馮榮榮

【摘要】固液混合攪拌槽在石油、化工、制藥、食品以及生物發(fā)酵過程中有著非常廣泛的應(yīng)用，對其進(jìn)行的數(shù)值模擬和實驗研究也很充足。傳統(tǒng)的攪拌槽是利用槽內(nèi)四塊擋板實現(xiàn)固液懸浮，新型攪拌槽是采用底部的對數(shù)螺旋線導(dǎo)流板實現(xiàn)固體顆粒的懸浮。新型攪拌槽的顯著特點(diǎn)是低剪切高傳質(zhì)，因此，深入研究并充分認(rèn)識其混合優(yōu)點(diǎn)，可以為工業(yè)設(shè)計及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】新型攪拌槽；固液；懸??；CFD

一、混合機(jī)理

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽利用槽壁處的四塊擋板來改善攪拌效果的，新型攪拌槽利用的是龍卷風(fēng)的原理做成的，因此也可叫做中心龍卷流型攪拌槽。新型攪拌槽底部有對數(shù)螺旋線導(dǎo)流板，它對流體導(dǎo)流有著特殊的作用，本文通過利用CFX對兩種攪拌槽進(jìn)行對比模擬。

二、數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用的液相為水，固相為石英砂顆粒，顆粒的直徑為0.05mm，顆粒的體積分?jǐn)?shù)定為0.5%，設(shè)置轉(zhuǎn)速為350r/min，攪拌槳葉采用的是六直葉圓盤渦輪槳。圖1和圖2是兩種形式的攪拌槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽和新型攪拌槽內(nèi)軸截面處的速度矢量圖。

通過CFD模擬圖可知：傳統(tǒng)攪拌槽和新型攪拌槽內(nèi)，速度最大值均出現(xiàn)在攪拌槳葉附近，但流體的流動形態(tài)卻有很大區(qū)別。在傳統(tǒng)攪拌槽內(nèi)，流體的流動在六直葉圓盤攪拌槳作用下主要先以徑向流為主，即先向攪拌槽四周流，當(dāng)流體碰撞到槽壁后，流向改變。一部分沿槽壁向上流動到達(dá)液面頂端之后再沿攪拌軸向下流動，最終回到攪拌槳附近，完成一個循環(huán)。另一部分流體向下流動，形成另外一個循環(huán)。由此可見，標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽在全槽范圍內(nèi)形成了兩個比較明顯的循環(huán)流，不利于固液在全槽范圍內(nèi)達(dá)到比較理想的混合。

在新型攪拌槽中，雖然渦輪槳屬于徑向流攪拌槳，但由于在槽底對數(shù)螺旋線導(dǎo)流板的作用下，使得流體的流動主要以螺旋上升的軸向流為主，流體到達(dá)攪拌槳附近后，在攪拌槳的旋轉(zhuǎn)作用下，流體流向四周槽壁，與槽壁碰撞之后向下流動，回到導(dǎo)流板，然后繼續(xù)螺旋上升，以此重復(fù)達(dá)到一個完整的循環(huán)。新型攪拌槽在全槽范圍內(nèi)形成了一個大范圍的循環(huán)流，返混效果好，利于全槽范圍內(nèi)固液的混合。

圖4為軸截面處石英砂顆粒的體積分布云圖。由圖可知，在標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽內(nèi)，石英砂顆粒能夠比較均勻的分散在整個攪拌槽內(nèi)，而在新型攪拌槽中，石英砂顆粒主要分布在底端，只有一小部分分布在攪拌槽的中上層。主要原因是，由于此數(shù)值模擬耗費(fèi)時間較長，我們在模擬時，設(shè)置的時間僅為一分鐘，新型攪拌槽內(nèi)的固液懸浮還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此結(jié)果也說明了，在相同的條件下，如果要達(dá)到較好的懸浮效果，新型攪拌槽需要的時間要比傳統(tǒng)攪拌槽要長。

三、結(jié)論

通過CFX數(shù)值模擬分析，傳統(tǒng)攪拌槽和新型攪拌槽在固液懸浮混合時，各有優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)攪拌槽在全槽范圍內(nèi)形成兩個循環(huán)流，整體的混合效果較差，但在較短時間內(nèi)，粒子的分布較為均勻。新型攪拌槽在全槽范圍內(nèi)形成一個大的混合流，整體返混效果好，但在較短時間內(nèi)，粒子的分布未達(dá)到均勻狀態(tài)，還需要我們做更長時間的模擬以及相應(yīng)的實驗來驗證。

參考文獻(xiàn)

[1]郭篤信，郝惠娣，魏玉梅.新型高效節(jié)能攪拌設(shè)備-中心龍卷流型攪拌槽[J].化學(xué)工程，2002，30（04）：28～31.

[2]郝惠娣，郭篤信，孫吉星.自混式圓盤渦輪攪拌器的性能[J].西北大學(xué)學(xué)報，2000，30（06）：501～503.

[3]郝惠娣，伍星，郭篤信.自混式攪拌器非牛頓流體傳質(zhì)性能研究[J].化學(xué)工程，2002，30（05）：44～47.

[4]高勇，郝惠娣，譚嘎子.中心龍卷流型攪拌槽流動特性的CFD研究[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30（06）：47～50.

[5]郝惠娣，孫吉星，高勇.徑向流渦輪槳攪拌槽內(nèi)流動場的數(shù)值模擬[J].化工進(jìn)展，2009（28）：473～477.