基于Fluent胶粒储罐流场分析及结构优化

朱大胜,王 智,李 京,朱文杰,李旭成

(1. 南京工程学院机械工程学院, 江苏 南京 211167;2. 西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055)

反应釜多用于药品初加工、食物加工、石油化工等行业,在现代化工业生产中是不可或缺的设备之一[1-6].反应釜内部流场的仿真是研究速度、压力、混合过程、搅拌效果的基础,也决定了实际生产中产品的质量[7-8].对于搅拌反应釜而言,不同结构的挡板对其内部流场的影响不同,通过仿真模拟流场特性及规律,对于促进搅拌釜优化改进有着重要的意义.

已有文献研究桨叶数量、位置以及转动轴转速来探究反应釜内部流场特性.文献[9]通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模拟反应釜,对桨叶层间距和桨叶离底距进行研究,给出了最佳的桨叶层间距与釜内径比和桨离底距与釜内径比;文献[10]通过CFD仿真模拟并优化搅拌桨结构,采用组合桨的方法解决了固体颗粒不易悬浮且分散状况较差的问题;文献[11]利用CFD对流场进行预测研究,拟合出搅拌釜内流场的速度预测公式;文献[12]利用CFD对搅拌釜进行流场数值模拟,安置多个搅拌桨以增加多个高速流动区,减少流场的死区;文献[13]通过CFD探究挡板长度对流场特性的影响,提出在相同条件下随着挡板长度的降低,釜内介质流动速度会明显增加并产生漩涡;文献[14]通过CFD研究挡板在搪玻璃反应釜内对固液悬浮的影响,发现挡板对打漩现象的抑制作用随着搅拌器的转速增大而增大,在抑制打漩的同时还可以提高轴流式搅拌器的混合性能;文献[15]利用CFD研究椭圆底封头十字挡板对搅拌釜内流场的影响,发现在底部安装挡板后搅拌釜中心部位形成的上下轴向流可以互相抵制,流体混合效果更好.文献[16-17]通过改变桨叶间距、转速、挡板长度及安装位置等参数和增加桨叶、搅拌桨数量的方法在一定程度上提高了釜内介质的搅拌效果,抑制了打漩、减少了死区的产生.但转速和搅拌桨数量的增加,会引起能耗增加、罐体与挡板焊缝应力集中过大等问题;挡板长度和位置的变化不具有普适应;对挡板迎液面后的死区缺少探究,会出现混合不充分的问题.

为解决上述问题,本文对挡板进行结构优化,采用贴板、肋板和加强筋将挡板与罐体连接,提高挡板抗形变能力,防止出现连接处焊缝撕裂、罐体损坏等问题;在不增加转速的情况下亦可提高介质上下循环流动的混合效果,减少能耗;在挡板和罐体之间留有缝隙,可改善迎液面后的死区问题.采用Fluent仿真软件对原有挡板和优化后挡板轴向面及径向面压力、速度、流场进行研究对比,符合预期要求,为搅拌釜挡板结构优化提供一定的理论依据.

1 理论模型及控制方程

1) 质量守恒的连续性方程:

(1)

式中:ρ为密度(kg/m3);t为时间(s);vm为m方向的速度分量(m/s).

2) 动量方程:

(2)

3) 湍流动能方程和扩散方程:

Gk+Gb-ρε-YM

(3)

(4)

式中:ρ为密度(kg/m3);K为湍流动能;ε为湍流动能耗散率;xi、xj为张量指标形式表示连续方程的x;Gk为速度引起的湍流动k的产生项;Gb为浮力引起的湍流动k的产生项;G1ε、G2ε为经验常数;G3ε为可压流体流动计算中与浮力相关的系数;σk、σε为湍流动能和耗散率对应的Prandtl.

4) 压力计算方程:

(5)

式中:Q为流量(m3/h);μ为流量系数;A为面积(m2);P为压力(Pa);ρ为流体的密度(kg/m3).

2 模型建立及结构优化

根据现场调查和图纸对照建立反应釜的三维模型如图1所示.储罐主要分为罐体和搅拌桨,罐体主要参数见表1,搅拌桨主要参数见表2,液位高度为11 018 mm,左右两侧焊接2片10 800 mm×920 mm挡板,拱顶处联接各种接口管道,本试验主要研究胶粒储罐中的流场特性规律,将不在计算范围的部分进行删减.考虑到优化后罐体的复杂性以及其他三维建模软件导入模型计算会出现部分不兼容且需要进行模型前处理的问题,故采用ANSYS软件中Spaceclaim模块进行三维建模.为了增加仿真结果的准确性,方便内部流体仿真计算,对建立的三维模型进行简化处理,如图2所示.

表1 胶粒储罐的主要参数

表2 搅拌桨的主要参数

图1 反应釜的三维模型建立(mm)

图2 模型简化后罐体搅拌轴图

在实际生产过程中,发现挡板出现一定程度的形变,挡板的迎液面后出现搅拌死区,同时筒壁与挡板连接处有可能出现裂缝,长久使用不仅影响实际生产还存在潜在的风险.因此,将原有的挡板改进,用贴板连接挡板与罐体进行焊接,通过增大接触面积降低单位面积内因搅拌带动介质冲击挡板后对罐体产生的应力,提高罐体的安全性;在贴板与挡板连接处增加肋板来保持挡板的稳定性,防止其受冲击产生形变,同时可以使搅拌剧烈区域下移;增加四处加强筋用于肋板与挡板的连接,目的是为了减小在胶粒储罐满装时由于介质自重对肋板产生重力导致形变;在贴板和筒壁焊接后,使挡板和筒壁之间存在间隙,可以改善挡板迎液面后的死区情况,使搅拌更加充分.优化改进后挡板模型如图3所示,网格划分如图4所示.

图3 优化后挡板模型

3 Fluent仿真结果分析

本文主要对相同工况条件下挡板优化前后罐体流场的速度矢量图、YZ面、XZ面的压力分布云图和速度云图及不同液面高度下的压力云图和速度云图进行对比分析.工况条件根据表1、表2中的参数进行设置.

3.1 流场分析

图5为挡板优化前后罐体流场速度矢量图.由图5可见,当搅拌桨转动时,反应釜内介质流场沿轴向及环搅拌桨运动,图5(a)第二、三桨叶转动使介质上移及四周运动;图5(b)第一、二桨叶转动使介质上移及四周运动,下方介质得到充分搅拌.

(a) 挡板优化前

3.2 胶粒储罐内压力场分析

图6为优化前后挡板压力分布云图和压力变化曲线.在挡板960、1 840、2 740、3 640、4 540、5 440、6 340、7 240、8 140、9 040、9 840、10 840 mm处由下往上依次设置12个点位来观察其压力变化值.由图6(e)压力变化曲线可见,改进前挡板处所受压力随着高度的提升逐渐增大,搅拌介质的减少,所受压力趋于平稳;图6(f)压力变化曲线可见,优化后挡板处所受压力变化是随着高度的提升先增大,在高度6 000 mm附近处于峰值,随后逐步减小.挡板所受压力主要来源于介质的运动,在压力越大的位置其介质运动越剧烈,搅拌效果越好.在实际生产过程中由于介质自重,部分物质会产生下沉,使优化后的模型在一定程度上压力最大处下移,可以让下沉物质得到充分搅拌.

(a) 优化前挡板(YZ面)

图7为在罐体高度2 000、5 000、11 000 mm处压力剖面图.由图7可见,压力从转动轴开始往四周扩大,在只探究罐体的情况下,挡板处压力达到最大;优化前桨叶处与挡板处所受压力差远大于优化后,从而对搅拌桨的强度会有更高要求;不同高度优化前在第一块挡板迎液面处整体会受到较大的压力,介质受阻后沿挡板径向移动,进而增加挡板与搅拌桨之间的压力,之后在搅拌桨的转动下以一定的压力冲击第二块挡板,介质运动情况与第一块挡板处相同,循环往复.罐体四周在原设计的条件下只是通过焊接方式来固定挡板,虽然在一定程度上可以满足搅拌时稳定液面以及提高介质混合质量的条件,但随着工作时长的增加,持续性地施加压力,挡板会发生不可逆形变,最终导致焊缝撕裂、挡板形变,在影响混合质量的同时也会影响储罐的使用寿命.优化后挡板所受压力情况与优化前总体一致,但是优化后的挡板在自身强度符合工况条件的前提下,由于增加了13块贴板,增大与罐体的连接面积,这样就不会发生由于挡板所受压力产生形变、焊缝撕裂,避免罐体存在泄露的可能.每处贴板再通过两块肋板与挡板连接,三角肋板应对压力的优势会使挡板几乎不会因受压力而产生形变,同时肋板位置和贴板位置均匀分布,可以看作是将一块整体挡板施加13处固定装置,极大强化了挡板的稳定性与罐体的安全性.将本文流场仿真的数据同实际生产情况相结合,后续可根据挡板处压力大小的分布来适当地改变各贴板的间距,以期在最少的耗材下产生最优的结果.由于介质自重以及运动,三角肋板面也会受到一定的压力,因此通过增加4根加强筋来提高肋板强度,并且加强筋增加了肋板与挡板连接处的稳定性.

(a) 优化前H=11 000 mm

3.3 速度场分析

图8为挡板优化前后的仿真速度分布云图.由图8可见,在靠近搅拌轴叶片附近区域介质运动速度较大,介质在经搅拌轴后会有沿径向运动的趋势,被罐壁阻挡后向下运动,由于搅拌轴叶片具有一定的转角,会带动搅拌介质,具有往上运动的趋势,以此循环往复进行工作.

(a) 普通挡板(YZ面)

图9为优化前后储罐不同高度处的速度剖面图.由图9图可见:由于高度11 000 mm处没有桨叶,介质在被带动搅拌时位于搅拌桨正上方处为速度最大区域,但是整体速度小于下方,在挡板迎液面处速度没有明显的增大,且挡板迎液面相反位置由于压力的减小,其余位置的介质会有向此处运动的趋势,介质出现回流涡漩;在高度5 000 mm处搅拌轴到罐体速度变化趋势是增大→减小→增大→减小的过程,搅拌桨桨叶处为速度最大区域,然后速度开始降低,至挡板迎液面处速度出现明显的增大,搅拌介质受阻出现往挡板切向移动的趋势,整个介质又回到速度最大区域,通过带有偏移角度的桨叶转动,会继续带动介质做上下以及四周运动,以此循环往复充分搅拌混合;在高度2 000 mm处搅拌轴到罐体速度变化趋势是增大→减小→增大→减小→增大的过程,此时发现优化后速度变化比优化前多了一次速度增大的过程,而且速度的最大区域从桨叶处变为挡板和罐体之间,这是由于在挡板和罐体之间存在间隙,大量搅拌介质运动至挡板处通过此间隙,造成区域速度增加.由于此处速度过大,可能在间隙处会发生冲蚀磨损.对罐体内介质进行摩擦磨损的仿真计算,结果表明此处造成的磨损可以忽略不计,不会对罐体内的整体流场造成影响.由于此处间隙有部分介质高速通过,使挡板迎液面的压力差降低,在挡板被冲击时压力会往挡板径向两侧分流,根据二力平衡理论,挡板会更加稳固而不会发生形变,亦可以减少材料的使用.

(a) 优化前H=11 000 mm

4 结论

本文对胶粒储罐反应釜挡板进行优化,增加了贴板、肋板、加强筋,并在实际生产工况条件下对挡板优化前后反应釜内情况进行流场分析,得到了介质流动、压力变化、速度变化规律,结论为:

1) 挡板优化后,储罐内运动最剧烈区域下移至6 000 mm附近,形成较好的循环流动,搅拌更加充分;

2) 优化后挡板在持续性受介质冲击时发生形变较优化前挡板减小,最大压力降低58%左右,避免了挡板形变导致焊缝撕裂而出现罐体泄露损坏情况;

3) 优化后在挡板和罐体之间存在一定间隙,虽然间隙处速度增加,但是产生的冲蚀磨损较小,可以忽略不计,同时使挡板迎液面和反面压力差减小,介质沿挡板径向两侧分流,间隙处产生压力,二力平衡挡板更加稳定.