立式循环撞击流反应器不同撞击间距下混合性能分析

杨 侠，刘丰良，毛志慧，熊 卉，杨 清

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430073）

研究开发

立式循环撞击流反应器不同撞击间距下混合性能分析

杨 侠，刘丰良，毛志慧，熊 卉，杨 清

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430073）

为优化和改进立式循环撞击流反应器的结构布局，提高其混合性能，本文采用 Fluent软件对立式循环撞击流反应器在导流筒不同间距结构下的流场进行数值模拟，反应器上下两导流筒的间距D设置为60 mm、80 mm、100 mm、120 mm，反应在3组转速下分别进行w=5 r/s、15 r/s、25 r/s。计算结果表明：在相同转速下，导流筒间距D=80 mm时的特征撞击面上的平均速度最大，说明该结构下对应的传质效果更好；在相同转速下，导流筒间距D=60 mm时撞击面径向速度分布的均方根差σ最大，表明该结构下速度分布的梯度最大，流场剪切混合效果更好。

撞击流反应器；数值模拟；平均速度；速度梯度

撞击流是化学工程领域中一种全新的强化传质技术与方法，其基本原理是：通过两股流体的相向高速撞击，在撞击区产生高度湍动，极大地改善混合性能，以达到强化传热、传质等目的[1-2]。撞击流技术起源于20世纪50年代，但在相当长的时间内研究内容限于气体连续相及强化相间传递上。20世纪90年代，研究发现将撞击流应用于液体连续相能够显著强化混合[3]，这一发现极大地拓展了撞击流技术在过程工业领域中的应用范围和价值，在此基础上我国学者伍沅教授开发了立式循环撞击流反应器[5]。立式循环撞击流反应器（vertical circulative impinging stream reactor，简称VCISR）[6]是一种基于撞击流原理的新型液相反应设备，其基本结构如图1所示。实验研究表明[7-8]，与常规反应器相比，VCISR能够显著地强化混合，在相同的输入功率下，制得的产品在粒径、分布宽度和反应所需时间等参数方面更具有优越性。相关研究[9-11]通过对VCISR桨叶倾角、撞击错位角等的优化发现，对VCISR进行结构改进能够有效地增强其混合强化效果，但对于导流筒定位布局方面的研究相关文献尚较少涉及。有鉴于此，本文作者通过对立式撞击流反应器在导流筒不同间距结构下的流场进行数值模拟，探讨不同导流筒间距对反应器混合性能的影响规律，为优化和改进撞击流反应器提供依据。

图1 撞击流反应器结构示意图

1 流场特性的数值模拟

1.1 物理模型

撞击流反应器设计为轴对称结构。其主体是一个外径φ=30 m、L=460 mm的立式有机玻璃圆筒，筒内上下两端同轴对称安装有两个直径d=120 mm、长h=100 mm的导流筒，导流筒间距为D（图1），导流筒进口段轴心处各安装有一个螺旋桨。反应器螺旋桨选用三叶式推进桨，螺旋桨参数根据化工设备标准《机械搅拌设备HG/T 20569—94》选取，结构如图2所示。坐标系的原点选在两导流筒轴线中点，导流筒轴线为y轴，水平径向为x轴，垂直径向为z轴（图2）。

1.2 网格模型

数值模拟采用前处理软件 Gambit进行几何建模和网格划分，利用Tgrid程序划分四面体网格，为保证计算精度下减少计算量，导流筒内部流动区域网格划分较密，其余区域网格较疏，网格划分结果如图3所示。

图2 撞击流反应器的几何模型

图3 网格划分

1.3 求解条件

采用基于压力基的隐式求解器，运用SIMPLEC算法来解决压力速度耦合关系，由于计算区域中同时存在运动区域和静止区域，可采用动参考系MRF模型来求解，在动区域与静区域之间指定交界面，交界面上的信息通过插值相互传递。

图4 w=5 r/s 中垂面的速度矢量图

图5 w=5 r/s 撞击面上的速度云图

对两个桨叶所处的区域指定为动区域，定义相等的旋转速度，但方向相反，使得流体转动时引发出相向的撞击流动。搅拌桨转速w分别为5 r/s、15 r/s、25 r/s。采用导流筒之间的距离D来定义撞击流反应器的撞击间距，分别为 60 mm、80 mm、100 mm、120 mm。

为简化计算，假设反应器流场流动为不可压缩黏性液体、恒温的湍流流动，忽略重力影响，选用蒸馏水为工质。物性参数见表1。

表1 蒸馏水物性参数

2 计算结果与分析

通过数值模拟得到撞击流反应器流场。由于撞击在几何对称面xoz（y=0）最为剧烈且流向在该面由轴向转为径向，因此选取该面为撞击面。图4给出的是w=5 r/s时反应器中垂直面xoy（z=0）的速度矢量图。定义筒体的两端为入口区，导流筒截面至撞击面之间的区域为出口区。从图4中可以看出，在入口区，两股流体从入口到撞击面的流动过程中，由于撞击作用，轴向速度逐渐转化为径向速度；在导流筒外壁面附近，流体以撞击面为中心形成漩涡，在靠近撞击面处，流体向出口区流动，远离撞击面方向的流体向入口区流动；在出口区，流体的轴向速度逐渐减小，而径向速度逐渐增大。同时分析间距的作用效果发现，在撞击间距D=120 mm时，撞击区域轴向速度转化为径向速度趋于弱化，转化后的径向速度值较小。

图5给出的是w=5 r/s时撞击面xoz（y=0）上的速度云图。从图5可以看出，撞击区域特征撞击面上的等值线分布比较密集，速度梯度比较大，并且速度分布特征随撞击间距的变化而改变，混合效果呈现出不同的趋势。

为进一步分析撞击面处的速度分布，更好地描述不同撞击间距对混合效果的影响，在撞击面的水平径向（x方向）采集120个数据点的速度值，比较不同撞击距离下特征撞击面径向的速度分布。从图6中可以看出，撞击区域内特征撞击面上速度沿径向分布均出现两个近似等高的波峰和一个波谷，且两个波峰均出现在导流筒器壁附近，波谷位于轴线中心，说明径向最大速度位于导流筒的近壁面位置，轴向速度在这个区域较大程度的转化为径向速度，径向速度达到相对最大值。

表2给出的是各转速下撞击面处沿水平径向方向各点的平均速度值。从表2中可见，在同一操作工况下，径向平均速度值起初随着撞击间距D的增大而减小，随转速的增加而增大，当撞击间距D=80 mm时径向平均速度值达到最大，其相应波峰的速度值也最大（图6），说明该结构对应的反应器传质效果相对较好，但继续减小撞击间距在同一转速下撞击面的径向平均速度值并未随之增加，表明并非撞击间距越小撞击后的径向平均速度值就越大，在一定的结构条件下撞击间距对传质效果存在最优值，这一结果也为反应器的导流筒间距布置提供了有效的参考。

表2 撞击面径向沿x方向各点平均速度值 单位：m/s

图6 w=5 r/s撞击面区水平截面x轴上速度分布曲线

一般混合理论认为，流场中微团间的相对速度梯度越大其相互间的剪切运动就越强烈，混合效果越好。本研究通过引入径向速度均方根差σ，来间接表征流团间的剪切速率：速度的均方根差越大，速度值的离散程度越高，速度分布的梯度就越大，对应流团间的剪切运动就越强烈，对混合愈加有利。图7为在同一转速不同撞击间距下的均方根差，可以看出，速度均方根差σ与转速大小成正比，与撞击间距D成反比，当撞击间距D=60 mm时，各转速下的速度均方根差σ均最大，表明该结构对应的反应器混合效果相对最好。

图7 速度分布的均方根差与撞击间距的关系

3 结 论

通过数值计算模拟立式循环撞击流反应器在不同撞击间距结构和不同转速条件下的流场，分析得出以下结论。

（1）撞击流反应器的反应区域内，流体的流动呈现出近似镜像分布，在出口区，流体的轴向速度逐渐减小，而径向速度逐渐增大，在撞击间距D=120 mm时，撞击区域轴向速度转化为径向速度趋于弱化。

（2）在相同转速下，不同撞击间距对应的撞击面径向速度平均值并不相同，D=80 mm时的径向平均速度值最大，传质效果相对最好，表明并非撞击间距越小反应器的传质效果就越好，在一定的结构条件下撞击间距对传质效果存在最优值。

（3）在相同转速下，撞击间距D=60 mm时撞击面径向速度分布的均方根差σ最大，速度分布的梯度最大，撞击区域对应的剪切力最大，更加有利于湍动混合。

[1] Elpern I T. Heat and mass transfer in opposing currents[J]. J. Eng.Physics.，1961（6）：62-68.

[2] 禹言芳，张建伟. 撞击流反应器流场的有限元分析初探[J]. 化工设备与管道，2005，42（1）：54-56.

[3] 伍沅. 撞击流：原理·性质·应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[4] 张建伟，伍沅，舒安庆. 浸没循环撞击流反应器中压力波动特性分析[J]. 化工学报，2005，56（2）：266-269.

[5] 伍沅. 浸没循环撞击流反应器：中国，L230326. 4[P]. 2000.

[6] 伍沅. 立式循环撞击流反应器：中国，ZL03235518. 1 [P]. 2003.

[7] 伍沅. 撞击流性质及其应用[J]. 化工进展，2001，20（11）：8-13.

[8] 唐黎明，张建伟. 新型撞击流混合器的速度场测试初探[J]. 沈阳化工学院学报，2008，22（1）：62-65.

[9] 杨侠，毛志慧，吴艳阳.立式循环撞击流反应器不同倾角桨叶的混合性能比较[J]. 化工机械，2011，38（3）：331-334.

[10] 杨侠，张涛，梁利云. 立式循环撞击流反应器中桨叶垂直交错排布条件下的混合性能[J]. 化工进展，2011，30（4）：715-719.

[11] 杨侠，罗燕，郭嘉. 立式循环撞击流反应器三维流场的数值模拟[J].化工机械，2011，38（1）：87-90.

M ixing performance of a vertical circulative im pinging stream reactor w ith different spacing

YANG Xia，LIU Fengliang，MAO Zhihui，XIONG Hui，YANG Qing
（School of Mechanical & Electrial Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China）

To optim ize and improve the structure and layout of a vertical impinging stream reactor，the mixing performance can be strengthened，the flow fields w ith different spacing were simulated using the Fluent software. The spacing between the upper and lower draft tubes are set as 60 mm，80 mm，100 mm，120 mm. The reaction is preceded at the rotating speed of 5 r/s，15 r/s，25 r/s respectively. The computation result shows that at a sim ilar rotating speed，when the spacing of draft tube is 80 mm，the average speed of velocity distribution over the characteristic impact surface of reactor can reach a maximum value，and the performance of mass transfer under this structure is the best. Under the same condition，the impinging spacing w ith D=60 mm can come up to a maximum root-mean-square deviation in the radial velocity distribution of impinging surface，which indicates that in this zone of structure there is a great velocity gradient which is facilitated to the turbulent m ixing of shear in the reactor.

impinging stream reactor；numerical simulation；average speed；velocity gradient

TQ 05

A

1000-6613（2012）06-1210-05

2011-12-06；修改稿日期：2011-12-27。

国家自然科学基金项目（51006076）。

及联系人：杨侠（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为化工过程机械、流体力学、强化传热技术。E-mail liufl1020@163.com。