呂薇 王姝穎 李貴輝 李健

摘 要：針對再生池內(nèi)再生反應(yīng)不充分，鈉離子置換效率低，存在攪拌死角的問題，根據(jù)工廠提供的數(shù)據(jù)和要求，結(jié)合攪拌器設(shè)計的經(jīng)驗和國家標(biāo)準(zhǔn)，為再生池設(shè)計兩臺攪拌器，并利用數(shù)值模擬的方法確定再生池內(nèi)的速度分布，湍流強(qiáng)度分布進(jìn)而驗證所設(shè)計攪拌器的選型成功與否。

關(guān)鍵詞：再生池;攪拌器;湍流強(qiáng)度;速度分布

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.005

中圖分類號： TQ051.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0027-06

Abstract：The regeneration efficiency of sodium ion is low because the regeneration reaction is not enough in the regeneration tank.According to the data and requirements provided by the factory， combined with the experience of the design of the stirrer and the national standard， two agitators were designed for the regeneration tank， and the values of the two kinds of agitators were used. We adopt simulation method to determine the speed distribution within the regeneration pool， turbulence distribution and then verify the success of the design of the mixer.

Keywords：regeneration tank;agitator;turbulence intensity;velocity distribution

收稿日期： 2017-04-08

基金項目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E2017049）;哈爾濱理工大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃（201504）.

作者簡介：

王姝穎（1992—），女，碩士研究生;

李貴輝（1966—），男，工程師.

通信作者：

呂 薇（1963—），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：ziyi2011@163.com.

0 引 言

傳統(tǒng)的雙堿法存在鈉的損耗嚴(yán)重問題。鈉的損耗是雙堿法脫硫運行的一個重要指標(biāo)。在雙堿法煙氣脫硫過程中，一部分鈉離子會隨脫硫渣外排而損耗，其損耗的量取決于外排脫硫渣的含水量和鈉離子濃度[1-2]。再生池內(nèi)氫氧化鈉置換反應(yīng)的不充分，會導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)內(nèi)硫酸鈉的所占比例不斷上升，硫酸鈉不具有脫硫能力，脫硫系統(tǒng)的除硫效率不斷下降。為了維持脫硫系統(tǒng)的脫硫效率，系統(tǒng)運行的時候會不斷添加鈉堿，導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)鈉離子濃度升高，進(jìn)而導(dǎo)致的鈉離子的損耗，增加運行成本[3-4]。

通常攪拌裝置由作為原動機(jī)的馬達(dá)（電動、風(fēng)動或液壓），減速機(jī)與其輸出軸相連的攪拌軸，和安裝在攪拌軸上的葉輪組成。減速機(jī)通過一個支架或底板與攪拌容器相連。當(dāng)容器內(nèi)部有壓力時，攪拌軸穿過底板進(jìn)入容器時應(yīng)有一個密封裝置，常用填料密封或機(jī)械密封。通常馬達(dá)與密封均外購，研究的重點是葉輪。葉輪的攪拌作用表現(xiàn)為“泵送”或“渦流”，既產(chǎn)生流體速度和流體剪切，前者導(dǎo)致全容器的回流，介質(zhì)易位，防止固體的沉淀并產(chǎn)生對換熱管束（如果有）的沖刷;剪切是一種大回流中的微混合，可以打碎氣泡或不可溶的液滴，造成“均勻現(xiàn)象”[5-6]。實際工廠的雙減法脫硫系統(tǒng)運行過程中再生池內(nèi)存在攪拌不充分，攪拌死角的問題。本文根據(jù)工廠提供的數(shù)據(jù)和要求，結(jié)合攪拌器設(shè)計的經(jīng)驗和國家標(biāo)準(zhǔn)，為再生池設(shè)計兩臺攪拌器，并利用數(shù)值模擬的方法確定再生池內(nèi)的速度分布，湍流分布進(jìn)而驗證攪拌器成功與否[7-9]。

1 攪拌器的選型與設(shè)計

1.1 攪拌器的設(shè)計依據(jù)與要求

再生池為長方形：長8m、寬6m、高3m。實際液位高度為1.8m到2m。漿液密度1200kg/m3，黏度0.1Pa·s工廠根據(jù)實際經(jīng)驗，提出選配兩臺攪拌器。由于要為再生池配置兩臺攪拌器，所以在攪拌器的初步選型中，假設(shè)每臺攪拌器，負(fù)責(zé)一半再生池的攪拌任務(wù)，并互不干擾。在攪拌器的初步選型中，以再生池的一半為研究對象，首先為一半再生池選配一臺攪拌器。再生池的當(dāng)量直徑D=5500mm。

1.2 攪拌器型式的確定

攪拌器型式的確定主要考慮攪拌目的、物料粘度、攪拌容積的大小。選用時除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗低、操作費用省，以及制造、維護(hù)和檢修方便等因素。

本文的攪拌目的是加速再生池內(nèi)的氫氧化鈣漿液與出塔脫硫液的化學(xué)反應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)完全，不留攪拌死角，達(dá)到提高再生池內(nèi)氫氧化鈉置換率的目的。在脫硫系統(tǒng)的實際運行過程中，再生池內(nèi)的漿液在再生池內(nèi)的停留時間較短，加之再生池為長方形，比較長，容易存在攪拌死角，最終導(dǎo)致氫氧化鈉的置換率不是很理想。渦輪式攪拌器特別是平直葉渦輪式攪拌器其流型為徑向流，有較大的剪切力，可使流體微團(tuán)分散得很細(xì)，適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液—液分散、液—固懸浮，以及促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。所以本文綜合考慮攪拌目的，物料粘度和攪拌容器的容積并結(jié)合工廠實際經(jīng)驗，選用平直葉渦輪式攪拌器。最高粘度：渦輪式攪拌器適應(yīng)的最高黏度為50Pa·s左右。攪拌器的葉端速度：攪拌器的葉端速度Vtip，4

1.3 攪拌器基本參數(shù)的確定

1.3.1 攪拌器直徑的確定

根據(jù)國家攪拌器標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》得：

攪拌器直徑：平直葉開啟式渦輪攪拌器的槳徑為

1.3.2 攪拌器槳葉相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)國家攪拌器標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》得：

攪拌器槳葉的寬度：平直葉開啟式渦輪攪拌器的槳葉寬度為

攪拌器槳葉數(shù)：國標(biāo)規(guī)定平直葉開啟式渦輪攪拌器槳葉數(shù) ，一般斜葉開啟式渦輪攪拌器槳葉數(shù)為4或6。結(jié)合實際經(jīng)驗本文將所設(shè)計的平直葉開啟式渦輪攪拌器的槳葉數(shù)定為4個。

1.3.3 攪拌器離底距離的確定

根據(jù)國家攪拌器標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》得：

平直葉開啟式渦輪攪拌器離底距離為

再生池內(nèi)漿液為固液體系，氫氧化鈣漿液與出塔脫硫液在再生池內(nèi)發(fā)生再生化學(xué)反應(yīng)，生成半水亞硫酸鈣二水硫酸鈣固體。再生池的主要任務(wù)是提供再生化學(xué)反應(yīng)的場合。再生池的下一級沉淀池的主要作用是將漿液中的半水亞硫酸鈣和二水硫酸鈣沉淀下來。如果半水硫酸鈣和二水硫酸鈣在沉淀池內(nèi)大量的沉積，將會擠占再生池內(nèi)的容積。同時由于氫氧化鈣的溶解度較低，氫氧化鈣漿液也含有一定濃度的未溶解的氫氧化鈣固體，攪拌器應(yīng)起到防止氫氧化鈣固體沉積，加速其溶解，進(jìn)而促進(jìn)再生池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的速率的作用。攪拌器離地距離越近，可以加大池底的湍流流動，起到防止沉淀的作用。另外再生池長高比較大所以本文結(jié)合實際經(jīng)驗選定比例系數(shù)為0.5得：

1.3.4 攪拌器層數(shù)的確定

1.4 攪拌器轉(zhuǎn)速確定

根據(jù)國家攪拌器標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3796.1-2005《攪拌器型式及基本參數(shù)》得：

常用的轉(zhuǎn)速為20～100r/min。一般對于直徑較大的平直葉渦輪式攪拌器，選用的轉(zhuǎn)速相對要較小。本文根據(jù)實際經(jīng)驗選用攪拌器轉(zhuǎn)速為60r/min。

2 數(shù)學(xué)模型和物理模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.2 物理模型

物理模型的建立與網(wǎng)格的劃分采用了Ansys Icem軟件。作為專業(yè)的前處理軟件Icemcfd為所有世界流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力、自動中面抽取、獨特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，還可以集成于ANSYS Workbench平臺， 獲得Workbench的所有優(yōu)勢。ICEM作為Fluent和CFX標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件，取代了GAMBIT的地位。

針對實際的漿液池和所設(shè)計的攪拌器，利用Icem建立了等大的數(shù)值模擬的物理模型。Icem具備一定能力的建模能力，對結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的物理模型，可以使用其進(jìn)行建模。為了降低網(wǎng)格劃分的難度和增加Fluent迭代計算的收斂性，沒有對攪拌軸進(jìn)行建模，漿葉的厚度為零，攪拌軸和漿葉厚度對漿液池內(nèi)流場的影響較小可以忽略不計。物理模型見圖1。

1-再生池液面;2-攪拌軸;3-攪拌槳葉;4-交界面（動區(qū)域與靜區(qū)域）;5-再生池池底;6-再生池池壁。

3 基本假設(shè)和邊界條件

3.1 基本假設(shè)

1）液面采用對稱邊界條件假設(shè)。

2）槳葉厚度對再生池內(nèi)流場無影響。

3）實際再生池內(nèi)為固液懸浮體系，由于固體可以直徑很小，密度較小，所以認(rèn)為再生池內(nèi)只存在單一流體水，水的密度與粘度按照實際再生池內(nèi)漿液的密度與粘度設(shè)定。

4）為了研究方便忽略再生池的來流與出流的影響。

3.2 邊界條件

邊界條件就是流體運動邊界上控制方程應(yīng)該滿足的條件，一般會對數(shù)值計算產(chǎn)生重要的影響。即使對于同一流場的求解，隨著方法的不同，邊界條件和初始條件的處理方法也是不同的。

液面采用對稱邊界條件假設(shè)，對稱邊界條件通常應(yīng)用于計算的物理區(qū)域是對稱的情況。在對稱軸或者對稱平面上，沒有對流通量，因此垂直于對稱軸或者對稱平面的速度分量為0。因此在對稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，任何量的梯度為零。實際攪拌器運行時再生池的液面，滿足垂直于邊界的速度分量為零，任何量的梯度為零，但再生池的液面為曲面不是平面。查閱相關(guān)攪拌器數(shù)值模擬的文獻(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者對液面的處理為采用對稱邊界條件假設(shè)。

方程組采用分離、隱式求解，針對旋轉(zhuǎn)流動，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，方程離散采用二階迎風(fēng)格式。

4 求解結(jié)果及分析

4.1 攪拌器流場的探究

探究攪拌器的流體流動，明確攪拌器內(nèi)漿液的速度分布，對確定攪拌器的選型與設(shè)計成功與否具有重要的意義。Tecplot系列軟件是由美國Tecplot公司推出的功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化處理軟件，通過Tecplot處理Fluent的計算結(jié)果能更直觀的顯示流體的速度分布與流動。攪拌器內(nèi)的流場比較復(fù)雜，現(xiàn)在的研究人員大多探究一個攪拌器的幾何參數(shù)或運動參數(shù)對攪拌效果的影響，例如漿徑、槳葉數(shù)量、槳葉離地距離和轉(zhuǎn)速等分別對攪拌效果的影響。由于再生池內(nèi)安置了兩臺攪拌器，兩臺攪拌器相互影響，使得攪拌器內(nèi)的流場更為復(fù)雜，模擬與分析也更加困難，其攪拌器的幾何參數(shù)或運動參數(shù)的改變對攪拌效果的影響將于只設(shè)置一臺攪拌器時大大不同。本文根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定兩攪拌器的間距為2000mm，進(jìn)而探究攪拌器內(nèi)的流體速度分布與流動。

圖2分別顯示的截面 的速度分布。除了壁面邊界層附近，3個截面速度的最小值大于要求的最小攪拌速度0.02m/s。在壁面邊界層附近，由于壁面采用無滑移壁面邊界條件，其速度梯度較大，并存在速度為零的粘滯層，粘滯層緊貼壁面。觀察圖2可以看出各個水平界面上速度的分布都明顯呈現(xiàn)點對稱的分布特點，從而一定程度上驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。其原因為物理模型為對稱模型，加上兩臺攪拌器同步運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了在水平面上的速度分布明顯呈現(xiàn)點對稱的分布特點。這里介紹一個網(wǎng)格劃分的經(jīng)驗，對于對稱的流場，一定注意幾何的對稱，網(wǎng)格對稱性和網(wǎng)格的數(shù)量。分析圖2的各個水平截面的速度分布，可以看出攪拌器速度較小的區(qū)域分布在再生池的靠近池壁的四周和兩攪拌器之間的區(qū)域，兩攪拌器之間速度較小的區(qū)域呈長條狀。由于池壁和兩攪拌器之間的區(qū)域速度較小，導(dǎo)致攪拌器容易存在攪拌死角，及漿液相間混合不好的現(xiàn)象，需要特別注意。池壁四周速度分布較小的原因主要因為其離攪拌器的距離較遠(yuǎn)，再生池內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)的槳葉為漿液提供流動的動力，使?jié){液脫離槳葉的時候形成了高速射流，漿液射流在流動過程中又會帶動其他流體的流動，射流在流動的過程中橫截面積不斷擴(kuò)大，加之流體流動的阻力，使射流的速度逐漸減少，當(dāng)射流的橫截面積達(dá)到最大的時候（再生池池壁附近），流動速度降低到最小。兩臺攪拌器之間的區(qū)域離攪拌器較近但速度較小的原因為分別來自兩攪拌器流向攪拌器之間的射流雖然剛脫離槳葉時流動速度較大，但流動方向相反，兩股射流發(fā)生碰撞，大部分動能轉(zhuǎn)化為壓力勢能，流速急劇減小。觀察圖2（b）可以看出速度最大處出現(xiàn)在攪拌器的槳葉的葉端，符合理論分析，攪拌器槳葉按一定的角速度轉(zhuǎn)動，隨著槳葉半徑的增加，其附近被攪拌器槳葉帶動的漿液的流動速度越大。

4.2 攪拌器湍流場的探究

湍流是一個高度復(fù)雜的不規(guī)則流動，具有三維非穩(wěn)態(tài)、待旋轉(zhuǎn)的特點。當(dāng)流體的流動狀態(tài)為湍流的時候，流體的各種物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度等都隨時間與空間發(fā)生隨機(jī)變化。對湍流的真實運動建立一個時均化模型，將一點的實際速度分成時均速度和脈動速度之和，湍流的脈動速度對流動的影響很大，它在流層之間引起強(qiáng)烈的動量交換，使湍流的速度分布、沿程損失系數(shù)的變化規(guī)律比層流時復(fù)雜。從湍流場的物理結(jié)構(gòu)上說，可以把不規(guī)則的湍流流動看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動，這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。流動的邊界條件決定大尺度的渦旋，其尺寸可以與流場的大小相比擬，是引起低頻脈動的原因;小尺度的渦旋主要由粘性力所決定，其尺寸可能只有流場尺度的千萬分之一的量級，是引起高頻脈動的原因。大尺度的渦旋破裂后形成小尺度的渦旋。叫小尺度的渦旋破裂后形成更小尺度的渦旋。因為在充分發(fā)展的紊流區(qū)域內(nèi)，流體渦旋的尺寸可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)地變化。大尺度的渦旋不斷地從主流獲得能量，通過渦旋間的相互作用，能量逐漸向小尺度的渦旋不斷消失，機(jī)械能就耗散為流體的熱能。同時，由于邊界的作用、擾動及速度梯度的作用，新的漩渦又不斷的產(chǎn)生。在攪拌池內(nèi)漿液的湍流流動中，漩渦的產(chǎn)生和破裂可以大大加速漿液的相間混合進(jìn)而加速攪拌器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度。湍流強(qiáng)度是速度波動的均方根與平均速度的比值，可以反應(yīng)湍流流動脈動速度的相對大小，可以反映湍流內(nèi)漩渦產(chǎn)生與破裂的強(qiáng)度。綜上所述可以得出，湍流強(qiáng)度與再生池內(nèi)漿液相間混合成正比，湍流強(qiáng)度越大，再生池內(nèi)漿液相間混合越劇烈。所以有必要分析再生池內(nèi)漿液流動的湍流強(qiáng)度分布。

從圖3可以看出，在攪拌器漿葉周圍的湍流強(qiáng)度相對較大，在再生池上半部分兩攪拌器之間的區(qū)域湍流強(qiáng)度相對較大，離攪拌器槳葉越遠(yuǎn)湍流強(qiáng)度越小，再生池池壁附近的流體湍流強(qiáng)度相對較低。兩攪拌器之間的中間區(qū)域雖然速度相對較小，但湍流強(qiáng)度較大。上述現(xiàn)象說明了湍流流動的時均速度不是湍流強(qiáng)度的決定性因素，湍流強(qiáng)度的定義為湍流脈動速度的均方根與湍流時均速度的比值，所以當(dāng)湍流的時均速度較大時可以通過對流體施加擾動來增強(qiáng)湍流的湍流強(qiáng)度。兩攪拌器之間的區(qū)域存在強(qiáng)烈兩攪拌器之間的相互作用，分別來自兩攪拌器流向攪拌器之間的速度較大的射流在兩攪拌器之間的發(fā)生碰撞，流體質(zhì)點的不規(guī)則運動加劇，速度迅速減小，流體質(zhì)點湍流強(qiáng)度迅速增大。結(jié)合電廠脫硫的實際再生池內(nèi)漿液的流動容易受到擾動，當(dāng)流體流動的速度較大時，稍微受到外界的干擾，流體的湍流強(qiáng)度就會增大很多，所以在再生池的攪拌器的數(shù)值模擬研究過程中認(rèn)為漿液流速與漿液湍流強(qiáng)度成正比，漿液湍流強(qiáng)度與再生池內(nèi)漿液相間的化學(xué)反應(yīng)速率成正比及漿液流速與漿液相間的化學(xué)反應(yīng)速率成正比但湍流強(qiáng)度但不代表流速大及流速是湍流強(qiáng)度的充分非必要條件。所以通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)結(jié)合實際經(jīng)驗將攪拌器內(nèi)允許的最小流速定為0.02m/s，當(dāng)攪拌器內(nèi)最小的流速大于等于0.02m/s時即認(rèn)為再生池內(nèi)攪拌器的攪拌效果滿足工廠要求，再生池內(nèi)無攪拌死角。通過上述分析可以總結(jié)出，兩攪拌器之間的漿液的流速雖然較小但湍流強(qiáng)度較大及化學(xué)反應(yīng)速率較大所以兩攪拌器之間的區(qū)域不存在攪拌死角，所以在攪拌器的選型、設(shè)計與優(yōu)化的過程中不需要重點考慮。再生池池壁附近漿液的流速與湍流強(qiáng)度都較小，所以在攪拌器的選型、設(shè)計與優(yōu)化的過程中需要重點考慮。

5 結(jié) 論

1）所設(shè)計的兩臺攪拌器當(dāng)轉(zhuǎn)速為60r/min時，再生池內(nèi)漿液的流速大于0.02m/s。滿足當(dāng)再生池內(nèi)無攪拌死角時對再生池內(nèi)漿液流速的要求，說明攪拌器的初步選型與設(shè)置較為成功。

2）攪拌器水平面上的速度分布呈現(xiàn)明顯的點對稱分布，速度較小的區(qū)域分布在再生池的靠近池壁的四周和兩攪拌器之間的區(qū)域，兩攪拌器之間速度較小的區(qū)域呈長條狀。

3）湍流強(qiáng)度與再生池內(nèi)漿液相間混合成正比，湍流強(qiáng)度越大，再生池內(nèi)漿液相間混合越劇烈。兩攪拌器之間的漿液的流速雖然較小但湍流強(qiáng)度較大及化學(xué)反應(yīng)速率較大所以兩攪拌器之間的區(qū)域不存在攪拌死角，再生池池壁附近漿液的流速與湍流強(qiáng)度都較小。

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（編輯：溫澤宇）