王濤

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

帶攪拌的反應釜廣泛應用于石油化工裝置中，具有反應物料混合均勻、操作條件調(diào)整靈活、內(nèi)部清洗方便等優(yōu)點[1-2]。對于某合成樹脂裝置的聚合反應，超溫、引發(fā)劑加入過量等因素會引發(fā)爆聚反應，此時釜內(nèi)介質(zhì)黏度將迅速升高且飛溫放熱，存在安全風險。因此，在正常工況下，攪拌器應具有良好的流動特性，使釜內(nèi)速度場均勻，無死區(qū)；混合迅速，使加入的引發(fā)劑迅速分散到釜內(nèi)各處，避免局部濃度過高。爆聚工況下，即黏度升高后，攪拌器仍應保持良好的流動特性，并能在1 分鐘內(nèi)將加入的阻聚劑混合均勻?；谝陨显O計要求，選擇了某框式攪拌器。

計算流體力學（CFD）技術已廣泛應用于航空航天、化工機械等領域[3-11]。相較于冷模試驗，CFD模擬能節(jié)省大量時間和資金，并且可通過全面和詳細的計算結果進行分析研究，為設備的設計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

本文采用CFD 模擬軟件Fluent 19.0，對裝有框式攪拌器的反應釜進行數(shù)值模擬，通過速度場、攪拌功率、混合時間等參數(shù)對流動特性和混合效果進行考察，驗證其能否滿足設計要求，為將來的設計優(yōu)化和放大提供參考。

1 反應釜結構參數(shù)

反應釜的下封頭為球形封頭，攪拌器型式為框式，葉片中共有20 個四邊形鏤空，下邊緣是與釜底同心異徑圓的兩段弧，釜內(nèi)設有兩塊擋板，釜體直徑D=4.35 m，正常液位高H=4.2 m，尺寸標注和三維模型見圖1。

圖1 反應釜及攪拌器模型Fig.1 Model of the stirred tank and agitator

2 正常工況下反應釜流動特性的CFD 模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

采用Fluent meshing 軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約24 萬，最小扭曲度0.02，當繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量時，攪拌器的扭矩變化小于3%，認為滿足網(wǎng)格無關性要求[12-14]。

2.2 數(shù)學模型與計算方法

經(jīng)計算，本案例雷諾數(shù)為1 471，處于過渡流范圍內(nèi)，采用標準k-ε湍流模型[15-16]，近壁處理選用標準壁面函數(shù)。

將攪拌器附近柱狀區(qū)域劃分為動區(qū)域，采用多重參考系模型（MRF）來耦合動靜界面?？刂品匠讨袎毫εc速度耦合求解選用Coupled 算法，擴散項選用二階迎風格式，殘差收斂精度設為10-4。

正常工況下介質(zhì)黏度為2 000 cP，攪拌器轉(zhuǎn)速為40 r/min。

2.3 模擬結果與分析

2.3.1 速度云圖

圖2 為正常工況下反應釜橫截面和縱截面的速度云圖。

圖2 正常工況下反應釜速度云圖Fig.2 Velocity contour of the stirred tank in normal operating condition

可以看出，釜內(nèi)大部分區(qū)域的流速比較均勻，釜壁上邊緣處流速相對較低。經(jīng)Fluent 計算，釜內(nèi)超過88.4%體積的介質(zhì)流速在1m/s 以上，效果較好。

2.3.2 速度矢量圖

圖3 為正常工況下的反應釜橫截面和縱截面的速度矢量圖。

圖3 正常工況下反應釜速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of the stirred tank in normal operating condition

整個釜內(nèi)的主要流動特征為：①釜底中心處介質(zhì)在槳葉下部實心板的作用下，排往釜壁；②介質(zhì)沿釜壁上升至液面附近；③介質(zhì)由釜壁匯集到釜中心攪拌軸附近；④在槳葉鏤空的卷吸作用下，沿攪拌軸下降到釜底，如此循環(huán)。這種長行程的大循環(huán)可以保障整體的流動混合效果，避免不同高度出現(xiàn)小范圍漩渦停滯的情況。另外，擋板可以有效減小繞攪拌軸旋轉(zhuǎn)運動的周向流，這種流型混合效果非常差，應盡量避 免。

2.3.3 攪拌器軸功率

攪拌器軸功率可通過下式計算：

式中N——攪拌器轉(zhuǎn)速，s-1；

Mp——攪拌器壓力力矩；

Mv——攪拌器黏性力力矩。

經(jīng)Fluent 軟件計算，攪拌器壓力力矩為12 638 N·m，黏性力矩為-1.1×10-7N·m，可以看出，由于攪拌槳為豎直方向槳葉，無傾斜，黏性力可以忽略不計，代入上式得到攪拌器軸功率為53.31 kW。

3 正常工況下反應釜混合效果的CFD 模擬

3.1 數(shù)學模型與計算方法

在穩(wěn)態(tài)流場的基礎上，將計算模型改為瞬態(tài)，選用多種介質(zhì)模型。釜內(nèi)新增少量示蹤劑，示蹤劑的性質(zhì)與釜內(nèi)介質(zhì)相同，示蹤劑初始化見圖4。

圖4 示蹤劑初始狀態(tài)Fig.4 Initial state of the tracer

圖5 觀察點位置Fig.5 Location of the monitors

設置7 個示蹤劑濃度觀察點，通過監(jiān)測各點濃度變化來判斷反應釜的混合時間，觀察點位置見圖 5。

3.2 模擬結果與分析

瞬態(tài)模擬后，各觀察點的示蹤劑濃度變化見圖6，通過計算，經(jīng)過約17 s 后，各處示蹤劑濃度基本達到均勻（濃度偏差±5%）。因此，正常工況下，反應釜的混合時間約為17 s。

圖6 示蹤劑濃度變化Fig.6 Change of tracer concentration

4 爆聚工況下反應釜的流動特性和混合效果

采用上述方法對爆聚工況（黏度7 000 cP）條件下的反應釜進行CFD 模擬，得到反應釜縱截面速度云圖和矢量圖見圖7，結果顯示，雖然黏度大幅提高，但釜內(nèi)大循環(huán)依然保持，經(jīng)fluent 軟件計算，釜內(nèi)超過84.8%體積的介質(zhì)流速在1 m/s 以上，攪拌器軸功率為53.43 kW。示蹤劑的混合時間約為18 s，滿足1分鐘內(nèi)將阻聚劑混合均勻的要求。

圖7 爆聚工況下反應釜速度云圖和矢量圖Fig.7 Velocity contour and vector of the stirred tank in abnormal condition

5 結論

本研究采用CFD 方法對裝有框式攪拌器的反應釜進行穩(wěn)態(tài)流場模擬和瞬態(tài)混合過程模擬，通過分析速度場、攪拌功率、混合時間等參數(shù)，對攪拌器是否滿足設計要求進行驗證，為將來的優(yōu)化和放大提供參考。結論如下：

（1）正常工況下，反應釜內(nèi)流型為從釜底中心到釜壁、沿釜壁上升至液面、再匯集到中心、下降到釜底的大循環(huán)，釜內(nèi)大部分區(qū)域流速均勻，無小范圍漩渦停滯情況。攪拌器受力主要為壓力，黏性力可忽 略。

（2）正常工況下，反應釜內(nèi)介質(zhì)混合迅速，混合時間約為17 s.

（3）爆聚工況下，雖然介質(zhì)黏度大幅提高，但反應釜內(nèi)大循環(huán)的流型仍然能夠保持，流場均勻性稍遜于正常工況?；旌蠒r間約為18 s，滿足爆聚后加入阻聚劑的混合時間要求。