某攪拌反應(yīng)釜流動特性與混合效果的CFD 研究

王濤

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

帶攪拌的反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于石油化工裝置中，具有反應(yīng)物料混合均勻、操作條件調(diào)整靈活、內(nèi)部清洗方便等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。對于某合成樹脂裝置的聚合反應(yīng)，超溫、引發(fā)劑加入過量等因素會引發(fā)爆聚反應(yīng)，此時(shí)釜內(nèi)介質(zhì)黏度將迅速升高且飛溫放熱，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在正常工況下，攪拌器應(yīng)具有良好的流動特性，使釜內(nèi)速度場均勻，無死區(qū)；混合迅速，使加入的引發(fā)劑迅速分散到釜內(nèi)各處，避免局部濃度過高。爆聚工況下，即黏度升高后，攪拌器仍應(yīng)保持良好的流動特性，并能在1 分鐘內(nèi)將加入的阻聚劑混合均勻。基于以上設(shè)計(jì)要求，選擇了某框式攪拌器。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、化工機(jī)械等領(lǐng)域[3-11]。相較于冷模試驗(yàn)，CFD模擬能節(jié)省大量時(shí)間和資金，并且可通過全面和詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

本文采用CFD 模擬軟件Fluent 19.0，對裝有框式攪拌器的反應(yīng)釜進(jìn)行數(shù)值模擬，通過速度場、攪拌功率、混合時(shí)間等參數(shù)對流動特性和混合效果進(jìn)行考察，驗(yàn)證其能否滿足設(shè)計(jì)要求，為將來的設(shè)計(jì)優(yōu)化和放大提供參考。

1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)參數(shù)

反應(yīng)釜的下封頭為球形封頭，攪拌器型式為框式，葉片中共有20 個(gè)四邊形鏤空，下邊緣是與釜底同心異徑圓的兩段弧，釜內(nèi)設(shè)有兩塊擋板，釜體直徑D=4.35 m，正常液位高H=4.2 m，尺寸標(biāo)注和三維模型見圖1。

圖1 反應(yīng)釜及攪拌器模型Fig.1 Model of the stirred tank and agitator

2 正常工況下反應(yīng)釜流動特性的CFD 模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

采用Fluent meshing 軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約24 萬，最小扭曲度0.02，當(dāng)繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，攪拌器的扭矩變化小于3%，認(rèn)為滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求[12-14]。

2.2 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

經(jīng)計(jì)算，本案例雷諾數(shù)為1 471，處于過渡流范圍內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[15-16]，近壁處理選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

將攪拌器附近柱狀區(qū)域劃分為動區(qū)域，采用多重參考系模型（MRF）來耦合動靜界面?？刂品匠讨袎毫εc速度耦合求解選用Coupled 算法，擴(kuò)散項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式，殘差收斂精度設(shè)為10-4。

正常工況下介質(zhì)黏度為2 000 cP，攪拌器轉(zhuǎn)速為40 r/min。

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 速度云圖

圖2 為正常工況下反應(yīng)釜橫截面和縱截面的速度云圖。

圖2 正常工況下反應(yīng)釜速度云圖Fig.2 Velocity contour of the stirred tank in normal operating condition

可以看出，釜內(nèi)大部分區(qū)域的流速比較均勻，釜壁上邊緣處流速相對較低。經(jīng)Fluent 計(jì)算，釜內(nèi)超過88.4%體積的介質(zhì)流速在1m/s 以上，效果較好。

2.3.2 速度矢量圖

圖3 為正常工況下的反應(yīng)釜橫截面和縱截面的速度矢量圖。

圖3 正常工況下反應(yīng)釜速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of the stirred tank in normal operating condition

整個(gè)釜內(nèi)的主要流動特征為：①釜底中心處介質(zhì)在槳葉下部實(shí)心板的作用下，排往釜壁；②介質(zhì)沿釜壁上升至液面附近；③介質(zhì)由釜壁匯集到釜中心攪拌軸附近；④在槳葉鏤空的卷吸作用下，沿?cái)嚢栎S下降到釜底，如此循環(huán)。這種長行程的大循環(huán)可以保障整體的流動混合效果，避免不同高度出現(xiàn)小范圍漩渦停滯的情況。另外，擋板可以有效減小繞攪拌軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的周向流，這種流型混合效果非常差，應(yīng)盡量避 免。

2.3.3 攪拌器軸功率

攪拌器軸功率可通過下式計(jì)算：

式中N——攪拌器轉(zhuǎn)速，s-1；

Mp——攪拌器壓力力矩；

Mv——攪拌器黏性力力矩。

經(jīng)Fluent 軟件計(jì)算，攪拌器壓力力矩為12 638 N·m，黏性力矩為-1.1×10-7N·m，可以看出，由于攪拌槳為豎直方向槳葉，無傾斜，黏性力可以忽略不計(jì)，代入上式得到攪拌器軸功率為53.31 kW。

3 正常工況下反應(yīng)釜混合效果的CFD 模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

在穩(wěn)態(tài)流場的基礎(chǔ)上，將計(jì)算模型改為瞬態(tài)，選用多種介質(zhì)模型。釜內(nèi)新增少量示蹤劑，示蹤劑的性質(zhì)與釜內(nèi)介質(zhì)相同，示蹤劑初始化見圖4。

圖4 示蹤劑初始狀態(tài)Fig.4 Initial state of the tracer

圖5 觀察點(diǎn)位置Fig.5 Location of the monitors

設(shè)置7 個(gè)示蹤劑濃度觀察點(diǎn)，通過監(jiān)測各點(diǎn)濃度變化來判斷反應(yīng)釜的混合時(shí)間，觀察點(diǎn)位置見圖 5。

3.2 模擬結(jié)果與分析

瞬態(tài)模擬后，各觀察點(diǎn)的示蹤劑濃度變化見圖6，通過計(jì)算，經(jīng)過約17 s 后，各處示蹤劑濃度基本達(dá)到均勻（濃度偏差±5%）。因此，正常工況下，反應(yīng)釜的混合時(shí)間約為17 s。

圖6 示蹤劑濃度變化Fig.6 Change of tracer concentration

4 爆聚工況下反應(yīng)釜的流動特性和混合效果

采用上述方法對爆聚工況（黏度7 000 cP）條件下的反應(yīng)釜進(jìn)行CFD 模擬，得到反應(yīng)釜縱截面速度云圖和矢量圖見圖7，結(jié)果顯示，雖然黏度大幅提高，但釜內(nèi)大循環(huán)依然保持，經(jīng)fluent 軟件計(jì)算，釜內(nèi)超過84.8%體積的介質(zhì)流速在1 m/s 以上，攪拌器軸功率為53.43 kW。示蹤劑的混合時(shí)間約為18 s，滿足1分鐘內(nèi)將阻聚劑混合均勻的要求。

圖7 爆聚工況下反應(yīng)釜速度云圖和矢量圖Fig.7 Velocity contour and vector of the stirred tank in abnormal condition

5 結(jié)論

本研究采用CFD 方法對裝有框式攪拌器的反應(yīng)釜進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場模擬和瞬態(tài)混合過程模擬，通過分析速度場、攪拌功率、混合時(shí)間等參數(shù)，對攪拌器是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行驗(yàn)證，為將來的優(yōu)化和放大提供參考。結(jié)論如下：

（1）正常工況下，反應(yīng)釜內(nèi)流型為從釜底中心到釜壁、沿釜壁上升至液面、再匯集到中心、下降到釜底的大循環(huán)，釜內(nèi)大部分區(qū)域流速均勻，無小范圍漩渦停滯情況。攪拌器受力主要為壓力，黏性力可忽 略。

（2）正常工況下，反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)混合迅速，混合時(shí)間約為17 s.

（3）爆聚工況下，雖然介質(zhì)黏度大幅提高，但反應(yīng)釜內(nèi)大循環(huán)的流型仍然能夠保持，流場均勻性稍遜于正常工況?；旌蠒r(shí)間約為18 s，滿足爆聚后加入阻聚劑的混合時(shí)間要求。