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组合桨的气液搅拌数值计算



组合桨的气液搅拌数值计算

引言

雷特石化精馏塔:搅拌反应器对流体力学性能的控制非常灵活,常被广泛应用在化工、食品、生物、冶金、制药、水处理以及石油等过程工业中。当前许多研究人员将气-液搅拌反应器的研究集中在通气功率、整体气含率等宏观方面。而且随着工业生产规模扩大,大型气液搅拌设备的优化设计也显得更为重要。由于目前气液搅拌反应器高径比的增加,设计单、双层搅拌桨体系的研究已经难以满足需求。

搅拌桨简介

本次计算需要用到三种搅拌桨(D160抛物线式搅拌桨,D200六斜叶开启涡轮,D200四宽页旋桨),如图1所示。

如图1所示,底层桨我们选用径流式的抛物线式搅拌桨,顶层桨选用轴流式的四宽叶旋桨,中层桨选用混合式的六斜叶开启涡轮。

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1  搅拌桨

2  计算对象

本次计算的目的是判断中层桨位置的不同对气液搅拌反应器内流场以及气含率的影响。

本文共有三种搅拌桨分布类型,需要三个模型,并使用前处理软件Gambit分别对它们进行网格划分。计算使用的搅拌反应器总高1000mm,反应器内径为380mm,共拥有三层桨。为了确保网格质量和计算成本,采用六面体和四面体混合网格。如图2所示为网格质量检查截面图,图2a)为低位组合桨网格轴截面图,网格总数为762786;图2b)为中位组合桨网格轴截面图,网格总数为763236;图2c)为高位组合桨网格轴截面图,网格总数为755241。由于最差网格质量在动区域处,这三个模型的桨型完全一致,画网格所用的尺寸也一致,因此,三个模型的最差网格质量均为0.957,低于0.97,符合计算要求[1]

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2  网格轴向截面图

3  计算方法

本文对搅拌系统进行了计算。计算所用的介质为清水与空气。计算主要观察反应器内的速度场,气体分布以及在300r/min的转速下,对它们产生的扭矩大小的比较。

本课题为瞬态计算,采用欧拉-欧拉双相流模型,认定气相和液相均为连续流体。

壁面设定:对于三层搅拌桨及搅拌轴设定为旋转壁面(Moving wall),其余面都设定为静止壁面。

边界条件:将气体分布器上16个小孔设定为气体入口,为velocity inlet边界类型,用气体的速度大小来定义起始条件,将气体所占比例设定为1;搅拌反应器的上端口面作为气体出口,设定为Pressure outlet边界类型,气体分率设定为1[2]

3.1中层浆位置变化对速度分布的影响

底层桨叶轮区的流体在桨叶的作用下形成径向流动,流向搅拌反应器内壁,在这个过程中混合了大量液体,在碰到反应器内壁后分成两部分,一部分液体沿器壁向上,一部分液体沿器壁向下,在桨叶片的抽吸作用下流回到桨叶区,两个循环被底层径向流桨圆盘分隔开来,形成了双循环这种径向流桨型的特征。

如图3所示,中层桨位置的改变对底层桨下循环影响不是很大,它的作用范围以及涡心位置基本保持稳定状态,上循环由于中层桨位置的上调,范围开始有所扩大,在这三种情况下,底层桨的上循环作用也随着上循环中心上移。中层桨为混合流式桨叶,上层桨为四宽页轴流式桨,由于混合流式中层桨的存在,上层桨的轴流作用被放大,使得循环圈变大。

当中层桨处于低位时,如图3a)所示,由于中层桨与上层桨之间距离较大,上层桨受到的抑制作用较小,釜体上层桨至液面处形成了一个较大的循环。当中层桨在中位时,如图3b)所示,中层桨与上层桨之间大循环的循环中心开始上移,上层桨的叶轮作用范围要减小。当中层桨处于高位时,如图3c)所示,上层桨与中层桨连接地更加密切,四宽页搅拌桨的轴流作用与中层桨的混合流作用结合效果较强,反应器内中上层流域轴向流效果比较明显,在两桨间形成一个速度比较大的轴向流动循环,这对混合比较有利。

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3  速度场

3.2 中层浆位置变化对气液两相分布的影响

如图4a)所示,当中层搅拌桨处于低位时,气体被均匀打散在反应器内,气体通过最下方的气体分布器进入反应器内,上升的过程中受到最下层搅拌桨的圆盘阻碍作用,气体上升过程减缓,并且受到径向流型桨的作用,气体会跟随液体流到器壁附近,中层桨对向上运动的气体作用较强,中层桨将部分气体下压,使气体填充到中层桨与底层桨之间的搅拌轴附近,另一部分气体受到中层桨的径向流作用,气体扩散到器壁附近。

如图4b)所示,中层桨位置上移,使得中层桨对中层桨与下层桨之间区域的作用减弱,气体分散的没有那么均匀,在中层搅拌桨附近产生气体集中现象,这与它们在这地方产生一个循环有关系,与低位对比发现,气体集中位置较靠上,部分气体在漩涡中无法出来。

如图4c)所示,随着中层桨进一步上升,气体被分散的效果相对较差,产生的气体集中区域也较大,不利于搅拌中化学反应的进行。在整体气含率方面,在流体计算中得到液位高度差,当中层桨位于低位时,整体气含率达到6.32%。当中层桨位于中位时,整体气含率达到4.37%。当中层桨位于高位时,整体气含率达到5.41%。[3]

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4  气液两相分布

3.3 结论

本文主要研究三层组合桨中中层桨位置变化对搅拌效果的影响,通过上述计算结果,我们看到当中层桨处于低位时,速度分布比较均匀,气体含量较高。中层桨处于低位,既满足搅拌流场稳定循环,均匀分布,又可以将气体极大限度地保留在反应器内。


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