基于CFD的雙向循環(huán)大型攪拌釜式結晶反應器的流場分析.pdf

1、攪拌設備普遍應用在化工、食品、冶金、造紙、石油和水等行業(yè)中。尤其在化學工業(yè)中，攪拌釜式結晶反應器是化工生產(chǎn)中應用最為廣泛的反應器之一，而且攪拌槳為結晶器內介質動力的直接來源，對介質的充分傳熱和流動、結晶器空間的充分利用和保證結晶產(chǎn)品的粒度分布有決定性的作用。目前對其雖然已有許多的實驗和理論研究，但有關的理論及設計方法仍不完善，半經(jīng)驗的方法依然是工業(yè)過程中設計和放大的主要方法，需要大量的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)學模型來描述反應器中的流體運動情況。近年

2、來，計算流體力學(CFO)方法用于研究攪拌釜式結晶應器內的流動和混合特性，可以節(jié)省大量的時間以及人力物力，顯示出卓越的優(yōu)勢，對未來攪拌釜的研究、開發(fā)與設計所產(chǎn)生的影響不可估量。
　　 目前，對攪拌釜式結晶反應器的研究并不成熟，特別是槳葉的設計處于保密狀態(tài)；另外，槳葉的葉片多為扭曲形狀，在制造上只能采用澆鑄工藝，很難保證槳葉的制造精度。實際上，用機翼理論和葉柵理論指導軸流泵和船用螺旋槳的葉輪設計已較成熟，而軸流泵和船用螺旋槳的葉輪

3、與攪拌釜的軸流槳在結構和性能上有很多相似之處，所以本文嘗試借鑒軸流泵與船用螺旋槳的葉輪設計理論來設計此攪拌釜式結晶反應器的葉片。
　　 本文的研究內容依托上海高橋石化《雙向循環(huán)大型攪拌釜式結晶反應器裝置的研制》課題，主要研究工作和成果包括：
　　 (1)簡要總結了翼型葉輪的三種常用設計理論，并對他們的特點進行了分析，在此基礎上利用水力設計軟件設計了攪拌釜式結晶反應器的葉片。
　　 (2)利用CFD軟件FLUENT

4、，采用多重參考系法，針對攪拌釜內流體進行單相流場數(shù)值模擬，分析了流場的宏觀規(guī)律、速度特性；針對攪拌轉速、離底高度、介質密度等可能對流場產(chǎn)生較大影響的參數(shù)分別進行了考察，并對其流場進行橫向比較，分析其參數(shù)對流場的影響規(guī)律。
　　 通過以上研究可知：該攪拌釜式結晶反應器主要產(chǎn)生軸向流；攪拌流場的絕對速度和轉速成正比，隨著轉速的增加，剪切性能更好；攪拌槳離底高度對出口速度有所影響，隨著高度的增加，循環(huán)性能更好，但是離底太高，增加了攪拌

5、軸的懸長，對攪拌軸和攪拌槳的安全不利，因此應從多方面考慮選擇攪拌槳的離底高度；攪拌釜介質密度與其推力成正比，密度越大攪拌釜的循環(huán)性能更好。
　　 (3)基于CFD對攪拌釜進行固液兩相流數(shù)值分析，主要探討此攪拌釜的流體動力學狀態(tài)，從而分析其對結晶過程的影響；本文主要探討攪拌釜的轉速，顆粒直徑、顆粒的濃度等因素，間接來分析攪拌釜結晶的過程。通過分析可知：從宏觀流場來看，固體顆粒的粒徑比較小且體積濃度不太大的情況下，固體顆粒對于連續(xù)相

6、的作用不明顯；轉速和固體顆粒濃度對攪拌釜攪拌性能的影響不是很大，而固體顆粒粒徑對攪拌釜的攪拌性能影響卻比較大，在顆粒直徑大于0.1mm時，攪拌釜的攪拌性能明顯不好。
　　 (4)混合時間是攪拌釜式結晶反應器設計的重要參數(shù)。本文應用CFD軟件FLUENT，選用多重參考系法(MRF)及標準.k-ε模型，研究了不同的示蹤劑加料點、監(jiān)測點位置及操作條件對混合時間的影響規(guī)律，研究結果表明：混合過程主要由攪拌槽內的流體流動所控制；選擇槳葉下