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基于实验和CFD模拟的三层搅拌釜内部气液流动特性研究

发布时间:2018-04-24 12:56:00 点击:    

1引言

无锡瑞升酒精回收塔2018年4月24日讯  多相流机械搅拌釜具有实用性强、操作灵活的优点而广泛应用于石油化工、制药冶金、废水处理、生物化工等过程工业生产领域。近几十年来,随着工业生产规模不断扩大,搅拌釜[1]在很多加工业过程中都采用多层组合桨。虽然对于多层气液两相搅拌釜已经有一些试验研究工作[2],由于该类搅拌釜内流场变化十分复杂,文献中的大多数研究以宏观研究结果为主,对搅拌釜内重要的局部特性研究较少,如传质系数[3]、局部气含率[4]、湍流长度和气泡尺寸变化等,难以满足搅拌釜的设计和放大需求。随着计算流体力学技术的快速发展和不断提高,可以借助数值模拟的方法来研究气液两相搅拌釜内流场的变化情况。

2 数学模型

2.1 物理模型

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图1 反应釜三维模型图

本文数值模拟对象为通气式三层气液两相搅拌釜。三维建模尺寸基于实验测试所用搅拌釜,比例为1:1。如图1所示,搅拌槽由圆筒和半球形封头组成,筒体直径T=380mm,并且搅拌釜总高H=2T;在搅拌釜内壁设有四块挡板,挡板宽度WB=0.10T;搅拌釜内三层搅拌桨由四宽叶旋桨(2KSX)和抛物线圆盘涡轮(PDT)组合而成,在抛物线圆盘涡轮下方均匀设置一个带有16个出气孔的气体分布器,气体分布器直径D=0.42T,每个出气孔直径为d=0.008T

3数值模拟过程

3.1计算区域的选取和网格划分

本文主要研究内容为搅拌釜内气液两相流场变化情况,所以计算域由液相和气相两部分区域构成,即计算域高度H=H0+H1。其中H0为初始液相高度,H1为初始液面上方的气相高度,取H1=0.42T。由于本文对搅拌釜的数值模拟研究以实验测试作为基础,所以对气液两相介质的选择与实验一致,即设定水为液相,氩气为气相。

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图2 网格截面图

3.2 计算模型选取和边界条件设置

如图3所示为搅拌釜数值模拟过程中的的计算域模型图。设置三层搅拌浆区域为动区域,其余部分为静区域,动区域与静区域之间的壁面通过INTERFACE壁面公式进行耦合。通过多重参考系法(MRF)将动区域设定为旋转坐标系,将桨叶和搅拌轴壁面通过Rotating公式进行处理,搅拌釜其余壁面设置为无滑移壁面,通过标准壁面函数进行处理。将气体分布器进气口圆面设置为速度入口,搅拌釜上圆面设置为压力出口。外界同通气,搅拌釜内气泡不再处于平衡状态,通过群体平衡模型(PBM)对搅拌釜内的气泡聚并与破碎现象进行耦合[5],并设定气泡变化尺寸为1mm-10mm

图3 搅拌釜计算域模型

4 结果比较与分析

设定搅拌转速为300rpm,搅拌器转动一周需0.2s,记为1T=0.2s。本课题模拟结果分析拟选取六个时间点(2T6T32T46T96T156T)的结果进行对比分析,2T为初始搅拌流场的模拟时刻,模拟至156T时刻后釜内流场及汽液两相分布特性已基本稳定。本文所要分析的模拟结果主要有气液两相图、速度云图、压力云图、湍动能云图、流场迹线图等,主要展现在六个截面上。

4.1 不同时刻气液两相分布变化

图4 不同时刻反应釜内气液两相分布

由不同时刻气液两相分布图可以得出:反应釜内由空气和水组成气液两相,开始反应釜内部并无明显变化,通气口向反应釜内通入的气体对反应釜内气含率没有影响。随着搅拌进行气液分界面产生波动并形成锥形,在上层搅拌反应釜上方气含率增大。随着搅拌时间的推移,由于上层搅拌桨在反应釜内引起轴向流的作用增强,使搅拌桨周围的气含率升高,并且范围逐渐扩大。当达到156T时刻时流场趋于稳定,此时,由于三层搅拌桨和通气装置的共同作用[6],使反应釜内气含率保持在20%左右。同时我们可以发现下层搅拌桨下方形成一个气含率低区域,这是由于当流场达到稳定状态时,从流场速度分布图和流场迹线图可以看出在下层搅拌桨下方形成一个速度死区,通气口通入反应釜的口气随反应釜内液体做循环流动不能到达该区所致。

4.2 不同时刻流场速度分布变化

图5 不同时刻各截面速度云图

由不同时刻流场速度分布图可以得出:开始高速区主要集中在搅拌桨周围,远离搅拌桨区域速度相对较小。随着时间的推移由流场速度分布图可以看出上搅拌桨和中搅拌桨所产生的轴流式影响渐渐加强,并且引起液面的扰动。由速度分布图我们可以清晰的看出,上搅拌桨和中搅拌桨主要产生轴向流动,下搅拌桨主要产生径向流动,反应釜内液体做径向流动时,在到达反应釜内壁后与之产生碰撞,液体流动方向发生变化,产生两个支流。

4.3 不同时刻流场迹线分布变化

图6 不同时刻ZX截面流线图

反应釜内流场流线如图4.3所示。对流场流线图进行进一步分析可以看出,反应釜内液体在三个桨叶区作环流上升运动其中也包括了较少的环流下降运动,并且在桨叶区运动比较强烈。由三维流线图可以看出最下方桨叶区液体的环流下降运动较为强烈,这是由于最下方桨叶区没有受到其他桨叶区产生的环流上升作用的影响;最上方桨叶区的液体通过环流上升到达液面后向心部流动,继而沿搅拌轴向下返回桨叶区,这就造成了气液两相分界面出现中心下凹、四周上升的锥形的现象。

5 结论

本文研究基于滑移网格理论,应用FLUENT对三层通气搅拌反应釜进行流场数值模拟分析详细给出了气液两相流场情况和反应釜内气含率情况。

通过给出边界条件等,应用欧拉(Eulerian)模型,通过k-e-Realizable计算方法对反应釜流场进行数值模拟得出流场与气含率示意图,所得结果与实验结果进行对比,数值模拟与实验结果基本一致。

参考文献

[1] 渠川瑾. 反应釜[M]. 北京:高等教育出版社,1992.

[2] Shewales S D, Pandit A B. Studies in multiple impeller agitated gas-liquid contactors[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61(2):489-504.

[3] 陈凯,王嘉骏,顾雪萍. 双层搅拌器组合的气体分散性能研究[J]. 化学工程, 2004,32(3):24-27.

[4] 郝志刚, 包雨云, 高正明. 多层组合桨搅拌槽内气-液分散特性的研究[J]. 高校化学工程学报, 2004,185:547-552.

[5] Pinelli D, Magelli F. Analysis of the fluid dynamic behavior of the liquid and gas phases in reactors stirred with multiple hydrofoil impellers[J]. Industrial& Engineering Chemical Research, 2000,39(9):3202-3211.

[6] Garcia-Ochoa F, Gomez E. Theoretical prediction of gas-liquid mass transfer coefficient, specific area and hold-up in sparged stirred tanks[J]. Chemical Engineering Science, 2004,59(12):2489-2501


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