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艾卡6种常规工业搅拌器的效能相似分析

[导读]目前市场上带搅拌操作的反应器约占总生产工艺设备的5%~25%,而且所占比重仍在持续上升[9]。搅拌设备的复杂多样性在解决生产需求的同时增加了选型的难度。随着CFD(计算机流体动力学)技术的迅速普及,众多学者通过对搅拌器进行数值模拟,

通过CFD模拟技术,预先建立搅拌器模型并完成网格划分,采用MRF(多重参考系法)处理旋转桨叶与静止槽壁之间的相互作用,应用Fluent模拟常用搅拌器内部流场,获取相应流动量化信息。基于相似理论,研究不同尺寸和规格搅拌桨的效能,获得各搅拌器性能参数之间的关系,研究表明:同类型桨,增加搅拌器直径或转速,其功率损耗也会增大;所得功率准数与雷诺数关系的拟合经验公式与模拟值吻合效果良好,可以用来预测不同雷诺数下对应的搅拌器功率准数值;而不同类型搅拌桨,在所研究的雷诺数取值范围内,斜叶式的排出流量准数始终高于直叶式,但当雷诺数对数值大于7.28后,最终排列结果变为二斜叶桨式>四斜叶开启>六斜叶圆盘>二直叶桨式>六直叶圆盘>四直叶开启。

搅拌是一个基于流动的传质、传热且兼有化学反应等的复杂过程,是化工生产中的基本单元操作之一[1,2,3]。在实际应用中,搅拌操作可以加快多种不同属性物质间的分散速度,从而使物料快速均匀地混合[4,5]。因此,搅拌设备在传质传热过程中有着广泛用途,大量应用在冶金、生物、石油化工、水处理、食品、医药、聚合物及化妆品生产等行业中[6,7,8]

目前市场上带搅拌操作的反应器约占总生产工艺设备的5%~25%,而且所占比重仍在持续上升[9]。搅拌设备的复杂多样性在解决生产需求的同时增加了选型的难度。随着CFD(计算机流体动力学)技术的迅速普及,众多学者通过对搅拌器进行数值模拟,寻找各类型搅拌器之间的性能关系,为搅拌器的选型提供理论基础[10,11]。谢明辉等对常用桨式搅拌器功率准数研究发现,槽内层流区用Nagata关联式预测功率准数值效果较好,过渡区和湍流区则采用Kamei和Hiraoka关联式进行关联,最终模拟值与实验值吻合程度较好,进一步验证计算流体动力学对预测搅拌功率准数的可行性[12];郝惠娣等对径向流涡轮搅拌桨研究发现,转速较低选择六直叶涡轮、转速升高选择六平叶圆盘涡轮时混合效果会较好,且不同的桨叶直径也会对搅拌效果造成显著影响[13]

笔者以CFD研究方法作为理论基础,运用Fluent软件对6种常规工业搅拌器内部流场信息进行模拟,得到有关搅拌器性能特征参数的数值信息并进行处理。基于相似理论,分析各参数之间存在的关系,为全尺寸范围内搅拌器的适用提供理论基础,使之获得普适性,为搅拌器选型提供便利。

1 几何模型

笔者研究的搅拌器均为平底圆柱型搅拌器,主要由搅拌桨、搅拌轴和罐体3部分组成。通过对所选6种常规搅拌器进行建模和后处理,获取相应性能参数值。以内部均布4块挡板的二直叶桨式搅拌器为例,其各构件参数按相关行业标准设置如下:

搅拌槽直径D 1 200mm

液面高度L 1 200mm

搅拌桨桨叶直径DJ400mm

桨叶宽度B 40mm

桨叶厚度δ8mm

轮毂内径d 35mm

轮毂外径d255mm

轮毂高度h 60mm

挡板高度H 1 200mm

宽度W 120mm

厚度δ16mm

计算时,介质充满槽体且自由液面与罐顶相平行,所用介质为20℃的水,密度为998.2kg/m3,黏度为1.003×10-3kg/(m·s);考虑液体质量的作用,设置重力加速度为9.80m/s2,搅拌桨的转速选取300r/min。

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