偏心双桨搅拌流场及效果分析

第33卷第1期 化学反应工程与工艺 Vol 33, No 1 2017年2月 Chemical Reaction Engineering and Technology Feb. 2017

文章编号：1001—7631 ( 2017 ) 01—0049—06

DOI: 10.11730/j.issn.1001-7631.2017.01.0049.06

偏心双桨搅拌流场及效果分析

张慧敏1，胡守明1，孔祥征2

1.上海应用技术大学机械工程学院，上海 201418； 2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211800

摘要：生产工艺中需要聚苯乙烯粒子在液相苯乙烯中均匀悬浮与混合，要求底部固相不堆积，固相浓度分布均匀。为了达到理想的搅拌效果，本文研究了双桨的偏心率及转速对搅拌混合效果的影响。以底部椭圆封头，无挡板的反应釜和双层6折叶的开启涡轮式搅拌器为研究对象，用Fluent软件对搅拌器偏心时水的搅拌流场及聚苯乙烯粒子-苯乙烯固液搅拌进行数值模拟。模拟了不同偏心率和转速对搅拌流型、聚苯乙烯粒子浓度分布及能耗的影响，并用粒子图像测速法（PIV）实验验证水的搅拌流场。结果表明，偏心搅拌可使流体速度得到增加，桨叶下方的搅拌死区得到有效抑制；偏心率增大导致两侧的速度偏差越来越大，能量分布不均匀；偏心搅拌的聚苯乙烯粒子浓度分布比对中搅拌的更为均匀，可改善粒子在苯乙烯中的悬浮效果；相同搅拌效果的情况下，偏心率为0.15的功率消耗是对中搅拌的85%；对该固液搅拌时的最佳偏心率和最佳转速分别为0.15和95 r/min，此时固液搅拌混合效果最好，固相浓度分布最为均匀，消耗功率相对较少。

关键词：偏心搅拌 双层桨叶 开启涡轮式搅拌釜 流场模拟 粒子图像测速法 中图分类号：TQ027.3

文献标识码：A

聚苯乙烯生产工艺中需要聚合物粒子在液相苯乙烯中均匀悬浮与混合。反应器中搅拌器的结构及位置设置对搅拌效果有很大的影响，而偏心搅拌更能够缩短固液搅拌混合的时间[1]，目前针对偏心搅拌的研究报道多停留在单层桨叶。杨锋苓等[2,3]对单桨的偏心搅拌进行了实验研究，固相都为微米级粒径的石英砂；Marek Dománski等[4]利用计算流体动力学（CFD）模拟分析单层偏心桨叶转速对水流场的影响，与实验数据较吻合。

现有的研究结果表明，开启涡轮式搅拌器斜叶θ为45 °[5]，叶片数为6[6]，对固液搅拌效果最好，双层桨叶对搅拌效果优于单层桨叶[7]。本研究针对聚苯乙烯生产中的大颗粒（直径约为2 mm）搅拌问题，采用双层6折叶的开启涡轮式搅拌器，用Fluent商业软件对反应釜内流场进行计算模拟，分析不同偏心率对水的流场、速度及漩涡位置的影响，以及偏心率、搅拌转速对固相浓度分布和功率损耗等方面的影响，并用粒子图像测速法（PIV）实验验证水的流场模拟，以期后获得较佳的偏心率和固液搅拌效果，为聚苯乙烯生产中搅拌混合装置的设计提供技术参考。

1 数值模拟

1.1 模型与网格划分

本工作的实验装置和尺寸如图1所示。偏心率e为搅拌轴心偏移搅拌釜中心的距离E与釜内半径C2为110，R之比。双层6折叶开启涡轮式搅拌器，折角45 °，桨叶离底高度和桨间距分别是C1为80，桨径与釜径之比为0.43。

收稿日期: 2016-12-08; 修订日期: 2017-01-28。

作者简介: 张慧敏（1962—），女，教授；胡守明（1991—），男，硕士研究生，通讯联系人。E-mail:980660941@qq.com。

50 化学反反应工程与工艺艺 20017年2月 (a) experimental device and agitatoor (b) size of stirred t(ank

图1 实实验装置和反应应釜尺寸

Figg.1 Experimentall device and the size of stirring ttank

模拟的的三维模型按按照实验尺寸寸建立，体网网格成份（elemeent）选择Teet/Hybrid（主主要以四面体体网格形式，在适适当位置包含含六面体、锥锥形和楔形网网格），单元类型（type）选择择Tgrid（主要要划分为四面面体网格单元，在在适当的位置置可以包含六六面体、椎体体和楔形单元）。网格总数为为711 596，节节点数为1311 377。双层桨叶反反应釜的模型型及流域网格格如图2所示示。 1.2 模拟方方法和边界条条件 对于桨桨叶旋转，利利用Fluent软件对搅拌釜软釜内水的流动进行行模拟，选取取多重参考系系（MRF）方方法解决桨叶叶旋转区域的流流动，定义桨桨叶区域内为为旋转参考系。固液液中心搅拌时时的临界悬浮浮转速由Zwiietering[8]公式式计算约为85 r/min，将它它定义为该区区域的角速度。其它它区域是静止止区域，将反反应釜釜壁定定义成固定边边界条件。静止止区域和动区区域的边界设设置为交换面，形成成流体通道。固液搅拌采采用标准κ-ε湍流模型[9]。对于旋转参。参考系，旋转转轴为Y轴；重力加速度g为--9.8 m/s2，负负号表示沿Y轴负方向。 1.3数值模模拟方法的实实验验证 为了验验证Fluent数值模拟结果数果的可信度，用PIV实验进进行比较。图3(a)为无轴心心偏移搅拌时时（e=0）(a) three-dimmensional (b)modeling grid

图2 2三维建模和网网格划分

Fig.2 Threee-dimensional momodeling and gridd

(a) e=0, simulatioon and experimentt (bb) e=0.2, simulatioon and experiment

图3 模模拟和实验速度度流线

Fig.33 Velocity flow graph of simulaation and experimment

第33卷第第1期 张慧敏敏等. 偏心双桨搅搅拌流场及效果果分析 51一侧轴向向纵切面流场场的模拟值和和实验结果的的对比。可以以看见，两者流场线型及漩漩涡位置基本本一致，桨间区域的的流体因桨叶叶的轴向作用用向上运动，达到液面向四周扩散，从反应釜内壁从壁靠自身重力力向下流动，误差为形成一个个大循环。两两者最大速度度都在桨叶叶端处，为3.0%。图3(b)是e为0..2的模拟和实实验结果，可看出整整体流线图基基本一致，在在上层桨叶叶叶端附近流线图有有所不同，原原因在于实验验装置轴的挠挠性波动0.200.25 simulation Y experiment Y simulation X experiment XVelocity /(ms)造成，在在偏心环境下下，破坏了原原有对称结构构，转轴的挠性波波动对搅拌流流场的影响大大于不偏心搅搅拌。 图4是实验和模模拟的速度值值在直线a、b（见图3(a)黑线线）处的变化化图。可知PIVP实验的流流场速度和Fluennt数值模拟的的流场速度沿沿径向和轴向向有相同的分布和和相似的变化化趋势，表明明Fluent数值值模拟结果的正确确性，选用的的多重参考系系（MRF）模模型符合实际。 -10.150.100.050.00-500550100150Y or X / mm

图4 速度度变化 Fig.4 Velociity profile 2 结果果与讨论 2.1 偏心心率对流场影影响的数值分分析 不同同偏心率时的的速度场模拟拟结果如图5和图6所示示（轴向的0 °0切面的速度度矢量图和速速度云图）。从图图5速度矢量量可看出，当当偏心率变化化时，漩涡位位置无明显变化，都在桨叶叶叶端处。但但随着偏心率的增大大，远离釜壁壁一侧桨叶叶叶端的漩涡有有明显减弱的的趋势。流体的最大速度受受偏心率影响响较大，随偏心率递递增，速度最最大值有增大大的趋势，偏偏心率e为0.20时的速度最最大值相比不不偏心时的速速度最大值增加了13.8%。 (a) e=0 (b) e=0.05 (c) e=0.11 (d) e=0.15 (e) ee=0.2

图5 各偏心率的速度矢量

Fig.5 Velocity vector plots wwithin the axial lengthwise sectiion of the stirring tank under diffferent eccentriciities

图6的速度云图图可看出，不不偏心时桨叶叶底部流体速速度几乎为0，该区域为“搅拌死区”。偏心搅拌。(a) e=0 (bb) e=0.05 (c) e=0.1 (d) e=0.15 (e) e=0.2 =

图6 各偏心率的的速度 Fig.6 Velocityy contours plots within the axial lengthwise secttion of the stirrinng tank under diffferent eccentriccities

52 化学反反应工程与工艺艺 20017年2月 时，底部流流体速度得到到不同程度的的增大，故可可有效解决搅搅拌死区的问题。 为了研研究釜内整体体流体速度大大小的均匀性性，取距离釜壁30 mm处轴向直线处c、d，如图5(aa)所示，在直线c、d上均匀取20个速度值值，计算其对对应偏差率，结果见表1。数据表明随。随着偏心率的的增大，两侧速度偏偏差范围越来来越大，e为0.2时，速度度偏差率s已超过已5%。表11 速度值偏差率率 Table 1 Deeviation rate off velocity e s, % 0 0 0.05 2.2 0.13.50.15 4.8 0.2 6.5 产生上上述现象的原原因在于，桨叶与釜壁之桨之间的距离会会影响搅拌流体的速度及流流场分布，偏心搅拌偏破坏了流场场结构的对称称性。偏心搅搅拌时，搅拌拌轴正下方的搅拌死区与蝶蝶形封头最底底部位置错开开，流体靠自身重力力流向蝶形封封头最低处，该处流体又又被桨叶的轴轴向作用搅拌提升，形成循循环，底部的的搅拌死区便得到有有效改善。偏偏心搅拌时，每个桨叶叶叶片与釜壁间间距都不同，破破坏了流场的的对称性，桨桨叶附近的流型将产产生改变，形形成拉伸和折折叠，相互影影响，在反应釜釜内流体变变成混沌的分分布，以此来来提升搅拌与流动的的效果。当偏偏心率很大时时，釜壁与桨桨叶间距太大大，超过桨叶作作用范围，导导致该区域流流体速度急剧减小。。这说明并不不是偏心率越越大越好，故故存在一个最最佳偏心率使得流场最佳。。该研究中，偏心率e为0.1时时，水的整体体流场为最佳佳，速度大小小相对不偏心时有所提高，，且两侧速度度偏差率较小小，速度整体分布较较均匀，而且且底部不存在在搅拌死区。 2.2 固液搅搅拌的数值模模拟 对不同同偏心率的搅搅拌釜进行聚聚苯乙烯粒子子-苯乙烯体系系（体积比为为3:7）的固液液搅拌模拟，粒子直径1.5 mm，密度1.05 kg/m3。该固固液搅拌选取取Euler-Eulerr模型，湍流流选用标准k-ε模型。由于于本研究的固体颗粒粒直径较大，彼此会有碰撞作用，而颗粒模型型未考虑固相相颗粒间的相相互作用，所所以选取Gidaspow模型[10]来计算多相流间的的动量交换系系数Ksl，该模型考虑到了了大颗粒之间间的碰撞作用用，可最大程度的消消除Euler-Euuler模型原本本假定条件下下的误差。2.2.1 固相相浓度分布 聚苯乙乙烯粒子的自自然堆积浓度度为0.6，搅搅拌过程中固相浓度值小于于此数值时，，可认为达到到离底悬浮转速。图图7是不同偏偏心率时聚苯苯乙烯体积浓浓度分布，可可以看到最大大固相浓度值值均小于0.6，所以选取的转速达达到离底悬浮浮转速，符合合Zwietering理论计算结结果。由如图7还可知，偏偏心搅拌时底底部固体颗粒堆积浓浓度值均比不不偏心时的小小，随着偏心率率的增加，底部固相最大底大浓度值呈先先减小后增加加的趋势，其中偏心率率e为0.15时的固体堆积时积浓度值最小小，且最大值值浓度区域也是最小，上层层桨叶附近的的固相浓度值最大，釜内整体固固相分布最为为均匀。这说说明偏心搅拌拌有利于改善粒粒子悬浮效果果，但最佳固固液搅拌(a) e=0 (b) e=00.05 (c) e=0.1 (d) ee=0.15 (e) e=0.2

图7 各偏心率率聚苯乙烯体积积浓度分布

Fig.7 Eccentrricity of the polyystyrene volumee concentration ddistribution

第33卷第第1期 张慧敏敏等. 偏心双桨搅搅拌流场及效果果分析 53混合效果果受偏心率影影响。针对聚聚苯乙烯粒子子在苯乙烯中的搅拌混合，偏心率e为0.15时聚苯苯乙烯粒子的浓度分分布最为均匀匀，这与单相相流水的最佳佳流场偏心率率并不相同。这是因为大颗这颗粒固体的加加入会影响水流场的的分布，水流流场分布的改改变又会影响响聚苯乙烯粒粒子的搅拌悬浮效果。粒子子在整个过程程中受力是很复杂的的，还包括大大颗粒自身碰碰撞作用力。 为了了分析偏心时时转速对固液液搅拌的影响响，对偏心率率为0.15进行行不同转速粒粒子浓度分布布模拟，结果见图8，可知转速速的提高使得得聚苯乙烯粒粒子的浓度分布更加趋于均均匀，转速增增加到105 r//min，与转速为95 r/min的固相相浓度相比，并没有多少少改善。 (a) N=75 r/min (b) N=85 r/min (c) N=955 r/min (d) N=105 r/min

图8 e为0.15时不同转转速时固相浓度度分布

Fig.8 Contours of solid phaseconcentration distribution underr different rotatioional speeds

2.2.2 功功率消耗 数值值模拟的功率率计算公式为为： PπNM30 （3） 式中中，N为搅拌拌器转速，r/mmin；M为搅搅拌桨和搅拌轴轴传递的扭矩矩之和，N·mm；P为消耗功率，W。各种种搅拌情况下下所消耗功率率见表2。转转速相同时，偏心率的递增增，导致功率率消耗也在递递增。偏心倍，但搅拌混率为0.115的功率损耗耗是对中搅拌拌时的1.05倍混合效果要好好很多。转速速为75 r/minn时的搅拌效果与对对中搅拌的效效果差不多，但功率消耗耗仅为对中时时的85%，这说明对固液搅搅拌时，偏心心方式更为优越。偏偏心率e为0.150时，随着着搅拌器转速速的提高，功功率消耗也在在增大。桨叶转转速从95 r/mmin提高到105 r/miin时，功率消消耗递增趋势势较快，增幅幅达到23%，但搅拌效果果却改善并不不多。 表 22 各情况下的功功率消耗 Taable 2 Power coonsumption at ddifferent eccentricities EEccentricity 0.00 0.05 0.10 0.15 Velocity(N) /(r·min-1) 85 885 885 875 785 895 91005 0.20 Torquee(M) /(N·m) 0.221 00.224 00.227 00.213 00.231 00.238 00.264 00.240 0Poower density(P) / W )1.97 1.99 2.02 1.67 2.06 2.37 2.90 2.14 85 83 结 论论 根据据以上分析得得出如下结论论： a）单相流水的的流场数值模拟的模型选择择正确，与PIV实验一致致，符合实际际。 54 化学反应工程与工艺 2017年2月

b）双层六折叶开启涡轮式桨叶偏心搅拌时能够改变流体的流场，流体速度得到增加，釜底搅拌死区有所改善；随着偏心率的递增，远离偏心一侧的漩涡有减弱趋势，偏心两侧流体的速度偏差有递增趋势。

c）固液搅拌统一转速下，偏心搅拌的功率损耗大于对中搅拌时的功率损耗，且随着偏心率的增加，消耗功率呈递增趋势，但搅拌效果比对中时的好很多，其中偏心率为0.15时，聚苯乙烯固相浓度分布最为均匀，为最佳偏心率。

d）偏心率为0.15时，转速的递增导致功率的消耗也持续增加，搅拌效果有所改善；但转速持续增长到105 r/min时，功率消耗增大了22.4%，但搅拌效果改善并不明显，说明对该固液搅拌混合在最佳偏心率0.15时的最佳转速为95 r/min。 参考文献：

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Study on the Mixing Flow Field and Effect in Eccentrically Stirred

Tank with Double Impellers

Zhang Huimin1, Hu Shouming1, Kong Xiangzheng2

1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. School of Mechanical and Power Engineering of NJUT, Nanjing 211800, China

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64 化学反应工程与工艺 2017年2月 2. Zhejiang Tianlan Environmental Protection Technology Limited Company, Hangzhou 311202, China;

3. Zhejiang Provincial Engineering Research Center of Industrial Boiler & Furnace Flue Gas Pollution Control, Hangzhou 311202, China

Abstract：Wet limestone-gypsum flue gas desulfurization (FGD) technology is currently the most widely used process. In order to optimize the wet limestone-gypsum FGD system, a coal-fired boiler of 2×135MW units of a thermal power plant was taken as the research object and the mathematical model of wet limestone-gypsum FGD system was established based on the theory of double membrane. The process and the mechanism of the gas-liquid mass transfer and chemical reaction in desulfurization process were described in detail. By comparison, it was found that the calculation results were in good accordance with the industrial operation data, and the effects of several key factors on the desulfurization efficiency were investigated. The calculated results indicated that the desulfurization rate increased with higher liquid/gas ratio or the pH value of the slurry. Increasing the SO2 partial pressure or flue gas flow at the inlet would lead to the decrease of the desulfurization rate. The concentration of Cl- in the circulating slurry should not exceed 21 300 mg/L.

Key words：wet limestone-gypsum; flue gas desulfurization; spray tower; dual-film theory; numerical

simulation

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Abstract：In the production process, polystyrene particles are required to be suspended and mixed evenly in the liquid styrene, and the solid phase concentration should also be uniform without solid deposited in the bottom. In order to achieve the desired mixing effect, the influence of eccentricity and speed on the mixing effect was studied. In this paper, the baffle-free reactor and the double-layer 6-turn open turbo agitator equipped with the elliptical head in the bottom was taken as the research object. The stirring flow field and the polystyrene particles - styrene solid - liquid stirring were numerically simulated by Fluent software. The effects of

different eccentricity and rotational speed on the agglomeration flow pattern and the concentration distribution of polystyrene particles and energy consumption were simulated. The stirring flow field of water was verified by particle image velocity (PIV) experiment. The results showed that the eccentric stirring can increase the velocity of the fluid, and the stirring dead zone below the blade was effectively improved. The increase of eccentricity led to the increasing deviation of velocity on both sides and the uneven distribution of energy. The concentration distribution of polystyrene particles by eccentric agitation was more uniform than that by symmetry mixing, which can improve the suspension effect of the particles in the styrene; In the case of the same stirring effect, the power consumption with an eccentricity of 0.15 was 85% of the mixing; The optimum eccentricity and the optimum rotational speed of the solid-liquid mixing were 0.15 and 95r/min, respectively. At this time, the solid-liquid mixing effect appeared to be the best, the solid-phase concentration distribution was the most uniform and the power consumption was relatively small.

Key words：eccentrically stirring; double impellers; the open turbine agitator; numerical simulation; particle

image velocity experiment