基于CFD的羧化釜搅拌改造设计

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摘要： 通过改变搅拌桨形状，对8立方液固两相体系的羧化釜进行了搅拌流场、固含率进行模拟，从流体力学角度对羧化釜进行了优化。将模拟优化结果用于实际工业生产中，结果表明：计算流体力学（CFD）模拟优化后的羧化釜能够改善釜内流体流动情况，从而对反应产生影响，使原料转化率提高了5.6个百分点。

Abstract： Through changing the shape of impeller， the agitated flow fields of carboxylation axe of 8 cubic liquid-solid two-phase system is carried out and the solid concentration is simulated. The carboxylation axe is optimized from the view of hydromechanics. Using simulation optimization results in actual industrial production， the results show that the carboxylation axe after the simulation and optimization of computational fluid dynamics （CFD） can improve the reactor of fluid flow inside， and then to influence the reaction， make the raw material conversion rate increased 5.6%.

关键词： CFD；液固两相体系；搅拌；流体流动

Key words： CFD；solid-liquid two-phases system；stir；fluid flow

中图分类号：TQ051.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）14-0067-03

0 引言

某厂8立方羧化釜中，参与反应的原料有固相和液相。改造前搅拌器为两层四斜叶开启式涡轮（PP401）。实际生产表明，原料转化率约为75%，低于同行业水平，严重制约了产品的竞争力。要求对反应釜内的搅拌器进行改造，提升转化率。

对于液固两相反应的搅拌器选型，一般来说要有一定的轴向循环能力，使得固体原料充分悬浮，若悬浮不充分，则液-固相接触面积受限，影响反应速率及转化率。

传统的搅拌设计的方法是依据经典的设计手册[1]，这些手册的特点是依据流体流动和混合的原理，按搅拌操作的类别，如搅拌功率、均相混合、搅拌传热、非均相分散，从专业角度给出了算图及经验计算公式。但科学技术和专业知识时时在更新，而手册内容一成不变，无法展示出最新技术成果。

20世纪80年代以来，典型的搅拌设备设计重在开发工艺流程，采用实验室冷模、必要时的中试热模的试验方法，直至工业试验设备进一步改进。采用这种方法由于要花费昂贵的代价来建立实验装置，且花费的时间成本大大增加。

CFD技术的研发和应用为获取不同过程流体的速度场、浓度场等试验参数提供了一条准确快捷的路径，在设备的设计与优化方面弥补了实验模式中的一些缺陷。另外，该方法可快速又直观的展示出模拟结果，减少了操作时间，降低了成本。并且，相较于实验手段而言，通過CFD技术所得的数据更精准、更全面[2]，CFD将对搅拌设备的开发带来革命性的变化[3]。本文拟采用CFD方案研究羧化釜的流场特性，寻找存在的问题，为改造提供指导。

1 CFD模拟

1.1 计算区域及网格划分

已实际8立方羧化釜结构尺寸为基准，采用直角坐标系建立计算区域，如图1、图2所示。羧化釜直径为2000mm，直边高2000mm，标准椭圆封头，釜内安装有4块标准档板，搅拌器直径为1000mm。

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。由于羧化釜内结构比较复杂，在划分网格时采用分块网格，为提高计算结果的精度，对桨叶和搅拌轴区域作了网格加密处理。采用适应能力较强的四面体网格，划分完毕后网格数量为1.2×106，经检验已满足无关性要求。

1.2 数学模型

采用三维模型来模拟羧化釜内流体的流动，釜内流体的流动遵循质量守恒方程（连续性方程）和动量守恒方程[4]。液相湍流模型采用标准k-ε模型[5]。这套形式简单的模型目前已广泛应用于搅拌釜的数值模拟中。通过Mixture多相流模型模拟固液两相流，就是把多相流施作互相渗透的连续介质。处于定常状态时，主要通过公式（1）来描述搅拌流场的不可压缩流动：

质量守恒方程

■=0（1）

动量守恒方程

■+■=-■+■？滋（■+■）+Fj（2）

湍动能k的输运方程

■+■=■？滋+■■+Gk-？籽？着（3）

湍动能耗散率？着的输运方程

■+■=■？滋+■■+C1？着■Gk

-C2？着？籽■（4）

其中，Gk为由平均速度梯度导致的湍流动能产生项，可通过式（5）求解：

Gk=？滋t■+■■（5）

在标准k-？着模型中各项常数值如下：

C1？着=1.44，C2？着=1.92，C？滋=0.99，？滓k=1.0，？滓？着=1.3，

1.3 计算方法

使用有限体积法求解离散方程，选用多重参考系法（MRF）进行模拟[6]，搅拌器周围的流体区域划为动区域，通过旋转坐标系，使该区域的流体以等同于搅拌器转速的速度旋转；其他区域为静区域；而在静止坐标系下的静区域内的流体一律视作静止。假设槽内壁面是静止壁面，搅拌器和搅拌轴是运动壁面，搅拌轴主体部分处在静区域，相对于静止坐标系来说运动的，搅拌器相对于旋转坐标系运动速度是0。速度压力耦合问题方程采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风，所有项的残差收敛范围均为10-4。

2 结果与讨论

图3是改造前羧化釜速度矢量分布图。由图可见，全釜范围内的循环流动，对于固体原料的悬浮是有利的。但是，下层搅拌器与釜底之间存在一个流动缓慢的区域。图4是改造前羧化釜固含量云图。由图可见，下层搅拌器与釜底之间有大量反应固体滞留，这种滞留现象的存在是直接导致原料转化率偏低的直接原因。

针对羧化釜搅拌存在的问题，将下层PP401搅拌器改为三叶后掠式搅拌器（RB301），加强对釜底滞留固体原料的冲击、搅动。图5是改造后羧化釜速度矢量分布图。由图可见，全釜范围内的循环流动依然良好，流动缓慢区域已消失。图6是改造后羧化釜固含量云图。由图可见，反应原料滞留现象得到了显著改善。

工业应用结果表明，改造后的羧化釜转化率提高了5.6个百分点，取得了满意的效果。根据CFD模拟结果及与工业应用情况，将羧化釜的容积放大到了30m3，仍获得了接近的原料转化率，通过CFD方法指导搅拌的改造是可行的。

3 結论

①利用CFD技术建立了改造前后8立方羧化釜数学模型，并对数学模型进行求解，计算结果表明，羧化釜改造前下层搅拌器与釜底之间存在一个流动缓慢的区域，有大量反应固体滞留，是造成原料转化率不高的直接原因；羧化釜改造后流动缓慢区域消失，反应原料滞留现象得到了显著改善，实际工业应用结果表明，原料转化率得到了明示提升。

②工业应用结果表明，利用CFD方法指导搅拌的改造是可行的。

参考文献：

[1]冯连芳.搅拌设备设计的的发展与建议[J].化工设备与管道，2010，47（5）：1-4.

[2]包雨云，刘新卫，高正明，等.组合桨聚合釜内非牛顿流体的混合特性[J].合成橡胶工业，2004，27（3）：142-145.

[3]周国忠，王英琛，施力田.用CFD研究搅拌槽内的混合过程[J].化工学报，2003，54（7）：886-890.

[4] Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow[M]. New York： McGraw-Hill，1980.

[5]Launder B. E.， Spalding D. B. Lectures in mathematical models of turbulence[M]. London： Academic Press，1972.

[6]张国娟，闵键，高正明，等.桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].北京化工大学学报，2004，31（6）：24-27.