立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器中槳葉垂直交錯(cuò)排布條件下的混合性能

楊 俠，張 濤，梁利云，吳艷陽(yáng)，毛志慧，郭 嘉

（1武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；3武漢工程大學(xué)綠色化工過程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073）

研究開發(fā)

立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器中槳葉垂直交錯(cuò)排布條件下的混合性能

楊 俠1，張 濤1，梁利云2，吳艷陽(yáng)1，毛志慧1，郭 嘉3

（1武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；3武漢工程大學(xué)綠色化工過程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073）

立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器（VCISR）槳葉的傾角及其布置形式，是影響混合性能的重要因素。本文采用數(shù)值方法對(duì)VCISR槳葉不同角度垂直交錯(cuò)排布條件下的混合性能進(jìn)行了研究。上下兩對(duì)槳葉傾角θ均設(shè)置為45°，上下兩對(duì)槳葉錯(cuò)位角分別設(shè)置為15°、30°、45°、60°，結(jié)果表明：上下兩對(duì)槳葉錯(cuò)位角在45°時(shí)，VCISR特征撞擊面上的速度均方根σ最大，達(dá)到3.81，混合性能最優(yōu)；同工況條件下，當(dāng)錯(cuò)位角為60°時(shí)，槳葉旋轉(zhuǎn)能量消耗最小。

立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器；槳葉；垂直交錯(cuò)排布；混合性能；數(shù)值模擬

Abstract:In the vertical impinging stream reactor（VCISR），the inclination angles and layout of blades are significant factors affecting its mixing performance. In this paper，numerical methods are used to investigate the overall performance under the condition that blades are in vertically staggered arrangement in the VCISR. The inclination angle of both blades is set as 45° and staggered angles of a pair of upper and lower blades are set as 15°，30°，45°and 60°，respectively. A serial of numerical simulations indicate that when the staggered angle is 45°，the speed root-mean-square（σ）on the characteristic impact surface of VCISR come up to the maximum value 3.81，and the overall performance is the best. Under the same condition，when the staggered angle is 60°，the rotational energy consumption is minimal.

Key words:vertical circulative impinging stream reactor; paddle; vertically staggered arrangement; mixing performance; numerical methods

撞擊流（impinging streams，簡(jiǎn)稱為 IS）是一種比較新穎的技術(shù)方法[1]，其基本理論思想是使兩股相向流動(dòng)的流體產(chǎn)生撞擊，從而達(dá)到促進(jìn)混合及反應(yīng)的目的。立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器（vertical circulative impinging stream reactor，簡(jiǎn)稱VCISR）[1]是一種浸沒式循環(huán)撞擊流的反應(yīng)器，它屬于液相連續(xù)相撞擊流反應(yīng)器，同時(shí)具有傳統(tǒng)攪拌槽反應(yīng)器功能，可以加熱或冷卻反應(yīng)物，可以連續(xù)或間歇操作等。VCISR與STR（傳統(tǒng)攪拌槽反應(yīng)器）優(yōu)點(diǎn)在于：在輸入相同的功率下，用普通沉淀法制取“超細(xì)”白炭黑實(shí)驗(yàn)中，制得的產(chǎn)品粒徑更細(xì)，粒徑分布寬度更窄，反應(yīng)所需的時(shí)間更短[2]。在化學(xué)工程領(lǐng)域中的任何一種過程，幾乎都可以用撞擊流來實(shí)現(xiàn)[3]，因而具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性的深入研究是該類反應(yīng)器的設(shè)計(jì)的技術(shù)的關(guān)鍵[4]。本文作者通過分析VCISR中上下兩對(duì)槳葉不同錯(cuò)位角排布條件下撞擊面上的速度和壓力分布，以討論槳葉錯(cuò)列排布對(duì)撞擊流混合性能的影響規(guī)律，從而為優(yōu)化和改進(jìn)VCISR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型

本研究采用了Fluent軟件對(duì)VCISR槳葉垂直交錯(cuò)排布條件下的混合性能進(jìn)行數(shù)值模擬。VCISR結(jié)構(gòu)中上下兩對(duì)槳葉傾角均設(shè)置為θ=45°，上下兩對(duì)槳葉以15°、30°、45°、60°不同錯(cuò)位角進(jìn)行交錯(cuò)排布。湍流模型選用目前使用最為廣泛的 k-ε兩方程模型。

以反應(yīng)器建立的坐標(biāo)系如圖 1（a），反應(yīng)器底面中心為o點(diǎn)，y軸與導(dǎo)流筒的所在軸線重合，x-z平面為撞擊面，x-y和y-z平面為垂直面。依照實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器實(shí)物結(jié)構(gòu)模型三維建模，反應(yīng)器總高為60 cm，外徑為 40 cm，上下兩個(gè)導(dǎo)流筒距離頂部和底部各為10 cm，導(dǎo)流筒高度為15 cm，兩導(dǎo)流筒間距為10 cm，下槳葉距反應(yīng)器底部為17 cm。為保證計(jì)算精度下減少計(jì)算量，在導(dǎo)流筒內(nèi)在區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，其余區(qū)域網(wǎng)格較疏，幾何模型如圖1（b）所示。

圖1 VCISR幾何模型

圖2 槳葉不同錯(cuò)位角布置圖

圖3 w0=15 r/s中垂面的速度矢量圖

圖4 取w0=15 r/s時(shí)撞擊特征面的速度云圖

采用MRF（動(dòng)參考系模型）方法進(jìn)行模擬，將動(dòng)區(qū)域（Fluid-move）內(nèi)流體設(shè)定相同轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而靜止區(qū)域（Fluid-static）內(nèi)流體設(shè)定為靜止。容器壁面及導(dǎo)流筒壁面上有Vx=Vy=Vz=0，即滿足固定無滑移面邊界條件[5]。以20 ℃的蒸餾水為工質(zhì)，假定為連續(xù)、不可壓縮的液體，且無旋流[6]。本反應(yīng)器最主要的操作參數(shù)是上、下槳葉交錯(cuò)排布角度，即錯(cuò)位角 β。在模型的上、下導(dǎo)流筒內(nèi)，各放置一個(gè)螺旋槳進(jìn)行模擬，以β角錯(cuò)位排布，模擬其混合效果及其能量消耗。

1.2 計(jì)算條件

攪拌槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為15 r/s，錯(cuò)位角β分別為15°、30°、45°、60°。槳葉結(jié)構(gòu)如圖 2，1、3、5為上層槳葉，2、4、6為下層槳葉。

2 流場(chǎng)模擬結(jié)果及其討論

2.1 速度分布及分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果中，選取縱剖面與幾何對(duì)稱面對(duì)稱撞擊面兩個(gè)特征面進(jìn)行速度分布討論，以進(jìn)一步獲得特征面上的速度梯度分布。在反應(yīng)器內(nèi)工質(zhì)的速度包括徑向速度和軸向速度，在縱剖面上主要表現(xiàn)為軸向速度撞擊[7]，并使工質(zhì)做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速w0=15 r/s、槳葉傾角均為45°工況下，導(dǎo)流筒內(nèi)軸向平均速度為V=0.666 m/s。計(jì)算得到上下槳葉在不同錯(cuò)位角下縱剖面速度矢量圖，如圖3所示。

圖3顯示，流體經(jīng)過導(dǎo)流筒噴射相向撞擊，其速度場(chǎng)分布是關(guān)于撞擊面對(duì)稱的，證實(shí)了柱面的存在。同時(shí)可得出，撞擊特征面上的速度梯度隨錯(cuò)位角度變化而變化。為明確其變化規(guī)律，本研究引入σ1為平均速度的均方根，以此表示軸向的平均速度梯度大小。以此方法描述的合理性在于：均方根 σ越大，其平均速度離散程度越大，平均速度梯度值越大，即混合性能越好。表1為計(jì)算得到的不同錯(cuò)位角下軸向平均速度的均方根σ1值。

表1顯示，錯(cuò)位角為30°時(shí)中縱剖面上σ1值最大，說明該錯(cuò)位角下的混合性能更優(yōu)，較錯(cuò)位角β＝ 15°、45°、60°時(shí)分別增大15.2%、7.9%、15.2%。

表1 均方差σ1值表

圖4給出是轉(zhuǎn)速為15 r/s時(shí)y =30 cm撞擊特征撞擊面上的速度云圖。

從圖4 中的速度分布狀況來分析，由于導(dǎo)流筒的作用，速度較大的區(qū)域分布在沿導(dǎo)流筒的垂直方向，當(dāng)β=60°和 30°時(shí)，該區(qū)域內(nèi)流體速度變化的程度較大；β=15°和 45°時(shí)，該區(qū)域流體的速度值較接近。而在4種工況下，工質(zhì)鄰近反應(yīng)器壁面時(shí)，速度下降的趨勢(shì)明顯增大，并趨向于緩和。

在4種工況下采集y=30 cm，x=－0.2～0.2 m的152個(gè)速度點(diǎn)，形成的速度分布曲線如圖5。從圖5 中可分析出，在相同的錯(cuò)位角下，最大速度位于導(dǎo)流筒（導(dǎo)流筒的軸x=0，半徑x=±0.08 m）垂直方向，約為流體撞擊后平流速度的2～5倍。

由圖3～圖5 可得到，錯(cuò)位角對(duì)撞擊特征區(qū)域的混合特性具有重要影響。同上σ1描述方法，引入σ2描述y=30 cm位置特征撞擊面上的混合性能。表2 為不同錯(cuò)位角下計(jì)算得到均方根σ2值。

表2可以得出，在同一工況下，上下槳錯(cuò)位45°時(shí)，沿徑向分布的平均速度的均方差σ2值最大，表明其徑向平均速度的梯度最大，這對(duì)于促進(jìn)湍動(dòng)混合非常有利，即錯(cuò)位角為45°時(shí)，在y=30 cm徑向面上的混合性能最優(yōu)。計(jì)算得，錯(cuò)位角在45°時(shí)的徑向平均速度均方根值較錯(cuò)位角 15°、30°、60°時(shí)分別增大了8.9%、1.7%、1.0%。

圖5 y=30 cm特征撞擊面上的速度分布圖

表2 均方根σ2值表

徑向速度和軸向速度都是影響整個(gè)立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器混合性能的重要指標(biāo)，本文引入σ=σ1+σ2作為衡量整體反應(yīng)器整體混合性能指標(biāo)，計(jì)算得到表3。

表3 均方根σ值表

表3表明錯(cuò)位角為45°時(shí)σ值最大，據(jù)此可以認(rèn)為，上下槳葉錯(cuò)位45°排布時(shí)反應(yīng)器中工質(zhì)的撞擊混合效果最佳。該結(jié)論可以為立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供一定參考依據(jù)。

2.2 壓力分布及能量消耗計(jì)算

在評(píng)價(jià)立式撞擊流反應(yīng)器的混合性能中，能量消耗是重要的參數(shù)之一。反應(yīng)器中，使用螺旋槳推動(dòng)液體流動(dòng)，工質(zhì)所分配的能量一部分要克服阻力，另一部分要產(chǎn)生熱量。本研究采用式（1）計(jì)算能量耗散值[8]。

式中，w為單位時(shí)間消耗的能量，Δp為螺旋槳所在撞擊特征面的壓強(qiáng)波動(dòng)幅值，ds為微元面積在螺旋槳的面積，Δp由fluent數(shù)值計(jì)算得到。按式（1）計(jì)算得到w-β關(guān)系圖如圖6。

從圖6可以看出，在同一工況下錯(cuò)位角β=60°時(shí)w值最低，4種錯(cuò)位角下能量消耗w大小排序是：w(30?)＞w(45?)＞w(15?)＞w(60?)，該結(jié)論為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從能量耗費(fèi)角度提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。分析其原因，一方面說明速度相對(duì)較高的撞擊區(qū)域壓力波動(dòng)增幅較高，另一方面速度變化大的區(qū)域壓力波動(dòng)強(qiáng)度較高。

圖6 能量消耗與錯(cuò)位角（w-β）關(guān)系圖

3 結(jié) 論

在轉(zhuǎn)速15 r/s、槳葉傾角均為45°條件下，數(shù)值模擬了VCISR的撞擊混合過程，通過分析得到了如下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）同工況下，上下槳葉錯(cuò)位角為30°時(shí)中縱剖面上σ1值最大，以此認(rèn)為該錯(cuò)位角下中縱剖面上撞擊混合性能更優(yōu)，較錯(cuò)位角β＝15°、45°、60°時(shí)增大15.2%、7.9%、15.2%。

（2）同工況下，上下槳錯(cuò)位45°時(shí)撞擊面上沿徑向分布的平均速度的均方差σ2值最大，表明其徑向平均速度的梯度最大，即錯(cuò)位角45°時(shí)撞擊面上混合性能最優(yōu)。計(jì)算得出45°時(shí)撞擊面上徑向平均速度均方根值較錯(cuò)位角15°、30°、60°時(shí)分別增大8.9%、1.7%、1.0%。

（3）通過引入σ綜合考慮整體撞擊混合性能，計(jì)算得到錯(cuò)位角為45°時(shí)σ值最大，據(jù)此可以認(rèn)為，上下槳葉錯(cuò)位45°排布時(shí)反應(yīng)器中工質(zhì)的撞擊混合效果最佳。

（4）同一工況下錯(cuò)位角β =60°時(shí)能量消耗值w最低，4種錯(cuò)位角下w大小排序是：w(30?)＞w(45?)＞w(15?)＞w(60?)。

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Mixing performance of vertical circulation impinging stream reactor with vertically staggered blades

YANG Xia1，ZHANG Tao1，LIANG Liyun2，WU Yanyang1，MAO Zhihui1，GUO Jia3
（1School of Mechanical & Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China；
2China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，Hubei，China；3Key Laboratory for Green Chemical Process，Ministry of Education，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China）

TQ 05

A

1000–6613（2011）04–0715–05

2010-08-31；修改稿日期：2010-10-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金（50906065，21076165）及湖北省教育廳優(yōu)秀中青年基金（Q20081508）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：楊俠（1978—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛み^程機(jī)械、流體力學(xué)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)。E-mail 13212725@163.com。