嚴(yán)小生 邵洪根 李強(qiáng)

（1.江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009；2.杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司，杭州 310012）

啶蟲(chóng)脒是一種氯代煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑，對(duì)害蟲(chóng)具有觸殺和胃毒作用，并有卓越的內(nèi)吸活性，是一種高效、安全、廣譜、作用機(jī)制新穎的殺蟲(chóng)劑。工業(yè)上制備啶蟲(chóng)脒的方法通常是將含有啶蟲(chóng)脒的反應(yīng)溶液冷卻結(jié)晶制得。

目前，啶蟲(chóng)脒結(jié)晶釜通常采用錨式槳，其外觀如圖1所示。錨式槳的流型以水平回轉(zhuǎn)流為主，軸向混合能力較弱，導(dǎo)致晶體懸浮能力差；且近壁區(qū)流速大，軸附近流速小，流體速度分布不均勻，導(dǎo)致結(jié)晶周期長(zhǎng)，結(jié)晶粒徑分布不均勻，給固液分離及后續(xù)操作帶來(lái)麻煩。

隨著CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，通過(guò)CFD模擬的方法可以獲取不同過(guò)程流體的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等詳細(xì)信息，很大程度上彌補(bǔ)了測(cè)試手段有限的不足，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。CFD模擬結(jié)果直觀，可以節(jié)約時(shí)間和成本，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。

SP306是一種高效軸流型槳，其外觀如圖2所示。SP306懸浮能力強(qiáng)，即使固含量達(dá)到25%仍能獲得良好的懸浮效果。本文對(duì)SP306攪拌器進(jìn)行CFD模擬，以期根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)啶蟲(chóng)脒結(jié)晶釜進(jìn)行優(yōu)化，為結(jié)晶釜的攪拌器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，提高啶蟲(chóng)脒的產(chǎn)品品質(zhì)。

1 結(jié)晶釜條件

結(jié)晶釜內(nèi)徑1 500 mm，直筒高度1 800 mm；擋板四塊均布，寬度125 mm，安裝離壁距離35 mm；攪拌器直徑750 mm，層間距750 mm，底層槳葉離底高度375 mm。攪拌器采用高效軸流型槳SP306。

啶蟲(chóng)脒結(jié)晶體系的液相密度874 kg/m3，粘度1.0 cP，啶蟲(chóng)脒結(jié)晶密度1 170 kg/m3，平均粒徑0.75 mm，結(jié)晶體積含量0.05，直筒裝液高度1 500 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用有限體積法對(duì)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和動(dòng)量守恒方程離散求解。液相湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型形式簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣，已經(jīng)在攪拌釜的數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。采用Mixture多相流模型對(duì)固液兩相流進(jìn)行模擬，該模型將多相流視為相互滲透的連續(xù)介質(zhì)。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，首先應(yīng)將計(jì)算區(qū)域離散化，生成網(wǎng)格，然后將偏微分方程格式的守恒方程轉(zhuǎn)化為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組。本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。為提高計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)槳葉和攪拌軸區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。劃分完畢后網(wǎng)格數(shù)量為1 143 139，經(jīng)檢驗(yàn)已達(dá)到無(wú)關(guān)性要求。結(jié)晶釜模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

2.3 計(jì)算方法

從數(shù)值模擬的角度來(lái)看，模擬攪拌槽的一大難題是如何處理好運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板及槽壁之間的相互作用。本文選用多重參考系法（MRF）進(jìn)行模擬，攪拌器附近的流體區(qū)域劃為動(dòng)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)為與攪拌器相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系，將靜區(qū)域內(nèi)的流體視為靜止。槽內(nèi)壁面定義為靜止壁面條件，攪拌器及攪拌軸定義為運(yùn)動(dòng)壁面條件，其中，攪拌軸的主體部分處于靜區(qū)域內(nèi)，相對(duì)于靜止坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)的，攪拌器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)速度為0。

圖1 錨式槳外觀圖

圖2 高效軸流型槳SP306外觀圖

3 結(jié)果與分析

圖4為結(jié)晶釜在不同攪拌轉(zhuǎn)速下的速度分布矢量圖。由圖4可見(jiàn)，在攪拌器作用下，釜內(nèi)形成了一個(gè)軸向的全槽混合。

表1為不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜流場(chǎng)平均速度、速度方差和攪拌功率消耗。由表1可見(jiàn)，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，釜內(nèi)流體的速度增大，速度分布的均勻性也變好，但是到90 r/min之后變化不明顯。攪拌轉(zhuǎn)速提高之后，功率消耗也有顯著的增大。

圖5為不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶釜的結(jié)晶體積含量云圖。由圖 5（a）、（b）、（c）和（d）可見(jiàn)，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，結(jié)晶的懸浮狀態(tài)變好，分布越來(lái)越均勻。但是攪拌轉(zhuǎn)速超過(guò)90 r/min后混合效果已經(jīng)沒(méi)有明顯提升，且功率消耗也會(huì)增大，因此，將90 r/min作為優(yōu)化后的工業(yè)操作條件。

圖3 結(jié)晶釜模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 攪拌轉(zhuǎn)速90 r/min時(shí)結(jié)晶釜速度分布矢量圖

表1 不同轉(zhuǎn)速下平均速度、速度方差值和攪拌功率消耗

4 工業(yè)應(yīng)用效果

優(yōu)化后確定SP306攪拌器直徑為750 mm，攪拌轉(zhuǎn)速為90 r/min，將優(yōu)化之后的攪拌方案進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，與改造前采用錨式槳相比，結(jié)晶的均勻性等技術(shù)指標(biāo)有明顯提升，詳見(jiàn)表2。

表2 改造前后的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖5 不同攪拌轉(zhuǎn)速下結(jié)晶體積含量云圖

根據(jù)優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用，將結(jié)晶釜的容積放大到了30 m3，仍獲得了良好的結(jié)晶效果，證明了通過(guò)CFD技術(shù)進(jìn)行攪拌的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是合適的。

5 結(jié)論

（1）SP306在結(jié)晶釜內(nèi)形成了一個(gè)大的軸向循環(huán)，懸浮效果較好，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，速度分布的均勻性變好，但是，在本文研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速之后變化不明顯。

（2）攪拌轉(zhuǎn)速90 r/min，槳徑750 mm為本結(jié)晶過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)放大與工業(yè)驗(yàn)證，證明了CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 陳紅生，何雄志.結(jié)晶罐攪拌流場(chǎng)及傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬[J].輕工機(jī)械，2010, 28（4）：26-29.

[2] 王學(xué)魁，武首香，沙作良，等.DTB結(jié)晶器的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及其對(duì)KCl結(jié)晶過(guò)程的影響[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,23(4):18-22.

[3] 武首香，沙作良.不同操作條件下連續(xù)結(jié)晶過(guò)程的CFD模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2013, 41（6）：13-17.

[4] 王鑫，陳慧，梁寶臣，等.四葉片傾斜渦輪結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)模擬[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2009, 25（6）：508-512.

[5] 薛兆鵬，徐燕申，牛文鐵.基于流體分析的工業(yè)結(jié)晶器攪拌槳結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 38（5）：501-504.

[6] 王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.