的攪拌程度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是電動(dòng)機(jī)選型的依據(jù)。通過CFD計(jì)算結(jié)果，可以得到攪拌槳所受的扭矩值，從而計(jì)算出攪拌功率，結(jié)果如圖6。

由圖6可知，相同工況下模擬與實(shí)驗(yàn)的攪拌功率變化規(guī)律一致，均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；相同轉(zhuǎn)速時(shí)，攪拌功率從大到小依次為：PBT、N4、N3、N2，新型槳N2的功率消耗最低。N型槳模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相對誤差在10%左右，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，PBT槳模擬值比實(shí)驗(yàn)值高，誤差來自于高轉(zhuǎn)數(shù)下，實(shí)驗(yàn)裝置振動(dòng)較為劇烈，扭矩傳感器測量準(zhǔn)確性下降。

3.2 混合時(shí)間比較

混合時(shí)間是評價(jià)攪拌槳混合性能優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，如圖7為PBT槳在n=250r/min時(shí)的釜內(nèi)示蹤劑濃度分布圖。由圖7可知，整體上示蹤劑的擴(kuò)散呈現(xiàn)軸對稱性，且靠近槳葉區(qū)濃度較大，說明示蹤劑分散受速度場影響較明顯。圖7(a)時(shí)示蹤劑由上方加入，圖7(b)時(shí)隨槳葉的旋轉(zhuǎn)，示蹤劑向湍流程度相對較高的槳葉區(qū)流動(dòng)，圖7(c)時(shí)示蹤劑到達(dá)槳葉區(qū)，受到槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)的推力，沿軸向上下擴(kuò)散，并隨著攪拌槳排出流向釜壁處擴(kuò)散開來，圖7(d)示蹤劑沿壁面上下流向液面和釜底，到達(dá)釜內(nèi)各處，圖7(e)、圖7(f)釜內(nèi)示蹤劑濃度逐漸達(dá)到均勻分布。

圖8為同組參數(shù)下模擬與實(shí)驗(yàn)的混合時(shí)間隨轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖8可知，在同一轉(zhuǎn)速時(shí)，混合時(shí)間按N4、N2、N3、PBT的順序依次增大，說明新型槳葉比傳統(tǒng)槳葉混合時(shí)間更短；隨轉(zhuǎn)速增大，釜內(nèi)湍流越劇烈，混合時(shí)間呈相應(yīng)減小趨勢；整體上模擬與實(shí)驗(yàn)的混合時(shí)間變化規(guī)律一致，模擬比實(shí)驗(yàn)值偏大，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3.3 誤差分析

攪拌混合過程的數(shù)值模擬是基于特定的湍流模型，并對槳葉表面的流體流動(dòng)進(jìn)行了無滑移等假設(shè)，對攪拌槳葉的棱角等進(jìn)行了模型簡化。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備在高轉(zhuǎn)速運(yùn)作時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致扭矩等傳感器測量準(zhǔn)確性下降。

4 結(jié)論

通過對模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）新型槳加擋板后，流場的流型得到明顯改善，且在C=450mm時(shí)，釜內(nèi)軸向流和徑向流加強(qiáng)，整體攪拌作用增大。

（2）相同工況下，各新型槳葉的速度分布規(guī)律基本一致。隨槳葉折角和葉寬的增大，釜內(nèi)湍流程度增強(qiáng)，槳葉軸向、徑向和切向的速度最大值均增大，最大值的位置基本在槳葉區(qū)；新型槳的徑向速度最大值略高于軸向速度最大值，屬于偏徑向流的混流型槳，其中，N6槳在槳葉區(qū)的軸向和徑向速度最大。

（3）同一工況，隨轉(zhuǎn)速增大，槳葉的攪拌功耗增大，混合時(shí)間減小，并且整體上新型槳明顯比傳統(tǒng)槳功耗低，混合時(shí)間短；N2槳的功耗最低，N4槳的混合時(shí)間最短，實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)需要優(yōu)先選擇。

[1]張廣宇.搪瓷反應(yīng)釜的隱患與防護(hù)措施[J].廣州化工，2008，36（1）：55-57.

[2]Schafer G.3.27-Degradation of glass linings and coatings[J].Shreir’s Corrosion，2010，3：2319-2329.

[3]吳民權(quán).一種新型的搪玻璃攪拌槳—搪玻璃翼型軸流攪拌槳[J].石油和化工設(shè)備，2008（1）：20-23.

[4]周本浩.大雙葉片搪玻璃攪拌器的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[5]Rebert W Naidel， Jeffrey L Naidel， Gianni Artusi.Specifying glass-lined equipment[J].Chem.Eng.，2003，71（A）：33-38.

[6]Jean-Philippe Torré，David F Fletcher，Thierry Lasuye，et al.An experimental and computational study of the vortex shape in a partially baffled agitated vessel[J].Chem.Eng.Sci.，2007，62（7）：1915-1926.

[7]Rielly C D，Habib M，Sherlock J P.Flow and mixing characteristics of a retreat curve impeller in a conical-based vessel[J].Chem.Eng.Res.Des.，2007，85（7）：953-962.

[8]Remy S，Offwiller F R.Baffle secured at a distance from the inner wall of a glass-lined container by means of a local connection：US，7067821B2[P].2009-10-27.

[9]淄博三田機(jī)械密封有限公司.搪玻璃圓盤徑流和軸流組合式攪拌器：中國，201684558 U[P].2010-12-29.

[10]吳民權(quán).一種高效節(jié)能型搪玻璃攪拌槳：中國，201676651U[P].2010-12-22.

[11]全國搪玻璃設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).HG/T 2051.4—2007，搪玻璃攪拌器槳式攪拌器[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[12]全國搪玻璃設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 25025—2010，搪玻璃設(shè)備技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[13]LuoJV，GosmanAD，IssaRI，etal.Fullflowfieldcomputationofmixing inbaffledstirredreactors[J].Trans.I.Chem.E.，1993，71(A)：342-344.

[14]Bakker A，Laroche R D，Wang M H.Calabrese R V.Sliding mesh simulation of laminar flow in stirred reactors[J].Chem.Eng.Res.Des.，1997，75（A1）：42-44.

[15]張慶華，毛在砂，楊超，等.一種計(jì)算攪拌槽混合時(shí)間的新方法[J].化工學(xué)報(bào)，2007，58（8）：1891-1896.