反应釜搅拌轴的结构改进研究

宋自武

（中国平煤神马集团尼龙科技有限公司 河南 平顶山 467000）

1 引言

混合效果质量差，会发生压力、温度局部短时间发生变化等。通常混合时，把密度非常低的固液混合到固相介质并不容易，经常出现异常现象，其中物料团结就是其中一方面问题，严重影响了生产线的正常运行。所以，要求低密度颗粒搅拌时间达到一定要求。有效设计反应釜搅拌轴的结构具有突出的意义，且能获得非常不错的悬浮效果，大幅降低了维修成本。考虑到上述情况，在相关软件利用下，分析并营造逼真的内部流场，可明确搅拌设备是否合理[1]。现阶段许多学者在模拟及分析搅拌设备的内部流场当中取得了一定的研究进展，投入使用后效果良好。而因为颗粒密度比液相中上浮颗粒下的搅拌内容的分析较少，在CFD数值模拟使用下，分析及讨论固液搅拌效果欠佳的反应釜具体问题，提出了反应釜搅拌轴的结构优化及升级的设计措施，现具体内容分析如下。

2 反应釜搅拌轴的计算模型与方法

2.1 物理模型与数值计算模型

（1）物理模型。以设备结构为前提，将之前4层PBT桨应用到反应釜及其搅拌器内。既有作业参数如下述：操作容积为8方，同时以r=24m作为操作内径；每分钟转速9893r；固相粒径处在20～50μm，以珍珠岩颗粒居多，堆积密度176g/m3；首次填料结束后，中间的固相为2%的体积。于运转时，以上设备液面内发生下述几种状况，如非常多的固体粉末、缺少长时间的均匀搅拌等，因为以上情况的存在，便会发生结块。先经过一定作业时间，将会产生较为严重的垢块形成在容器内壁及挡板上，使内部流场形态处于一种严重损坏当中，混合效果不佳，继而使设备运行出现非安全问题。分析结束后，问题多是釜内轴向循环效果不够好、液面循环死角多等。基于此，在加大搅拌器功率的前提下，优化及完善搅拌器，维持流场中轴向循环的进行，营造良好的液面轴向流动。挡板经过优化之后，不会产生较严重的物料集中死角。在三层双折叶桨改进后，接着分析具体相流场，继而经过优化获得的流场效果。在CFD利用下，对流场数据实施模拟，为获得比较不错的优化成效，且实施更深层次的优化设计。

（2）数值计算模型。考虑到具体状况，从整体上搭建反应釜的三维模型，进而确保网格搭建中流场离散化处置较高的精确度。针对包括近壁区域、桨叶表面等在内的特殊的流动边界区域，一般使用的处理方式为网格加密处理。并且于处置过程中还从整体上实施了具体的网格无关性验证，尤以过程当中的检验指标也认为是搅拌桨扭矩。接受所需验证之后，不难发现，当网络在90×104以上时，搅拌器中的扭矩均不超出5%。为高效算出结果，结合具体能承受的计算时间范围，总网格数目接近128×104网格[2]。

（3）计算方法与边界条件在数值模型中的设置

CFD数值模拟技术的使用，离散方程处理中运用有效体积法。尤以压力-速度耦合是在SIMPLE算法使用而来。为让内部流场呈现出来，使用两类不一样的区域划分，外部及内部分别是静止的挡板、旋转的桨叶。选取旋转、静止的参考系。选取湍流模型时，那么需使用标准的k-模型；营造真实的固液混合流程，模拟中则使用mixture两相流；测算时，为确保收敛性有效，选取的步长0.05s，该步长存在于非定常的数值设置当中。

于离散方程中使用有限体积法，压力-速度耦合在SIMPLE算法利用下而获得，以二阶迎风作为差分格式，通过多重参考系法（MRF）的使用来测算流动场。在标准k-e湍流模式利用下，营造湍流的真实情景，将mixture两相流模型用于固液混合的处置。为让计算中具有收敛性，模拟固液两相流，以0.05s作为非定常数值的时间步。在测算反应釜内流场时，以CFD分析软件Fluent的使用为前提，营造逼真的单相流动的定常数值，通过软件Gambit测算流域网格划分，通过软件Tecplot进行流场的后处理。

2.2 反应釜搅拌轴的数值模型计算方法与边界条件的设立

在CFD数值模拟技术利用之下，将有效体积法用于离散方程处置当中。尤以基于SIMPLE算法而产生的压力-速度耦合。通常使用重参考系法（MRF）这类较为有效的二阶迎风格式的差分格模式。为将内部流场更好地表达出来，使用了两类不同区域划分，内部与外部分别是旋转桨叶、静止挡板。以静止及旋转的参考系作为选取的比照。通过标准的k-模型的使用来对湍流模型进行选择；在利用Fluent软件内的mixture两相流下，对固液混合程序做出模拟；测算时，为让收敛更有成效，选取的步长为0.05s。

在离散方程中，使用有限体积法，将SIMPLE算法应用到压力-速度耦合中，以二阶迎风进行差分格式，通过多重参考系法（MRF）对流动场实施测算，划分计算域静止挡板处于外部区域，桨叶附近区域的测算需以旋转参考系为准。湍流的模拟使用了标准k-e湍流模式，通过mixture两相流模型的使用对固液混合流程做出处置。为让测算体现收敛性，以0.05s作为时间步长。在CFD分析软件Fluent利用前提下，模拟单相流动的定常数值，在软件Gambi运用下，分类计算流域网格，在软件Tecplot使用下，进行流场的后处理。

3 反应釜搅拌轴的数值模拟结果与分析

3.1 原结构单相流场与结构单相流场的改进

在分析及模拟反应釜原结构流体动力学情况中，未经过优化的搅拌结构内，分析纵向剖面速度矢量分布图，并以此为准，满足流动规律的轴向循环未产生于反应釜内，轴向流动趋势没有于液面四周有显著趋势。从整体上分析非常低搅拌流动速度，不可否认出现了一定的低速区。结束模拟测算之后，在高效的机械作用下，通常搅拌功率，非常接近原结构的实测数据。由此可见，搅拌功率并不高。结构单相流场的改进。以该结构当中流场为根据，模拟并测算流体动力学情况。分析并模拟速度流场分布，在内部结构优化上，运用叶式搅拌桨。通过流场分析，可将液面四周漩涡处于一种非常不错的状态，让罐中流体轴向运动更加明显，让充分的轴向循环得以实现。搅拌流场液面经过改进后，进行测算，保持速度在单位每秒内1.0m至1.3m[3]。和之前的结构比起来，获得了很大程度上的提高。维持90%机械效率，显著提升搅拌功率，比之前的效果要高出好多倍，让中等剧烈搅拌成为可能，较好地混合了有关液体及固体粉末。

3.2 数值模拟的固液混合时间预测

模拟把固体颗粒添加到反应釜改进结构内，接着模拟分析气固两相流，逐步检验经过优化的效果；为获得固相浓度分布测算混合模拟，；且实施预测初始状态设置，在确保液面上均匀浮动固体粉末前提下。因为反应釜中8方清水的存在，需要珍珠岩颗粒漂浮于液面上，且体积分数达到2%。从模拟实际状况来看，决定单位分钟内转速93r，同时不将启动考虑其中，讨论及研究从0秒开始至355s中釜内轴截面固相分布。且监测改进模型的具位置。从结果情况看，搅拌时间延长下，搅下了顺着轴心四周的固体颗粒。在上述条件前提下，向四周扩散开来在不超过20s的搅拌时间中，测出监测所得的固相体积分率，和最终的结果比较，差距在20%左右，让物料中等混合成为可能；接着在半分钟的时间中，可让物料达到大体上的均匀混合效果。

4 结语

对反应釜CFD流场实施测算，形成良好的结构，高效进行搅拌，逐步提高了轴向循环效果，较好地解决了存在的液面物料漂浮问题。反应釜搅拌轴先经过改造，同时投入应用当中，稳定运转，轴头备件数量较多，尽量维持了反应釜运行的平稳[4]。在优化设备时，在符合生产工艺条件下，高效进行生成，减少了成本的消耗，避免之前结构中存在的缺陷问题，值得推广使用。