劉作華，周政霖，朱俊，劉仁龍，陶長(zhǎng)元，王運(yùn)東，彭毅

（1重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400044；2清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084；3攀鋼集團(tuán)公司攀枝花鋼鐵研究院有限公司，四川 攀枝花617000）

攪拌反應(yīng)器是清潔提釩工藝中的重要操作單元，關(guān)系到浸出效率及過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。眾所周知，攪拌反應(yīng)器通過(guò)將電動(dòng)機(jī)輸入到攪拌槳槳葉上的能量傳遞給流體，形成內(nèi)部流體的整體流動(dòng)，完成傳質(zhì)和傳熱[3-4]。攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)有重要影響，尤其是其核心部件攪拌槳的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)[5-7]。因此，通過(guò)改變攪拌槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)或構(gòu)型來(lái)優(yōu)化反應(yīng)器，可改善反應(yīng)器中流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的均勻分布，有助于強(qiáng)化流體流動(dòng)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)改變攪拌槳直徑、攪拌槳安裝高度以及攪拌槳構(gòu)型等來(lái)強(qiáng)化流體流動(dòng)，取得了非常好的效果。Alves等[8]和Marion等[9]分別對(duì)雙層六直葉渦輪槳及三層螺旋槳的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，研究顯示，多層組合攪拌槳會(huì)影響反應(yīng)器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。高正明等[10]在直徑800mm的導(dǎo)流筒攪拌反應(yīng)器內(nèi)研究了固-液兩相的固體顆粒濃度分布和單相流體的三維速度分布，結(jié)果表明，導(dǎo)流筒內(nèi)外的軸向液相速度遠(yuǎn)大于徑向和切向速度，導(dǎo)流筒外壁附近存在一個(gè)軸向流動(dòng)方向相反的二次流區(qū)域，有助于液體的軸向流動(dòng)。王濤等[11]提出了一種新構(gòu)型的攪拌槳——錯(cuò)位槳，并在空氣-水-石英砂三相體系內(nèi)對(duì)比分析了該槳與傳統(tǒng)槳的流體流動(dòng)情況，對(duì)比結(jié)果顯示，錯(cuò)位槳相對(duì)于傳統(tǒng)的Rushton槳，功率消耗降低，適應(yīng)氣速范圍廣，軸向流動(dòng)能力明顯提升，在同等條件下與斜葉槳相比，氣體分散能力強(qiáng)，混合時(shí)間少。劉作華等[12-14]研發(fā)并設(shè)計(jì)了一種新型的剛?cè)峤M合攪拌槳，并進(jìn)行了能效分析以及混沌特性的研究，研究表明，與傳統(tǒng)剛性攪拌槳相比，該槳具有降低能耗、強(qiáng)化流體流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。目前，攀鋼集團(tuán)公司的浸出攪拌反應(yīng)器存在流體混合不均勻、浸礦時(shí)間長(zhǎng)和效率低等問(wèn)題。本文擬通過(guò)改變攪拌槳槳葉間的層間距、攪拌槳的安裝層數(shù)以及安裝導(dǎo)流筒等方法來(lái)優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，并結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Fluent商業(yè)軟件研究反應(yīng)器的宏觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，旨在為合理、高效反應(yīng)器的優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)裝置與數(shù)值模擬方法

1.1 結(jié)構(gòu)裝置

本文模擬采用攀鋼集團(tuán)公司的浸出攪拌反應(yīng)器（圖1）作為研究對(duì)象，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)徑T為3000mm，液面高度H為3000mm；反應(yīng)器內(nèi)配置雙層美國(guó)萊寧A301攪拌槳，下層攪拌槳離底距離C1為350mm，兩層攪拌槳之間的距離C2為1100mm，攪拌槳直徑D為1100mm；槳葉長(zhǎng)度l為400mm，寬度m為10mm，高度h為100mm，傾角θ為45°。

圖1 攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬時(shí)，將浸礦過(guò)程中的礦漿視為均一單相流體，其密度ρ為1400kg/m3，黏度μ為0.3Pa·s。整個(gè)模擬過(guò)程在相同轉(zhuǎn)速N為70r/min下進(jìn)行。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 計(jì)算原理

CFD研究方法是在Fluent商業(yè)軟件中進(jìn)行的。模擬方法的基本步驟包括控制方程的建立、方程的離散化、方程的求解以及判斷求解方程的收斂性從而得出結(jié)果[15]。其中控制方程見(jiàn)式（1）～式（4）。

式中，ρ為密度；μ為動(dòng)力黏度；t為時(shí)間；p為壓力；u、v、w分別為速度矢量的三個(gè)分量；Su、Sv、Sw分別為廣義源項(xiàng)。

1.2.2 計(jì)算方法及模型

本文選用MRF方法將流體區(qū)域劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，槳葉附近區(qū)域的流體稱為旋轉(zhuǎn)域，其他區(qū)域的流體則為靜止域。根據(jù)攪拌雷諾數(shù)的一般計(jì)算方法[16]，本模擬工況的攪拌雷諾數(shù)Re約為6588，流體在攪拌槳作用下形成了復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，選擇合適的湍流模型成為計(jì)算的關(guān)鍵。研究表明：兩方程的k-ε模型是最簡(jiǎn)單，也是比較有效的湍流模型，在單相流的流場(chǎng)模擬方面與實(shí)際是比較吻合的[17]。故本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，所有方程采用隱式格式，使流場(chǎng)在處于近似穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行求解計(jì)算。

由于攪拌槳和反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)是不對(duì)稱的，故選取整個(gè)反應(yīng)器作為計(jì)算域。利用Fluent的前處理軟件Gambit劃分網(wǎng)格，其中旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格要進(jìn)行加密處理，劃分時(shí)選擇intervalsize為30；而在劃分靜止域網(wǎng)格時(shí)則選擇intervalsize為50。整個(gè)幾何模型的網(wǎng)格數(shù)為1003163，網(wǎng)格劃分示意如圖2。經(jīng)檢查，模型的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.80以上，網(wǎng)格劃分滿足計(jì)算要求。本文的建模和模擬方法與劉作華等[18]在剛?cè)峤M合攪拌槳與剛性槳調(diào)控流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究中所采用的方法基本一致，具有一定的有效性。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

1.2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本次模擬重點(diǎn)關(guān)注的是反應(yīng)器中流體的流動(dòng)情況，而流動(dòng)情況與流體的速度場(chǎng)分布密切相關(guān)。因此，計(jì)算時(shí)選取反應(yīng)器中X=550mm、Y=0mm、Z從-800～2200mm的直線LineA上的流體速度分布來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，以確定模型的可靠性。

圖3 流體的合速度分布

以原浸出攪拌反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬為例，圖3為約80萬(wàn)、100萬(wàn)、120萬(wàn)個(gè)3種網(wǎng)格數(shù)量的模型在計(jì)算收斂后得到的直線LineA上流體的速度分布曲線。

從圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從約80萬(wàn)變至約120萬(wàn)時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，3條速度曲線基本重合。這說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)從約80萬(wàn)增至約120萬(wàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，可認(rèn)為已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)。因此，本文的建模和模擬方法存在一定的可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌槳層間距對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

流場(chǎng)的流型影響反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)行為，而攪拌槳槳葉間的層間距是影響反應(yīng)器中流型的重要因素，層間距的優(yōu)化改進(jìn)有利于加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)[19-21]。為了找到一個(gè)合適的層間距，分別模擬了層間距C2為1100mm、1800mm兩種工況，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 流體的合速度分布云圖（層間距）

圖4反映了反應(yīng)器中不同層間距的流場(chǎng)分布情況，當(dāng)層間距C2為1800mm時(shí)，兩層槳葉之間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠更好地聯(lián)系起來(lái)，流體的整體流動(dòng)得到加強(qiáng)。原反應(yīng)器中上層攪拌槳上方區(qū)域的流速為0～0.4m/s，而改進(jìn)后反應(yīng)器中上層攪拌槳上方區(qū)域的流速為0.4～1.2m/s。兩者相比，改進(jìn)后反應(yīng)器中的流體流動(dòng)情況在軸向和徑向上都得到了明顯的改善，上層攪拌槳上方區(qū)域流體存在的“死區(qū)”范圍大量減少，有助于流體混合。故調(diào)整兩層攪拌槳槳葉之間的層間距是加強(qiáng)流體運(yùn)移和強(qiáng)化流體流動(dòng)的一種有效方法。

2.2 攪拌槳安裝層數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

工業(yè)中常采用多層攪拌槳實(shí)現(xiàn)大高徑比反應(yīng)器內(nèi)流體的整體流動(dòng)[22]。針對(duì)攀鋼集團(tuán)公司現(xiàn)有的反應(yīng)器，本文對(duì)比了雙層攪拌槳反應(yīng)器和三層攪拌槳反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)情況，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 流體的合速度分布云圖（攪拌槳層數(shù)）

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器采用兩層攪拌槳時(shí)，槳葉之間區(qū)域的流速為0.8～1.2m/s；而反應(yīng)器采用三層攪拌槳時(shí)，槳葉之間區(qū)域的流速為1.2～2.4m/s。兩者相比，流體在三層攪拌槳作用下的運(yùn)動(dòng)更為劇烈，流場(chǎng)分布也更加均勻。從圖5可看出，在上下兩層槳葉之間再加一層槳葉更有利于反應(yīng)器內(nèi)流體的整體流動(dòng)，在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，更多的流體能夠從反應(yīng)器底部運(yùn)動(dòng)到液面，參與整個(gè)反應(yīng)器的流動(dòng)，使底部和液面附近區(qū)域的流動(dòng)情況得到更加有效的改善。

2.3 導(dǎo)流筒對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

導(dǎo)流筒的安裝是在反應(yīng)器內(nèi)增加一個(gè)與攪拌軸同心的無(wú)底無(wú)蓋的筒體，它可控制流體流型、引導(dǎo)流體流入或流出以及限定流體整體循環(huán)線路[23-25]。安裝導(dǎo)流筒一方面有助于增加流體軸向流動(dòng)，限定流動(dòng)線路，減少槽內(nèi)底部死角區(qū)域的產(chǎn)生；另一方面可提高筒內(nèi)流體的混合程度，改善流場(chǎng)均勻分布，使槽內(nèi)流體形成充分的循環(huán)流型[25]。本文分別計(jì)算了無(wú)導(dǎo)流筒和有導(dǎo)流筒這兩種工況的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 流體的合速度分布云圖（導(dǎo)流筒）

其他參數(shù)條件相同的情況下，在無(wú)導(dǎo)流筒的反應(yīng)器內(nèi)，兩層攪拌槳槳葉之間區(qū)域的流速為0.8～1.2m/s；而在有導(dǎo)流筒的反應(yīng)器內(nèi)，兩層攪拌槳槳葉之間區(qū)域的流速為1.2～3.2m/s。這說(shuō)明安裝導(dǎo)流筒不僅能提高流體的軸向運(yùn)動(dòng)速度，使流場(chǎng)分布更為均勻，還能在反應(yīng)器中形成一個(gè)較為規(guī)整的軸向循環(huán)流，使反應(yīng)器內(nèi)流體參與上下循環(huán)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域更大，底部流場(chǎng)的“死區(qū)”范圍更?。欢跓o(wú)導(dǎo)流筒反應(yīng)器內(nèi)，流體的整體軸向循環(huán)較小，且底部流場(chǎng)的“死區(qū)”現(xiàn)象較嚴(yán)重。故安裝導(dǎo)流筒能調(diào)控流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有效地改善反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的均勻程度，可強(qiáng)化流體軸向流動(dòng)。

2.4 攪拌功率對(duì)比分析

對(duì)于浸出攪拌反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)自于攪拌槳。相關(guān)研究表明，湍動(dòng)尺度取決于單位體積流體的功率消耗，功率消耗的大小是反應(yīng)器內(nèi)流體攪拌程度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的度量，同時(shí)又是選擇電動(dòng)機(jī)功率的依據(jù)[13,26]。攪拌需要的功率取決于流體的流型和湍動(dòng)程度，具體地說(shuō)，攪拌功率是攪拌槳形狀、大小和轉(zhuǎn)速，流體性質(zhì)，反應(yīng)器的尺寸和內(nèi)部附件（有無(wú)擋板、導(dǎo)流筒及其他障礙物）以及攪拌槳在反應(yīng)器內(nèi)的位置的函數(shù)[26]。

槳式攪拌功率P的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。

表1為3種方案的攪拌槳力矩和攪拌功率。

表1 攪拌槳的力矩和攪拌功率

從表1可看出，當(dāng)槳葉的層間距C2從1100mm增加到1800mm時(shí)，攪拌槳功率下降了1.11%，這說(shuō)明攪拌槳槳葉間層間距的調(diào)整對(duì)攪拌功率的影響不大；當(dāng)攪拌槳的安裝層數(shù)由兩層增加到三層時(shí)，攪拌槳功率增加了67.42%，分析其原因是增加的攪拌功率主要用于內(nèi)部流體的整體流動(dòng)；當(dāng)安裝導(dǎo)流筒時(shí)，攪拌槳功率上升了61.37%，這是由于上升的攪拌功率主要用來(lái)改善近槳區(qū)流體的“柱狀回流”現(xiàn)象。

3種方案都可以有效地調(diào)控流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，減小反應(yīng)器底部以及液面附近存在的“死區(qū)”范圍。對(duì)比3種方案，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率一定時(shí)，雙層攪拌槳槳葉層間距增加可以較好地改善反應(yīng)器的流場(chǎng)分布，增大反應(yīng)器內(nèi)流體的有效混合區(qū)域，但槳葉間流體的流速仍然較小，流體的軸向運(yùn)動(dòng)較弱；改為三層攪拌槳攪拌或安裝導(dǎo)流筒都可以提高流體的軸向流，強(qiáng)化流體的整體流動(dòng)，但這兩種方案都會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)輸入功率的增加，兩者相比，安裝導(dǎo)流筒使電動(dòng)機(jī)增加的輸入功率更小，且槳葉之間區(qū)域的流速更大，也更有利于流體的高效混合。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于雙層攪拌槳反應(yīng)器，當(dāng)層間距C2增加到1800mm時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)分布更為理想；液面靠近內(nèi)壁處區(qū)域的流速增加，有利于減少附近流體的“死區(qū)”范圍；增加層間距后，攪拌功率下降了1.11%，即層間距的增加對(duì)攪拌功率的影響不大。

（2）與改進(jìn)后的雙層攪拌槳反應(yīng)器相比，三層攪拌槳反應(yīng)器內(nèi)流體的流型更好，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也得到了更加有效地調(diào)控；雖然三層槳的攪拌功率增加了67.42%，但增加的功率主要用于內(nèi)部流體的整體流動(dòng)。

（3）反應(yīng)器中安裝導(dǎo)流筒提高了上下槳葉區(qū)域之間的流速，整體軸向流動(dòng)得到加強(qiáng)；雖然安裝導(dǎo)流筒使攪拌功率增加了61.37%，但增加的功率使得近槳區(qū)流體的“柱狀回流”現(xiàn)象得到改善，反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布更為均勻。

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