改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟.pdf

文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0060谣07收稿日期院 2023-03-28作者简介院 秦晓波(1999-)，男，江苏常州人，在读硕士研究生，从事搅拌设备性能研究。改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟秦晓波1袁 包健2袁 高晓斌1袁 周勇军1渊1.南京工业大学 机械与动力工程学院袁 江苏 南京211816曰2.江苏省特种设备安全监督检验研究院袁 江苏 苏州215600冤摘要院通过计算流体动力学软件对改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜内的流场进行了数值模拟袁 研究了在不同转速 N尧 离底距 C1下釜内的流场遥 研究结果表明袁 随着转速的增加袁 桨叶对内盘管的冲刷作用增强袁 内盘管附近的低速区会逐渐减小袁 促进了内盘管附近流体的混合曰 在C1=125 mm 时袁 内盘管向下的导流作用明显袁 增加了搅拌釜底部壁面速度袁 有利于搅拌釜底部壁面附近流体的混合遥 将模拟得出的搅拌桨功率准数 Np与实验结果进行对比袁 验证了数值模拟方法的准确性遥 研究结果可为类似改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜的结构优化提供参考遥关键词院 搅拌釜曰 内盘管曰 框式组合桨曰 流场曰 功率准数中图分类号院 TQ050.2文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.010Numerical Simulation of Flow Field of Improved Frame Type CombinedImpeller in the Stirred Tank with Inner CoilQIN Xiao-bo1,BAO Jian2,GAO Xiao-bin1,ZHOU Yong-jun1(1.College of Mechanical and Power Engineer袁Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China曰2.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province,Suzhou 215600,China)Abstract:By using computational fluid dynamics software,the flow field of the improved frame typecombined impeller in the stirred tank with inner coils was numerically simulated,and the effects on the flowfield with the improved frame type combined propeller in a stirred tank with inner coils was investigatedunder the conditions of different rotating speed N and off-bottom height C1.The results show that with theincrease inrotatingspeed,the erosionofthe blade on the inner coil is enhanced,and the low-speed zone neartheinnercoilwillreduce,whichisconducivetothe mixingof the fluid near the innercoil.When off-bottomheightC1is125mm,thedownwardflowguidingeffectoftheinnercoilisobvious,whichincreasesthevelocityof the bottom wall of the stirred tank and is conducive to the mixing of the fluid near the bottom wall of thestirred tank.The reliability and accuracy of the numerial simulation is verified by comparison of the powerfactors Npof the impeller obtained from the experiment and simulation calculation.The conclusions willprovidereferenceforsimilar structuraloptimization of improved frame type combined propellerinthe stirredtankwiththeinnercoil.Key words:stirred tank曰inner coil曰frame type combined impeller曰flow field曰power factor第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.2023搅拌反应器是化学工程和生物工程中最常见和最重要的单元设备之一袁 在聚合反应工程中应用广泛袁在合成纤维尧合成塑料尧合成橡胶等高分子材料的工业生产中使用占比尤其高袁 超过了85%咱1暂遥研究搅拌反应器内流体的流动和混合情况对其设计和优化具有指导意义咱2暂遥搅拌釜的内盘管会阻碍示踪粒子的拍摄袁近年来数值模拟已经可以准确地反映搅拌釜内流场的真实情况咱3-4暂遥 周勇军等咱5暂模拟了改进型框式组合桨在搅拌槽内流体的流动特性袁 结果表明改进型框式组合桨离底距离的增大袁 不利于框式桨对底部流体的扰动袁并采用实验验证了模拟结果遥孙会等咱6暂利用计算流体动力学(CFD)模拟方法对比研究了双层斜叶平桨尧 标准锚式桨和新型内外组合桨在搅拌槽中流体的流动特性袁 结果表明新型内外组合桨加强了搅拌槽内流体的径向流动和轴向流动袁改善了近壁区的流体流动遥 Tamburini A等咱7暂对不同雷诺数条件下有无挡板情况下的搅拌槽内流场进行了数值模拟袁 证明了有挡板搅拌槽相关量之间会产生分岔遥 孙存旭等咱8暂通过将数值模拟与理论公式计算出的搅拌器功率准数对比袁验证了双层侧进式搅拌槽内流场特性数值模拟的准确性遥 徐昊鹏等咱9暂选择采用 CFD 研究双层改进型 Inter-Mig 桨对带内盘管搅拌釜内流场性能影响袁 发现搅拌轴扭矩可以作为验证双层改进型Inter-Mig 桨数值模拟的收敛判据袁 内盘管在流场中起导流作用遥 以上查阅的相关文献均未涉及对改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜内流场的研究遥文中采用 CFD 技术研究在不同转速和离底距离下改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜内流场袁 并将模拟和实验得出的搅拌器功率准数进行对比遥研究结果一方面可验证数值模拟的准确性袁另一方面可为改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜的结构优化提供参考遥1改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟方法1.1几何模型搅拌釜结构及尺寸示意图见图 1遥 搅拌釜底部封头为标准椭圆形封头遥 内盘管管径 20 mm袁材质不锈钢袁壁厚 2 mm袁中心直径 D=330 mm尧螺距50 mm袁 安装于搅拌釜上部 185 mm 处遥 图 1 中袁R=510 mm袁H=750 mm袁h=612 mm袁C1为组合桨距离反应釜底的距离渊简称离底距冤袁C2为组合桨桨间距袁C1取值和 C2取值在结构研究过程中可调节遥图 1搅拌釜结构及内件安装定位尺寸示图改进型框式组合桨结构见及尺寸示意图见图2遥 组合桨材料为 304 不锈钢袁桨底部为标准半椭圆形状袁其上焊接了椭圆弧形弯叶袁框式桨中间位置安装了二斜叶桨遥 二斜叶桨和新型框式组合桨采用 渍40 mm7 mm 的轮毂袁 桨叶厚度 啄=2 mm袁上下 2 个二斜叶桨的叶片倾斜角为 琢=45 遥图 2 中袁D1=270mm袁D2=272mm袁D3=140mm袁d=190mm袁d1=60 mm袁d2=84 mm袁B=32 mm遥图 2改进型框式组合桨结构示图1.2网格划分针对带内盘管搅拌釜的复杂结构袁 按照流体在反应釜内存在的状态特征袁将反应釜内区域分为动尧静 2 个区域袁并采用非结构性网格对动区域和静区域进行网格划分袁得到的网格模型见图 3遥第 5 期秦晓波袁等院改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟61窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备图 3内盘管搅拌釜网格模型在对模型网格划分时袁 增加网格数量可以提高模拟结果的精度袁 而当某一方向上速度矢量的变化量低于 3%时袁增加网格数量对模拟结果没有影响咱10暂遥 为选择合适网格数量袁分别选取 56.2万尧71.7 万尧109.8 万尧132.6 万尧158.6 万这 5 种不同的网格数袁截取在 r/R=0.6渊框式桨叶端与内盘管内壁面之间冤处的轴向速度和径向速度的分布袁其中 r 为径向位置袁R 为搅拌釜直径遥 不同网格数量下搅拌桨径向速度尧轴向速度分布图见图 4遥 图4 中袁z 为轴向位置袁h 为液面高度袁vtip为搅拌桨叶端线速度遥由图 4 可以看出袁 当网格数量达到 132.6 万时袁径向速度和轴向速度的变化量小于 1%袁故本次模拟采用 132.6 万网格数量遥1.3网格划分对搅拌釜内流场进行数值模拟时袁采用标准k-着 湍流模型袁 模型的参数设定包含原始流体的速度与压力等咱11暂遥 模拟桨叶的旋转时采用多重参考系法咱12暂袁该方法运用标准壁面函数计算任意实体的参数袁可以得到任意时刻的旋转桨叶参数遥2不同工况条件下搅拌釜内流场2.1搅拌桨转速 N在结构定位尺寸 C1=100 mm尧C2=250 mm尧流体黏度 滋=3.2 mPa窑s 情况下改变 N袁 模拟搅拌釜内流体的流动状态,得到 N 为 50尧60尧70尧80 r/min时的流体速度云图袁见图 5 和图 6遥由图 5图 6 可以看出袁由于内盘管的扰流作用袁 在框式桨底部位置产生了向内盘管附近流去的高速区遥对比图 5a 以及图 5b 发现袁N 的增大使图 4不同网格数量下搅拌桨径向速度尧轴向速度分布图图 5N=50 r/min 和 N=60 r/min 条件下搅拌釜内流体速度云图62窑窑得框式桨立桨和底部椭圆形弯叶对内盘管的冲刷作用更加明显袁盘管附近的低速区也逐渐减小遥盘管的扰流作用改变了盘管与桨叶之间流体的流向袁这有利于搅拌釜底部和中部流体的传质遥对径向位置 r/R=0.56 处的流速进行描述可以直观地反映出框式桨对内盘管的冲刷作用以及对搅拌釜的刮壁作用遥截取图 5 和图 6 中径向位置 r/R=0.56 处的径向速度和轴向速度袁 得到搅拌釜内流体速度分布袁见图 7袁其中工况 1 到工况 4 代表不同的搅拌转速袁依次为 50尧60尧70尧80 r/min遥从图 7b 轴向速度分布图可以看到,各转速工况下轴向速度的变化趋势相同袁 在框式桨附近的速度波动较大袁 这是由于框式桨的刮壁作用加强了内盘管对流体的扰动作用袁 使得轴向流方向变化波动大遥2.2离底距 C1在 N=60 r/min尧C2=250 mm尧滋=3.2 mPa窑s 情况下改变 C1袁 模拟搅拌釜内的流体流动状态袁得到 C1为 100尧125 尧150 mm 时流体速度云图袁见图8遥 比较图 8 可知袁C1的增加使得框式桨立桨带动的流体对内盘管的冲刷作用加强袁 由框式桨带动的流体经过内盘管的扰动后袁 使搅拌釜壁面的流体流速增强遥为研究在不同离底距 C1下内盘管对搅拌釜内不同高度渊以 z/h 表征冤流体流动的影响袁截取图 8 中 z/h=0.2 渊 底 部 冤尧z/h=0.48 渊 中 部 冤尧z/h=0.74 渊上部冤 截面的速度袁 得到 C1为 100尧125尧150 mm 时搅拌釜内底部尧中部和上部截面速度云图袁分别见图 9图 11遥对比图 9图 11可知袁 在 C1由 100 mm 增加到 125 mm 时袁内盘管向下的导流作用使流体流向搅拌釜椭圆封头处袁 从而使搅拌釜底部壁面速度有所增加袁有利于壁面附近流体的混合遥 而 C1继续由 125 mm 增加到 150 mm 时袁 底部流体的混合效果变差遥 对比图 9图 11 中搅拌釜中部流体速图 7不同转速下搅拌釜内流体速度分布图 6N=70 r/min 和 N=80 r/min 条件下搅拌釜内流体速度云图第 5 期秦晓波袁等院改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟63窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备图 8不同离底距下搅拌釜内的速度云图图 9C1=100 mm 搅拌釜内截面速度云图图 10C1=125 mm 搅拌釜内截面速度云图图 11C1=150 mm 搅拌釜内截面速度云图64窑窑度云图可知袁C1的增大使框式桨对内盘管的冲刷作用更加剧烈袁流体经过内盘管冲刷壁面袁并沿壁面向搅拌釜中部壁面流动袁 使搅拌釜中部的流体流速增加遥3数值模拟准确性验证功率准数 Np是计算搅拌桨输入功率的重要参数和搅拌桨设计的重要依据袁计算如下咱13-15暂院Np=21 600P籽N3d5式中院P 为搅拌轴功率的数值袁单位 W曰籽 为搅拌介质密度的数值袁单位 kg/m3曰N 为搅拌转速的数值袁单位 r/min曰d 为搅拌桨直径的数值袁单位 m遥通过实验验证数值模拟结果的准确性遥 实验时袁扭矩控制仪采用频率信号袁供电电压为 15 V袁频率为 10 kHz袁 量程为 10 N窑m袁 精度为 0.2%量程遥 不同工况渊N尧C1尧C2组合冤下的模拟 Np与实测Np见表 1遥由表 1 可知袁模拟与实验得到的功率准数 NpN/(r/min)5060C1/mm100100C2/mm250250模拟 Np实测 Np误差/%3.584 53.988 910.12.837 03.038 16.6701002502.144 32.263 45.3801002501.981 52.085 95.0601252502.608 12.993 512.9601502502.518 22.948 814.6表 1不同工况下模拟 Np与实测 Np的误差最大为 14.6%袁最小为 5.0%遥 由于扭矩传感器得到扭矩信号经过信号放大处理及 A/D 转换后显示在扭矩控制仪的仪表上袁 使得在低转速的情况下袁低扭矩水平的误差较大遥实际实验过程中实验搅拌釜中有盘管固定板袁 而在数值模拟时未能考虑其对搅拌介质的阻流作用袁 从而使实验的搅拌功率较大遥 表 1 中误差数值均在工程误差允许的范围之内袁证明模拟是可靠的袁而且能够满足工程研究的需要遥4结束语通过数值模拟方法研究了改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流体的流场特性袁 将模拟得出的功率准数与实验结果进行了对比分析袁 得到如下结论院对于带内盘管釜内的改进型框式组合桨袁转速的增加会使内盘管的扰流作用以及受到桨叶的冲刷作用更明显袁 从而增加内盘管附近流体的流速袁利于其附近流体的混合遥随着搅拌桨离底距的增加袁搅拌釜底部混合死区逐渐增多袁当离底距为 125 mm 时袁内盘管向下的导流作用会明显增加搅拌釜底部壁面速度袁 促进了釜底壁面附近流体的混合遥 将模拟得出的功率准数与实验结果进行对比袁验证了模拟的准确性遥参考文献院咱1暂陈志平,章序文,林兴华,等.搅拌与混合设备设计选用手册咱M暂.北京:化学工业出版社,2004.CHEN Z P,ZHANG X W,LIN X H,et al.Stirring andmixing equipment design and selection manual 咱M暂.Beijing:Chemical Industry Press,2004.咱2暂殷俊杰,刘雪东,周成奇,等.大型圆筒罐体侧壁搅拌过程流场分析与测量咱J暂.化学工程,2021,49(8):73-78.YIN J J,LIU X D,ZHOU C Q,et al.Analysis andmeasurement of mixing flow field on side wall oflarge-scale mixing tank 咱J暂.Chemical engineering,2021,49(8):73-78.咱3暂杨斌,高凯,淡勇.PIV 在化工搅拌釜内流动测量中的应用咱J暂.化工机械,2013,40(1):4-8.YANG B,GAO K,DAN Y.PIV application in flowmeasurement within chemical stirred tank咱J暂.Chemi鄄cal engineering and machinery,2013,40(1):4-8.咱4暂Neuner Thomas,Meister Michael,Pillei Martin,et al.Numerical and experimental flow investigation usingultrasonic PIV for optimizing mechanically agitatedlab-scale anaerobic digesters 咱J暂.Chemical engineer鄄ing science,2022,264:118-129.咱5暂周勇军,袁名岳,孙存旭.改进型框式组合桨搅拌釜内流场特性研究咱J暂.化工进展,2019,10(5):523-531.ZHOU Y J,YUAN M Y,SUN C X.Investigating on第 5 期秦晓波袁等院改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟65窑窑1,4-丁二醇装置乙炔管道安全设计浅析章军袁 张权辉袁 焦娟袁 孙媛渊北京石油化工工程有限公司 西安分公司袁 陕西 西安710000冤摘要院1,4-丁二醇 渊BDO冤 是生产可降解塑料的化工原料袁 乙炔是炔醛法生产 BDO 的主要原料遥 介绍了乙炔的物理化学特性袁 论述了 BDO 装置乙炔管道设计中压力分级尧 风险分区尧 壁厚计算尧 输送温度尧 材料选择等关键安全因素的计算依据及工况考虑袁 提出了影响乙炔管道安全的设计方法袁 可为新建或改扩建 BDO 工业装置乙炔管道的安全设计提供借鉴遥关键词院 管道曰 乙炔曰 输送曰 安全曰 设计中图分类号院 TQ055.8文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.011flow field in stirred tank equipped with improvedframe type combined impellers 咱J暂.Chemical industryand engineering progress,2019,10(5):523-531.咱6暂孙会,潘家祯.带有新型内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究咱J暂.化工学报,2006,57(1):13-20.SUN H,PAN J Z.Numerical investigation of flowfields in stirred vessels with novel combined inner andouter agitators咱J暂.CIESC journal,2006,57(1):13-20.咱7暂Tamburini A,Gagliano G,Micale G,et al.Directnumerical simulations of creeping to early turbulentflowinunbaffledandbaffledstirredtanks 咱J暂.Chemical engineering science,2018,192:161-175.咱8暂孙存旭,王垒智,周勇军,等.双层侧进式搅拌槽内流场特性数值模拟咱J暂.石油化工设备,2019,48(4):44-50.SUN C X,WANG L Z,ZHOU Y J袁et al.Numericalsimulation of flow field characteristics in a doubleside-entry stirred tank咱J暂.Petro-chemical equipment,2019,48(4):44-50.咱9暂徐昊鹏,周勇军,何华,等.双层改进型 Inter-Mig 桨对带内盘管搅拌釜内流场性能影响 咱J暂.石油化工设备,2019,48(4):15-21.XU H P,ZHOU Y J,HE H,et al.Effect of doublelayer improved Inter-Mig impeller on flow fieldperformance in stirred tank with inner coil咱J暂.Petro-chemical equipment,2019,48(4):15-21.咱10暂 Malik S,Bouaifi M.Shear improved Smagorinskymodel for large eddy simulation of flow in a stirredtank with a Rushton disk turbine咱J暂.Chemicalengineering research and design,2016,108:69-80.咱11暂 郭雪岩,王斌杰,杨帆.水力旋流器流场大涡模拟及其结构改进 咱J暂.排灌机械工程学报,2013,31(8):696-701.GUO X Y,WANG B J,YANG F.LES analyses of flowfields and structure improvements of hydrocyclones咱J暂.Journal of drainage and irrigation machinery en鄄gineering,2013,31(8):696-701.咱12暂 Seyed H,Dineshkumar P,Farhad E M.Study of solid-liquid mixing in a agitated tanks through computa鄄tional fluid dynamics modeling 咱J暂.Ind.Eng.Chem.Res.,2010,49(9):4426-4435.咱13暂 汤俊杰.基于 CFD 对 DTB 结晶器结构的优化及其内部流场模拟咱D暂.湘潭:湘潭大学,2019.TANG J J.Optimization of DTB crystallizer structureand its internal flow field simulation based on CFD咱D暂.Xiangtan:Xiangtan University,2019.咱14暂 庞臻.多层桨搅拌槽内过渡区流动特性的研究咱D暂.北京:北京化工大学,2019.PANG Z.Flow characteristics transition region ofmulti-impeller in a stirred tank 咱D暂.Beijing:BeijingUniversity of Chemical Technology,2019.咱15暂 李美婷,李威,李晓光,等.偏心轴搅拌槽内的层流流场特性咱J暂.山东大学学报渊工学版冤,2019,49(4):93-98,107.LI M T,LI W,LI X G,et al.Laminar flow fieldcharacteristics in the stirred vessel equipped with aneccentric-shaft impeller咱J暂.Journal of Shandonguniversity渊(Engineering science冤,2019,49(4):93-98,107.渊柏编冤文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0066谣04收稿日期院 2023-03-31作者简介院 章 军（1981-），男，陕西西安人，高级工程师，学士,主要从事管道材料设计工作。第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.2023