折叶形自吸式气体分散器在中心龙卷流型搅拌反应器中的性能研究*

王新升张 沛 孙雨凡 郝惠娣 郭媛婷

(西北大学化工学院)

基于自吸式搅拌槽在工业中的广泛应用[1]和中心龙卷流型搅拌槽高效节能的特点[2]，借助CFD仿真模拟技术，对普通自吸式气体分散器和不同结构尺寸的折叶形自吸式气体分散器在中心龙卷流型搅拌槽中的应用进行单相流模拟，定性分析并比较普通气体分散器和不同结构的折叶形气体分散器在中心龙卷流型搅拌槽中工作的流场情况。

1 结构设计

对普通气体分散器和不同结构尺寸的折叶形分散器共两类4种气体分散器进行流体仿真模拟分析。普通气体分散器(图1a)的气体分散通道叶片的角度为30°，分散通道叶片的高度为40mm[3]。折叶形气体分散器(图1b)是在30°普通气体分散器的基础上进行改进的，它的叶片直边高度分别为10、15、20mm,下接折边外边缘总高度均为25mm。直边与折边的夹角为150°，折边下接锥形圆环的角度为45°，其高度为12mm(图1c)。

图1 气体分散器结构模型

2 数值模拟

采用多重参考系法(MRF)对旋转桨叶和静止区域进行处理[4]，将搅拌器内流体域分为包围桨叶的旋转域和除此之外的静态域两个部分。其中旋转区域采用旋转坐标系，静态区域采用静止坐标系。采用控制容积法进行求解，湍流模型采用标准κ-ε模型,收敛准则为RMS。

根据中心龙卷流型搅拌器的结构，选用内径为300mm，高度为400mm的中心龙卷流型搅拌器，内部填充液体高度为350mm。气体分散器安装在其底部边缘距搅拌器底部2/3处。搅拌桨选用标准圆盘涡轮六直叶桨，桨叶最大直径取反应器内径的1/3(100mm),桨叶高度为20mm，每个叶片的长度为25mm，在气体分散器的气体分散通道中同轴居中安装。Geometry中建立的安装有两类气体分散结构反应器的模型如图2所示。

采用非结构四面体网络对网格数量进行优化，得到网格无关解[5]，采用膨胀法(Inflation)对旋转区域外表面、静态区域的旋转域空腔面及旋转区域外表面和定子轮廓面进行加密处理，以免产生较大速度梯度[6]。图3分别为旋转区域外表面、静态区域壁面处和定子轮廓处的Inflation加密后的网格图。

图2 搅拌反应器模型

图3 膨胀法处理后的网格

将所有固-液、气-液接触面都定义为wall类型，其中将流体与空气的接触面和动态区域中桨叶的空腔面定义为自由滑移面(Free slip wall)，其他均为无滑移面(No slip wall),同时给定旋转轴所在面同动态区域一致的旋转速度450r/min。动态区域和静态区域的结交面选择GGI模型。

3 流场数值模拟分析

对安装有普通气体分散器和竖直边高度为10、15、20mm折叶形气体分散器的中心龙卷流组合反应器分别进行了液相的单相流模拟，模拟介质为20℃的水，其竖直面流场矢量图如图4所示。

图4 搅拌器中心竖直面上速度矢量图

从安装有普通气体分散器的组合反应器矢量图中可以看出，由于气体分散器下边缘的阻挡，使分散器下端两侧形成的漩涡范围较小，不利于内部的混合，而安装有折叶形气体分散器的组合反应器由于没有了阻挡，在气体分散器下端形成的漩涡范围较大。对比3种折叶形气体分散器组合反应器的矢量图，20mm折叶形气体分散器组合反应器中在气体分散器的下端形成多个小的漩涡，搅拌效果不如形成大漩涡的10、15mm气体分散器组合反应器好，且能量消耗比较高[7]，对比10、15mm气体分散器组合反应器的矢量图可以看出，10mm气体分散器组合反应器中气体通道口的速度较大，且形成的漩涡范围较大，混合效果好且能耗低。15mm气体分散器组合反应器在分散器下部形成的漩涡虽然相比10mm气体分散器组合反应器形成的漩涡较小，但是在筒壁拐角处形成小漩涡，能够有效消除壁面拐角处的搅拌死角。

4种中心龙卷流型组合反应器沿中心轴竖直方向的速度如图5所示，可以看出，安装有普通气体分散器的搅拌器竖直方向速度变化梯度较大，而安装有折叶形气体分散器的搅拌器中竖直方向速度变化相对比较平缓。对比安装有3种折叶形气体分散器的搅拌器竖直方向速度的变化，竖直边高度为10mm的折叶形气体分散器的组合反应器中速度整体较低，搅拌效率低。15mm气体分散器组合反应器速度变化最为平缓，速度消耗小。

图5 搅拌器竖直方向速度

4 结论

4.1对安装有折叶形气体分散器和普通气体分散器的中心龙卷流型组合反应器进行模拟，比对分析可知折叶形气体分散器在中心龙卷流型搅拌器中的应用更有搅拌分散优势。

4.2对安装有直边高度分别为10、15、20mm折叶形气体分散器的龙卷流型组合反应器进行模拟，得到了较为均匀的混合速度。

4.3对比3种折叶形气体分散器，直边高度为10mm的折叶形气体分散器对气体有很好的分散效果，且能耗较低。15mm折叶形气体分散器可以有效避免搅拌槽拐角处的搅拌死角，整体混合效果较好。

[1] 李启恩,黄庆民,林齐浩，等. 叶轮自吸式搅拌器的流体力学及传质研究[J]. 化学工程,1994,22(1):46～52，3.

[2] 郝惠娣,伍星,孙吉兴，等. 中心龙卷流型搅拌槽固液悬浮特性[J]. 石油化工,2001,30(9):703～706.

[3] 张永芳,郝惠娣,高勇. 双层桨气液搅拌反应槽气液分散特性[J]. 化学反应工程与工艺,2009,25(2):121～125.

[4] 王嘉骏,李良超,顾雪萍,等. 搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展[J]. 化工设备与管道,2012,50(1):1～4.

[5] 董亮. 离心泵非结构化四面体网格生成及应用研究[D].镇江：江苏大学,2012.

[6] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社,2013.

[7] 白飞龙,郝惠娣. 鱼尾形桨叶用于龙卷流型搅拌反应器的性能研究[J]. 化工机械,2013,40(6):792～795，800.