王 崢，謝寶玲，陳 功，駱 瑋，董 雷

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 111000）

0 引言

磷酸不僅可用于生產(chǎn)高濃度氮肥和復(fù)合肥料，同時還是洗滌劑、金屬表面處理劑、食品添加劑等各種磷酸鹽的原料。目前國內(nèi)生產(chǎn)磷酸的工藝分為兩種，分別是以黃磷為原料熱法磷酸生產(chǎn)法以及磷礦石為原料的濕法磷酸生產(chǎn)法。濕法磷酸法由于其成本較低，產(chǎn)能較高，濕法磷酸裝置配備齊全等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

在濕法磷酸工藝中，磷酸陳化槽設(shè)置的目的是使稀磷酸中的雜質(zhì)鹽類不斷飽和而析出成為可二次利用的磷石膏，同時陳化槽內(nèi)攪拌槳不停循環(huán)攪拌，防止磷石膏沉降而在槽底結(jié)垢。目前國內(nèi)陳化槽基本采用單層軸流式攪拌槳葉，軸流式槳葉循環(huán)能力強(qiáng)，能耗較低，然而其剪切能力較弱，局部混合效果差，長此以往會使槽內(nèi)固液混合效果變差并導(dǎo)致磷石膏在槽底大量結(jié)垢，增加槳葉負(fù)擔(dān)并產(chǎn)生額外功耗，不利于國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排。楊帆[1]、陶保林[2]、熊仲營[3]結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型和歐拉-歐拉雙流體模型對使用PBT45o（一種典型的軸流式槳葉）的磷酸攪拌槽進(jìn)行了研究；劉凱[4]使用六折葉攪拌槳葉結(jié)合CFD 對磷酸反應(yīng)器的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。國內(nèi)軸流式陳化槽研究屢見不鮮，然而徑流式陳化槽的研究卻鮮見報道。徑流式槳葉剪切能力強(qiáng)、湍動能力強(qiáng)，能很好的分散流體，有利于固液混合，然而其混合時間較長，循環(huán)能力較差。磷酸攪拌器內(nèi)攪拌槳葉的攪拌混合效果對磷酸的生產(chǎn)制造成本具有重大意義，有研究表明攪拌器以及攪拌槳葉的結(jié)構(gòu)形式對磷酸陳化槽內(nèi)固、液物的混合效果產(chǎn)生重要影響[5]。攪拌槽功率的消耗主要取決于攪拌軸轉(zhuǎn)速、槳葉的直徑等，若攪拌效率過低，會導(dǎo)致能量的大幅浪費(fèi)，這對實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)生的成本非常不利。因此，深入研究陳化磷酸攪拌器對強(qiáng)化陳化槽內(nèi)固液兩相的混合效果，降低功率消耗及避免磷石膏在槽底結(jié)垢具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，改善陳化槽內(nèi)固液兩相流的混合效果與槽底易結(jié)垢的問題，降低陳化槽的功率消耗，本文結(jié)合軸流式攪拌與徑流式攪拌的優(yōu)勢，提出軸流式攪拌與徑流式攪拌相結(jié)合的攪拌方式，并設(shè)計出以PBT45o 槳葉為上層槳，Rushton 槳葉為下層槳的組合槳葉。本研究擬利用FLUENT 軟件，結(jié)合多重參考系法（MRF）、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型以及歐拉-歐拉雙流體模型，對陳化槽內(nèi)固-液兩相流場進(jìn)行計算，分析流場產(chǎn)生的特點(diǎn)，為提升攪拌器的生產(chǎn)效率提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

本文模擬所用的陳化槽結(jié)構(gòu)為圓筒形。槽體直徑T=480 mm，筒體高度為H1=600 mm，液面高度H2=600 mm，采用的固液體系為磷酸溶液和磷石膏顆粒，固體相的體積分?jǐn)?shù)為6%，固體顆粒的形狀設(shè)置為圓形，由于介質(zhì)中大部分磷石膏顆粒直徑均大于0.04 mm，因此固相顆粒直徑取0.04 mm，密度為2 160 kg/m3;磷酸溶液的密度為1 650 kg/m3，動力黏度為0.015 Pa·s。上層攪拌槳選用四葉PBT45o 槳，下層槳選用Rushton槳，槳葉間距為0.3T，下層槳離底安裝高度為0.3T。本文選用攪拌軸轉(zhuǎn)速分別為N=80、100、120、140 r/min進(jìn)行模擬，以分析轉(zhuǎn)速對陳化槽內(nèi)流場產(chǎn)生的影響。

1.2 網(wǎng)格劃分

由于CFD 中離散化問題是由劃分流體計算域的網(wǎng)格來解決的，因此良好的離散化決定著數(shù)值模擬的成功實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格按照劃分類型可分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于本文研究的槳葉結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較為困難，因此采用DesignModeler 軟件對幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分。為保證計算結(jié)果的精確性，本文對上下層槳葉以及攪拌軸附近區(qū)域進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格劃分完成后的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 湍流模型

數(shù)值模擬中的模型依據(jù)流體的湍動程度可劃分為直接模擬和間接模擬兩種方式，由于間接模擬是對槳葉周圍流體的湍動程度做了與實(shí)際流體相似的處理，并且對計算機(jī)的要求較低，因此被學(xué)者廣泛使用。本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型對陳化槽的流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型基于湍動能k 的方程，引入了關(guān)于湍動能耗散率e 的方程，共同組合成了兩方程模型。對關(guān)于湍動能k 和湍流耗散率e 的2 個方程求解，可以實(shí)現(xiàn)流體流動的解析，該模型可以通過方程（1）表示：

湍動能k 方程：

湍動能耗散率方程ε 方程[式（2）]：

其中，湍動能的生成相為式（3）：

湍動黏度系數(shù)μt的表達(dá)為式（4）：

式中：各常數(shù)的值分別為σk=1.0；σε=1.3；C1=1.44；C2=1.92；Cμ=0.09。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 陳化槽內(nèi)流場特性分析

圖2 為不同轉(zhuǎn)速下垂直剖面速度云圖，從圖2-1～圖2-4 可以看出，由于槽底的流體運(yùn)動受槳葉運(yùn)動形成的射流影響較小，因此垂直于攪拌軸方向向上的槽底速度分布較低。隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大，陳化槽底部流體的運(yùn)動程度在不斷增強(qiáng)，槽內(nèi)整體流體的速度分布最大值也在不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速N=80 r/min 時，槽內(nèi)流體的速度分布較低，PBT45o 槳葉附近形成了較為明顯的射流，并且對下層Rushton 槳產(chǎn)生的射流影響較小，攪拌軸和槽壁附近的速度較低。當(dāng)N=100 r/min時，槽底的低速區(qū)范圍相較于N=80 r/min時有所降低，上下層槳葉附近區(qū)域流體的湍動程度也在不斷加大，攪拌軸和槽內(nèi)壁的速度分布也得到改善。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，槽底的速度分布雖然得到了改善，但是槳葉附近區(qū)域的速度分布得到的改善較小，并不利于降低能耗。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的速度云圖

2.2 攪拌功率分析

不同轉(zhuǎn)速下PBT45o-Rushton 組合槳的功率消耗如表1 所示，從表1 中可以清晰地看出，轉(zhuǎn)速從80 r/min提高到100 r/min時，功耗增長了27.9%；從100 r/min增加到120 r/min時，功耗增加了55.6%；從120 r/min提高至140 r/min時，功耗增加了59.1%。結(jié)合本文2.1節(jié)內(nèi)容，最終將轉(zhuǎn)速確定為100 r/min。

表1 不同轉(zhuǎn)速下PBT45o-Rushton 組合槳的功率消耗

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法對PBT45o-Rushton 組合槳式陳化槽內(nèi)固液兩相的流場特性進(jìn)行了模擬研究。分別對陳化槽內(nèi)流場的速度分布和湍流動能進(jìn)行了對比分析，并考察了轉(zhuǎn)速的改變對功耗的影響，得出結(jié)論如下：

1）在速度分布方面，PBT45o-Rushton 組合槳能有效改善槽底及槽內(nèi)壁的低速區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)速N=100 r/min時，組合槳對槽內(nèi)流場產(chǎn)生了良好的影響，盡管進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速仍能改善槽內(nèi)固液兩相的混合效果，卻增加了大量的功耗，不符合節(jié)能降耗的理念。

2）在功率消耗方面，轉(zhuǎn)速N=100 r/min 時，PBT45o-Rushton 對陳化槽內(nèi)的流場產(chǎn)生了積極作用，此時產(chǎn)生的功率在可接受范圍內(nèi)，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速對陳化槽內(nèi)流場并無特別明顯的改善效果。

綜上所述，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為100 r/min時，本文使用的PBT45o-Rushton 組合式攪拌槳對陳化槽內(nèi)的流場能呈現(xiàn)出積極的改善效果。由于模擬使用的計算物系為磷石膏與磷酸溶液，因此對此組合應(yīng)用于實(shí)際工程提供可靠依據(jù)。