（材料加工工程专业论文）cfd在开发磷酸氢钙专用搅拌设备中的应用.pdf

硕士学位论文 摘要 搅拌设备在工业生产，特别是精细化工生产中有着广泛的应用。然而，搅拌 设备放大规律至今仍缺乏统一的认识和理论体系，往往只能根据实验数据和经 验、半经验关联式进行设计，不仅耗费大量人力物力，且设计周期相当长。随着 计算机技术以及计算流体力学( c f d ) 的不断发展与日趋成熟，搅拌设备的c f d 数值模拟技术研究已取得了长足的进步，c f d 技术正逐渐成为搅拌设备开发的 有力工具。 本文研究表明：对三桨叶搅拌釜模型，实测搅拌功率与数值模拟预测的功 率值基本吻合，宏观上验证了c f d 技术预测搅拌釜运转功率的可靠性，也间接 证明了c f d 技术预测搅拌釜内三维湍流场的可靠性；在此基础上，开发出3 0 m 3 的磷酸氢钙配套用大型搅拌设备，并利用c f d 技术对该设备进行了优化分析， 工业化中取得了较理想的效果；另外，对三种传统的、具有代表性的放大方法， 即单位体积功率凡恒定法、叶端圆周速度刀d 恒定法以及搅拌转速，z 恒定法，分 别利用c f d 技术进行了研究，结果表明：在传统的放大理论指导下设计出的一 系列几何相似的搅拌器内，湍流场的无量纲速度分布不能达到严格的运动相似和 动力相似，且随着放大倍数的增加，其不精确性也表现的愈为明显；若以完全混 合时间相同为标准进行放大，对于不同体积、几何相似的搅拌器，转速并不相同， 由功率p v o cd x 的关联式表示，在完全混合时间要求较短时，指数x 的取值约为 1 9 ，随着混合时间的加长，彳值逐渐减小；总之，c f d 放大方法建立在对湍流 场进行准确数值模拟预测的基础之上，与传统放大方法相比，以c f d 技术进行 放大更为准确、可靠，且具有更强的实用性。 关键词：搅拌器放大理论基础c f d 技术混合时间 硕士学位论文 a b s t r a c t m i x i n ge q u i p m e n ti sw i d e l yu s e di ni l l d u s 仃i a lp r o c e s s ，e s p e c i a l l yi nt h ef - m e c h e m i c a l s i n d u s t 阱t h ei n t e n s i v em i ) ( i 1 1 9o fr e a c t i o nc o m p o n e n t si sm ep r e c o n d i t i o n o fv 撕o u sc h a i l g e so fc h e m i c a lt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，d e v e l o p m e n to fm i x i i l g e q u i p m e n ts t i l lr e l a t i v e l yd 印e n d so ne x p e r i e n c ea 1 1 de x p e r i i n e n t m o r e o v e r ，蛔t h e l a c ko fa d e q u a t eh o w i e d g ea n d 也e o r e t i c a li i l s t m c t i o no ns c a l e u pm l e so fm i 】( i 1 1 9 e q u i p m e n t ，d e s i 盟i n go r e nr e l i e so ne x p e r i m e n t a ld a t u m ，e m p i r i c a l0 rs e m i e m p i r i c a l c o r r e l a t i o n s ，w h i c hc a u s e sn o to n l yt 1 1 eh i 曲d r a i no nm a l l p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e sb ma l s ol o n gd e s i 盟c y c l e a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta i l d m a t u r i 够o fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd ) ，1 1 锄i c s ( c f d ) ，t h e r e s e a r c ho fc f d 玎1 瑚e r i c a ls i m u l a t i o nt e c l u l o l o 盱o nm i x i n ge q u i p m e n th a so b t a i n e d 伊e a tp r o c e s sa i l dc f dt e c l l l l o l o 留i sb e c o m 吨t 1 1 ep o w e 咖lm e t h o d t h er e s e a r c ho fm i st 1 1 e s i s s u g g e s t e d l a t ：t h ec o n s i s t e n c yo fp o w e rv a l u e s g e n e r a t e db ye x p e r i m e n ta i l dm h n e r i c a ls i i n u l a t i o nm a c r o s c o p i c a l l yv a l i d a t e d 也e r e l i a b i l i t ) ro fp r e d i c t i n gt h er o t a t i o np o w e ro fm i x i n gt a n kb yc f dt e c h n o l o g ) ，a 1 1 d i 1 1 d i r e c t l yv a l i d a t e d 廿1 er e l i a b i l i t ) ，o fp r e d i c t i l l gt h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf l e l d b a s e d 0 nt l l i sa c h i e v e m e n t ，t h e3 0 m s p e c i a lm i 】( i n gp l a n tf o rc a l c i u mh y d r o p h o s p h a t e ， w h i c hc a u s e das a t i s 矽i 1 1 9r e s u l ti i li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，w a sd e v e l o p e d ，o p t i m 讫e d 锄da 1 1 a l y z e db yc f d t e c l l l l o l o g ) ，；1 1 1 r e er 印r e s e n t a t i v e 仃a d i t i o n a ig e o m e 蚵s i m i l a r s c a l e u pm e t h o d s ，n 锄e l y ，k e e p i i l gp o w e rp e rl l n i tv o l u m e ， vc o n s t a i l t ，k e e p i l l gt i p s p e e d 刀dc o n s t a 】呲a n dk e e p i n gr d t a t i o nr a t e 力c o n s t a n t ，w e r es m d i e db yc f d t e c l l i l o l o g yi na d d i t i o n ，t l l er e s u l t ss h o w sm a tt 1 1 e r ei sn os 仃i c tk i n e m a t i cs i m i l a ro r d ) ，n 锄i c ss 硫i l a rd i i i l e n s i o n l e s sv e l o c 埘d i s t r i b u t i o no f f l o wf i l e d si 1 1as e r i e s g e o m e t r i cs i m i l a rs t i 玎e dt 撕i ( sd e s i 弘e dw 池i 1 1 s 仃u c t i o n so f 仃a d i t i o n a ls c a l e u p t 1 1 e o r i e s 缸dw h e nt l l e s c a l i n gm u l t i p l ei 1 1 c r e a s e s ，廿l ei i l a c c u r a c yb e c o m em o r e r e m 酞a b l e ；g e o m e t r i cs i i l l i l a rs t i l l f e dt 趾k sw i t l ld i a e r e mv o l l l i n e sh a v ed i a b r e n t r o t a t i o nm t e sw h e ns c a l e db yk e e p i l l gm i ) ( 崦t i l i l e e q u a l ，b e i i l ge x p r e s s e db y a b s t r a c t r 芘d xc o r r e l a t i o n ，w h e nm em i x i i 坞t i i n ei sv e 巧s h o r t ，t h ev a l u eo fi n d e xx i sa b o u t 1 9w h i c hr e d u c e sa st h em i ) ( ：i 1 1 9t i m ei 1 1 c r e a s e s h 1aw o r d ，t h ec f ds c a l i l l g u p m e t l l o di sb a s e do nt 1 1 ea c c u r a t en 啪e r i c a ls 证l u l a t i o no ff l o wf i e l d ，c o m p a r e dw i 也 乜a d i t i o n a l m e t h o d ，m ec f ds c a l i i l g u pm e t l l o d i sm o r ea c c u r a t e ，r e l i a b l ea i l d a d a p t a b l e 1 y w o r d s ：s t i 玎e d t a i l l ( ；s c a l e u pt 1 1 e o r e t i c a lb a s i s ；c f dt e c l l i l o l o 影；m i ) 【i i l gt 洫e 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 高氟稳定性磷酸氢钙是一种白色的结晶粉末，无嗅无味，广泛用于牙膏行业， 因其具有摩擦值适中，腐蚀系数小，不损伤牙釉质，与药物配伍性好，p h 值适 中，对口腔无刺激等优点，被国际牙膏行业选作高档牙膏的摩擦剂 1 】。在国内荣 获国家质量金奖的上海“美加净牌、天津“蓝天 牌、广州“黑妹”牌等高级 牙膏，都在使用高氟稳定性牙膏级磷酸氢钙。 但是，长期以来，国内的牙膏级磷酸氢钙产品的生产规模普遍较小，产品的 档次不高，规格品种较少，不能满足牙膏行业对高氟稳定性牙膏级磷酸氢钙的需 求。为了赢得用户和提高我国牙膏工业用磷酸氢钙的制造质量，某精细化工有限 公司经研究决定进行“高氟稳定性牙膏级磷酸氢钙新产品的试制，在小试样品 可达到美国高露洁有限公司的要求的基础上，于2 0 0 2 年8 月建成了该产品工业生 产中试装置和试生产，为了进一步地扩大生产规模，公司提出了开发“磷酸氢钙 配套大型搅拌设备”的设想，具体要求，每台搅拌器的规模不小于3 0 m 3 ，替代现有 的5 m ，的搅拌器，要求，混合性能不变，生产的产品质量与中试结果相一致。 1 2 文献综述 1 2 1 牙膏级磷酸氢钙的市场现状及前景 近年来，随着经济发展及人们生活水平的提高，高档牙膏的需求量和产量 逐年增加。据有关部门统计，美国市场牙膏用磷酸氢钙的年消费量为o 7 万吨左 右，西欧市场年消费量为1 2 万吨，日本市场的年消费量约为0 5 万吨。就我国目 前的牙膏产量而言，若有一半使用牙膏级磷酸氢钙，年用量将在1 0 万t 以上；国 外牙膏用磷酸氢钙的市场报价为9 0 0 9 5 0 美元t ，而国内的市场报价为4 0 0 0 4 5 0 0 元t 【2 1 。通过对比可以看出，国内磷酸氢钙产品有较大的发展空间和市场前 景，发展的关键在于开发和完善牙膏级磷酸氢钙的生产工艺，降低成本，生产出 第一章绪论 符合国际市场要求的产品。 1 2 2 牙膏级磷酸氢钙的生产工艺 磷酸氢钙，根据其含结晶水的多少又分为二水磷酸氢钙( c a h p 0 4 2 h ：o ) 和 无水磷酸氢钙( c a 肿o 。) ，二水磷酸氢钙在7 5 开始失去结晶水，成为无水磷 酸氢钙【3 】。目前二水磷酸在国内外得到广泛应用，其生产工艺已较为成熟，而无 水磷酸氢钙因其不含结晶水，与处于介稳态的二水磷酸氢钙相比更为稳定，因而 在国内外市场上的应用呈现越来约广泛的趋势。 2 0 世纪6 0 年代以来，国内牙膏级磷酸氢钙的生产工艺主要有以下几种 4 ，5 】： ( 1 ) 磷酸氢二钠一磷酸二氢钙法 首先使石灰石与稀磷酸反应，反应至出现浑浊，生成磷酸氢钙、磷酸二氢钙 混合液，过滤，滤液为磷酸二氢钙溶液。将制备好的磷酸氢二钠溶液加入滤液中 反应，过滤，滤饼为二水磷酸氢钙结晶，滤液为磷酸二氢钠溶液，可加入纯碱调 成磷酸氢二钠循环使用。主要反应式为： c a c 0 3 + 2 h 3 p 0 4 = c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + c 0 2 个+ h 2 0 c a c 0 3 + c a ( h 3 p 0 4 ) 2 + h 2 0 = 2 c a h p 0 4 2 h 2 0 + c 0 2 c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + n a 2 h p 0 4 + 2 h 2 0 = c a h p 0 4 2 h 2 0 + 2 n a h 2 p 0 4 2 n a h 2 p 0 4 + n a 2 c 0 3 = 2 n a 2 h p 0 4 + c 0 2 个+ h 2 0 此法原料利用率高，无三废排放，但对反应条件控制要求较高。 ( 2 ) 复分解法 复分解法又分两种，一种以磷酸二氢钠、氯化钙为主要原料也称“磷酸二氢 钠 法。该法需对磷酸二氢钠进行预处理，以保证产品的白度和纯度。对磷酸二 氢钠结晶净化以及调节至适当的p h 值( 约5 6 ) 之后，与氯化钙及纯碱反应， 主要反应式为： n a 2 h p 0 4 + c a c l 2 = c a h p 0 4 + 2 n a c l 2 n a h 2 p 0 4 + c a c l 2 = 2 c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + 2 n a c l c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + n a 2 c 0 3 + h 2 0 = c 棚p 0 4 2 h 2 0 + n a 2 h p 0 4 + c 0 2 反应结束后，经漂洗，加稳定剂，再漂洗，离心脱水，气流干燥，气流粉碎，制 得成品。其白度及纯度较好，但反应控制不当易造成结晶水不稳定、碳酸盐过量、 p h 值和稳定性不合格等质量问题，且工艺繁琐，磷损耗高，因而国内在8 0 年代 2 硕士学位论丈 后已基本不采用此法。 另一种以热法磷酸、纯碱、氯化钙为原料，又称“热法磷酸法 。磷酸与纯 碱中和制备磷酸一钠一磷酸二钠混合液，反应式为： 4 h 3 p 0 4 + 3 n a 2 c 0 3 = 2 n a h 2 p 0 4 + 2 n a 2 h p 0 3 + 3 c 0 2 个+ 3 h 2 0 将氯化钙及纯碱配制为溶液，分别脱色、除铁、过滤，先后加入磷酸一钠、磷酸 二钠的混合液，直至控制终点。反应完成后，加稳定剂，洗涤、脱水、干燥、粉 碎得成品，反应如下： 2 n a h 2 p 0 4 + c a c l 2 = c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + n a c l n a 2 h p 0 4 + c a c l 2 = c a h p 0 4 + 2 n a c l c a ( h 2 p 0 4 ) 2 + n a 2 c 0 3 + 2 h 2 0 = c 栅0 4 2 h 2 0 + n a 2 h p 0 4 + c 0 2 个+ h 2 0 该法的优点是磷酸纯度高，与纯碱反应制得的磷酸二钠质量好，不必重结晶 处理，操作容易控制，成品合格率高；缺点是产生大量氯化钠和二氧化碳，浪费 资源，污染环境。 ( 4 ) 骨炭法 将提取骨胶后的杂骨，骨渣在9 0 0 以上的高温下炭化，尽可能除尽有机杂 质，以便酸解操作。除去杂质的杂骨加水配成悬浮液，采用烟酸将磷酸盐浸出， 酸解液用碱调节p h 值除去铁、氟等杂质，同时加入漂白粉脱色和进一步除铁， 过滤至无色透明液体，滤液再用碱中和至控制中点，加入硫酸镁和焦磷酸钠稳定 剂，陈化、分离、干燥即得成品，主要化学反应式如下： c a 3 ( p 0 4 ) 2 + 6 h c l = 2 h 3 p 0 4 + 3 c a c l 2 h 3 p 0 4 + n a 2 c 0 3 + c a c l 2 + h 2 0 = c a h p 0 4 2 h 2 0 + 2 n a c l + c 0 2 个 该法从反应原理上看属复分解法，优点是成本较低，但由于原料来源有限， 产品色泽不理想，三废处理困难。 ( 5 ) 湿法磷酸净化法 湿发磷酸的净化方法较多，有溶剂萃取法，容积沉淀法、萃取结晶法、离子 交换法和电渗析法等。工艺流程主要分三步：湿发磷酸的净化、深度脱氟；湿法 磷酸混酸的除砷脱铅；牙膏级磷酸氢钙的制备。净化脱氟采用石灰乳两段中和法， 净化湿法磷酸和热法磷酸按比例混合，加入p 2 s 5 除去a s 、p b ，滤液直接中和即 可制得牙膏级磷酸氢钙。 3 第一章绪论 ( 6 ) 直接中和法 直接中和法一般指热法磷酸中和法，以所用钙源不同又分为碳酸钙中和法及 石灰乳液中和法，主要化学反应式分别如下： h 3 p 0 4 + c a c 0 3 + h 2 0 = c 棚0 4 2 h 2 0 + c 0 2 个 h 3 p 0 4 + c a ( o h ) 2 + c a c l 2 + h 2 0 = c a h p 0 4 2 h 2 0 直接中和法工艺简单，产品质量好，但对原料石灰要求较高，工艺控制较严格， 有一定的技术难度。 从各种方法的工艺特点来看，投资小、产品质量好以及原料利用率高的首推 直接中和法，另外，考虑到生产原料的供应，复分解法也有其一定的优势。目前 国内企业采用较多的是复分解法和中和法两条工艺路线；国外企业主要采用中和 法进行生产。 对于牙膏级磷酸氢钙的生产，无论采用复分解法还是中和法，其关键工艺环 节都是原料之间的化学反应，而化学反应的充分进行必需以参加反应物质的充分 混合为前提。搅拌器作为关键生产设备既是混合设备，又是反应容器，其设计是 否合理直接关系到产品质量及生产成本。 1 2 3 搅拌设备概述 搅拌设备主要包括搅拌装置、轴封和搅拌器三大部分，其中，搅拌装置包括 传动装置、搅拌轴和桨叶，搅拌器包括器体和其他附件。 搅拌设备在工业生产，特别是精细化工生产中有着广泛的应用。化学工艺过 程的种种变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的。对于加热、冷却、液体 萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能取得较好的效 果。搅拌设备在许多场合亦是反应器，如在三大合成材料的生产中，作为反应器 的搅拌设备约占反应器总数的9 0 。其它如染料、医药、农药、油漆等行业中， 搅拌设备的使用亦很广泛，这主要是因为搅拌设备的操作条件( 如浓度、温度、 停留时间等) 的可控范围较广，能适应多样化的生产。 搅拌设备的作用如下【6 】： ( 1 ) 使物料均匀混合： ( 2 ) 使气体在液相中很好的分散； 4 硕士学位论文 ( 3 ) 使固体粒子在液相中均匀悬浮； ( 4 ) 使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化； ( 5 ) 强化相间的传质； ( 6 ) 强化传热。 在搅拌过程中，搅拌器不仅引起液体的整个运动，而且会在液体中产生湍动， 湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常的 互相碰撞和破裂，使液体受到剧烈的搅拌。因此搅拌设备的研究，与其相关的流 体力学理论研究具有重要意义。计算流体力学( c f d ) 正是适应这种需求而发展 起来成为一种先进的研究、设计工具。 1 2 4c f d 技术概述 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ，简称c f d ) 作为流体力学 的一个分支，出现于2 0 世纪六、七十年代，是随着计算机技术、计算方法以及 流体力学的发展而产生的，主要用途是对流场进行数值仿真模拟计算。现在将对 工程中的流体流动、高温传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值模拟技术一般 简称为c f d 技术。经过三个历史阶段的发展，c f d 技术已趋于成熟、实用。它的 优势在于可以针对过程传递及反应性能的特点，应用数值模拟软件求解描述过程 局部性能的方程组，实现过程设计与优化、放大等过程的精细描述【7 1 。 c f d 方法是对流场的控制方程组用数值方法将其离散到一系列网格结点上， 并求其离散数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本规律是：质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律。由基本定律可分别推导出连续性方程、动量方程 和能量方程，从而得到纳维一斯托克斯偏微分方程组，简称为n s 方程组。n s 方程是流体流动所必须遵循的普遍规律。在守恒方程组基础上，加上反映流体流 动特殊性质的数学模型，( 如湍流模型、燃烧模型、多项流模型等) 和边界条件、 初始条件，构成封闭的方程组来数学描述特定流场、流体的流动规律 8 1 。 c f d 数值求解方法主要有有限差分法、有限容积( 控制容积) 法、有限元 法、边界元法、有限分析法、数值积分变换法等，虽然后几种方法近几年来有较 大的发展，但就其成熟度、实施的难易以及应用的广泛性而言，有限容积法和有 限元法目前仍是主流的求解方法【9 】。 第一章绪论 1 25c f x 4 商业软件 本研究所使用的软件是英国的a e at e c l l l l o l o g y 发行的数值计算软件c f x 4 。 目前的商用流体力学软件市场上，软件总数超过5 0 种，但占据垄断地位的只有 4 、5 种，即f i 甩n t 、s t a r c d 、p h o e n i c s 、c f x 、f d a p 等。c f x 主要用 于模拟和分析各种流体设备过程中的单相和多相流动、传热问题，以及流动与化 学反应、燃烧等现象的耦合。c f x 的优势主要有两点：第一，可以部分甚至全 部取代实验，起作用相当于“虚拟实验室”，因而大幅减少了产品开发的费用和 时间。此外，通过c f x 还可以获得流场的三维详细图像和数据，在此基础上分 析流场并进一步改进和优化设计，而这一点通过传统的实验手段是不可能实现 的。第二，c f x 第一次在真正意义上实现了设计和分析的结合，即“设计分析 一体化”，在设计的同时进行分析、改进、优化，对于新产品的开发来说，不仅 大大减少了设计的反复，而且保证了产品开发的一次成功率【引。目前，c f x 在流 体流动、两相流动、化学反应以及传热等方面已有很多成功应用的实例，适合作 为本课题研究的基础软件。 1 2 6c f d 技术在搅拌设备研究中的应用 1 2 6 1 搅拌设备的c f d 分析方法 对于没有装置挡板的搅拌设备，采用合适的旋转参考坐标系，可以把非稳态 问题转化为稳态问题，从而能够较方便的进行c f d 模拟。但目前工业上应用的 搅拌设备大多配有挡板，以加强混合效果，避免整体流的出现。对于这类搅拌设 备，旋转的搅拌桨和静止的挡板同时存在，在一个旋转周期内搅拌桨与挡板的相 对位置不断发生变化，它们之间的相互作用也不断改变，因此，要同时模拟桨叶 和挡板已不再是简单的通过选取旋转参考坐标系就可以解决的，需要更先进的技 术手段。这正是搅拌设备c f d 模拟的特殊性和难点所在。 目前，搅拌设备的c f d 分析主要有4 种方法：黑箱模型法( 搅拌桨边界条 件法) 、内外法迭代法、多重参考坐标系法和滑移网格法。 黑箱模型法( i r n p e l l e rb o u i l d a 巧c o n d i t i o n ，i b c ) 是使用最早、应用最广泛 的一种方法。该法将搅拌桨看作是一个“黑箱，搅拌桨扫过的区域从计算区域 6 硕士学位论文 中除去，桨叶产生的作用以某种边界条件的形式来代替 1 们。缺点在于通用性差， 设定边界条件所需的数据需通过实验确定，另外不能得到搅拌桨处流动的细节问 题，从本质上来说限制了c f d 的进一步发展。h a r v e 巧等 1 l ，1 2 】第一次用黑箱模型 法对标准涡轮桨搅拌器进行了二维模拟，并将模拟结果与实验数据对比，发现在 搅拌桨附近区域以及器底的模拟结果与实验数据差别较大，其主要原因就是对搅 拌桨边界条件过度简化的假设。 内外迭代法( h m e r _ o u t e rm e t h o d ，i o ) 【1 3 】计算时，将整个计算区域划分为 相互重叠的两部分：包含搅拌桨的内区和包含挡板的外区。首先在旋转坐标系下 对内区进行计算，得到整个搅拌桨区域的流动性质，包括内外区界面上的速度、 湍动能和湍动能耗散率。接下来，用静止坐标系，以上一步所得界面上的数据为 边界条件计算外区流场，得到整个外区的流动性质，包括界面上的速度、湍动能 和湍动能耗散率。再以外区计算所得的界面上的数据为边界条件对内区进行第二 次计算，依此类推，直到得到满意的计算结果。内外迭代法实际上是一种“多块 网格法，可以看出，同黑箱模型法相比，它的优势在于不需要实验数据，可直 接对流场进行整体模拟，这一点使c f d 技术从真正意义上成为了独立的研究设 计工具。但该法在计算时需要试差迭代，收敛速度较慢。 多重参考系法( m u l t i r e f e r e n c e ，m r f ) 【1 3 】同样是将搅拌器划分为搅拌桨区 和外区两部分，与内外迭代法不同的是两个区域没有重叠的部分。计算时对搅拌 桨区采用旋转坐标系，对外区采用静止坐标系。两个不同区域速度的匹配直接通 过交界面上的插值转换来实现。在没有挡板的情况下，整个器体可以只采用旋转 坐标系来计算。该法计算简单，应用较广泛。 滑移网格法( s l i d i l l gg r i d ，s g ) 【1 4 】是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的基于 流场为非稳态思想的一种方法( 多重坐标参考系法和内外法均是稳态的计算方 法) 。该法可以真实可靠的模拟搅拌桨和挡板之间的相互作用。计算时，整个计 算域网格分为内、外两部分，都采用静止坐标系。内部移动网格包含了桨叶，外 部静态网格包含了挡板以及除内部网格外的剩余器体部分，移动网格随搅拌桨转 动，两部分网格之间要求彼此独立，通过定义非匹配边界条件来实现。滑移网格 同多重参考系法一样，是目前应用最为广泛的分析方法，但在同样的计算条件下， 多重参考系法的计算量小一个数量级，而滑移网格法对计算机硬件的要求较高。 7 第一章绪论 1 2 6 2 湍流模型 对湍流问题最真实的描述是直接求解n a v i e r s t o k e s 偏微分方程组，即直接 数值模拟( d n s ) 。但由于受到计算机计算能力的限制，目前还只能计算低雷诺 数和简单几何条件的问题，无法真正解决工程实际问题。现在工业研究中应用最 广泛的方法仍然是求解雷诺时均方程，附以湍流模型封闭雷诺应力项。目前较常 用的湍流模型有七一占标准湍流模型、r n g 七一s 湍流模型以及七一功湍流模型等。 其中，七一s 标准湍流模型应用最为广泛并已成功解决了许多复杂流动问题。 1 2 6 3国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代初期，h e r v e y 等 1 1 ，1 2 】第一次系统的将c f d 技术引入搅拌器 内流场的研究中，采用黑箱模拟法，对传统的直叶涡轮桨搅拌器内流场进行了二 维模拟，并通过实验数据验证模拟结果，取得了一定的成果。之后，f o r e m a 、r a n a d e 等【1 5 1 6 】针对传统的斜四叶涡轮进行了模拟研究。9 0 年代中期，国外学者开始采 用滑移网格技术对搅拌器进行模拟研究，同时，也开始对两相流的模拟进行探索。 如k e m o l l l d 等【1 7 】较早采用二维两相流模型以及标准七一国湍流模型对气一液两 相体系进行了模拟，重点考察了在改变气体流速、搅拌转速的条件下流场轴向、 径向及切向的流速，其模拟结果与l d a 测量值体现了较好的一致性。国外对混合 时间的模拟也开展的较早，如a k s a h u 【l8 针对5 种不同的轴流桨搅拌器进行了 模拟，对混合时间的预测与文献数据非常吻合，同时，对湍流动能、湍流耗散能 的预测也与文献数据及理论计算值一致，流速的预测值与与l d a 测量值吻合。 g i u s e p p i n am o n t a n t e 等【1 9 】针对牛顿及非牛顿流体的流场进行了模拟。研究中采用 了两个装置三层p b t 桨叶的模型器，小型器以水为介质；大型器以有一定黏度 的非牛顿流体为介质，研究了投料点位置、湍流模型以及数值方法对混合时间预 测的影响，其模拟结果与实验数据有较好的一致性。t k 眦l a i l r e s a n 【2 0 】采用标准 七一湍流模型对不同搅拌桨的混合性能进行了极为详尽的研究和系统归纳，其 研究所涉及的搅拌桨多达2 2 种，包括各种叶片数及叶片安装角度的折叶桨、窄 叶水翼桨、宽叶水翼桨和标准六直叶涡轮，分别对其功率准数、混合时间等参数 以及相应的宏观流场特性( 包括流速、湍流动能、平均剪切率、湍流应力等) 进 行了预测，研究结果对c f d 技术在搅拌领域的应用具有指导意义。 8 硕士学位论文 近年来，国外学者对于c f d 技术在搅拌设备中的应用的研究向更深层次方 向发展，发表了大量针对两相流、多相流以及包含化学反应的搅拌设备模拟的文 献。如c g e n t r i c 2 l 】、m a s 0 u dr a l l i i i l i ( 2 2 1 、a r k h o p k a r 【2 3 ，2 4 1 等针对气液两相搅拌、 l 0 u i sf r a d e 钍e 等【2 5 】针对固一液两相搅拌进行了成功的模拟。l e s z e kr u d l l i a l ( 【2 6 】 针对发生均相与非均相反应的搅拌设备、l a r sv i c u m 【27 】针对发生并行化学反应的 搅拌设备都进行了较成功的模拟。 此外，大涡模拟技术也是今年来的研究热点。z l l e n ”l u 等 2 8 ，2 9 】采用大涡模 拟法对标准六直叶涡轮桨搅拌器进行了模拟，考察了典型截面上的速度分布并用 l d a 测量值对预测值进行了验证。r a u la 1 c a m o 【3 0 】对不含挡板的六直叶涡轮桨搅 拌器的模拟进行了较为细致的研究，对径向、切向流速以及其他一系列流动特性 包括尾涡现象均取得了较好的预测结果。但同时该研究也指出，虽然大涡模拟技 术相对而言是较为完善的湍流模型，具有较好的前景，但其计算对硬件要求较高， 目前通用的p c 机还无法满足其计算要求。 把c f d 技术应用到搅拌设备的设计中，较传统的经验设计方法有着极大的 优越性。目前国外的专业混合设备公司在这方面作了较多工作，开发并研制出了 多种新型高效的搅拌设备。国内在这方面起步晚于国外，但今年来出现了大量的 文献报道。九十年代中期，候栓弟掣3 1 】首先将c f d 技术应用于搅拌设备的研究 中。研究利用二维七一s 湍流模型，黑箱模拟法，针对单层c b y 型桨叶搅拌器， 成功模拟预测了叶轮区流动特性，定性描述循环区运动形式，计算考察了不同桨 器径比下的宏观流动场的变化。其中，宏观速度场的分布与p d a 测量结果吻合 较好，而叶轮上方区域轴向速度及径向速度的分布预测与实测数据只是定性相 似，数值上存在一定差异。这主要是因为该研究采用的是二维七一占湍流模型，且 忽略了挡板的影响。之后，侯栓弟等【3 2 】又采用三维七一s 湍流模型，黑箱模拟法， 针对相同的搅拌体系进行了数值模拟。轴向、切向速度的模拟结果与实验结果吻 合较好，径向速度分布与实验结果定性吻合。从整体上看，模型对搅拌器内的径 向流动普遍估计偏高，主要原因是缺乏对器内湍流黏度系数的正确估计。同一时 期，吴立志【3 3 】等采用七一占标准湍流模型，滑移网格法( s g ) ，对单层六直叶圆盘 涡轮桨叶搅拌器进行了数值模拟。研究重点分析了典型截面上的速度分布，通过 与三维l d v ( l a s e rd o p p l e r v e l o c h e t e r ) 测量数据的对比可以看出，计算结果与实 9 第一章绪论 验数据具有很好的一致性，模拟是准确的。周国忠等 3 4 】采用七一占标准湍流模型， 滑移网格法( s g ) ，对单层六直叶圆盘涡轮桨叶搅拌器进行了数值模拟，重点分 析了桨叶附近流动场中所产生的尾涡，并将不同密度网格下的数值模拟结果与实 验数据进行了比较。在网格密度较高的条件下可以清楚地观察到桨叶附近产生的 尾涡，其大小与实验结果一致；叶端的径向与切向速度与实验吻合较好，加密网 格对最大径向及最大切向速度的预测精度有明显的提高；但同时也发现，即使采 用很高的网格精度，对湍动能的预测仍然偏低，原因可能是由于七一s 标准湍流模 型是建立在各相同性假设的基础之上，并能很好的适应近桨区强旋流流场。 采用c f d 技术对搅拌设备混合时间进行的研究较少见于文献。同样是针对 单层六直叶涡轮桨搅拌器，周国忠等 3 5 】在c f x 软件的基础上开发了混合过程计算 程序，对混合时间的预测进行了数值研究。研究中采用对速度场和浓度场联立求 解与单独求解两种处理方法，将其结果进行对比。两种计算方法所得到的混合时 间变化规律一致，而单独求解完全可以将问题表述清楚，同时其计算工作量小， 计算较灵活。此外，虽然计算结果没有用实验数据进行验证，但周国忠提出：相 对值的规律性与文献数据完全一致，是可取的，因此，用于比较同一桨型、比较 不同桨叶的混和特性以及优选搅拌器是由价值的，这也为搅拌设备的研究提供了 一个新的思路。张国娟等【3 6 】针对单层c b y 翼形桨搅拌器混合时间进行了研究，并 以实验数据进行验证，结果显示混合时间的预测值与实验值较相吻合，同时，对 于计算值与模拟值的误差，该研究认为除了七一s 标准湍流模型自身的局限性之 外，基于稳态近似假设的多重参考系法( 豫f ) 只适应于旋转部分与静止部分较弱 的情况也是原因之一。苗一等【3 7 】采用r n g 七一s 湍流模型，胀f 法对双层涡轮桨搅 拌器的搅拌功率及混合时间进行了模拟，搅拌功率的模拟值与实验值吻合良好， 混合时间的模拟值与实验值存在一定误差，其原因可能同样是由于豫f 法的适应 性问题。 目前应用较为广泛湍流模型是七一s 标准湍流模型与r n g 后一s 湍流模型，针 对这两种模型计算效果的对比，国内研究人员也进行了一些研究工作。周国忠等 跚采用r n g 七一占湍流模型，滑移网格法模拟单层六直叶涡轮桨叶搅拌器，并针 对叶端径向速度、叶端切向速度以及叶端湍动能，将r n g 七一占湍流模型的计算 结果与七一s 标准湍流模型的计算结果进行比较，其结果显示，r n g 七。s 湍流模 1 0 硕士学位论文 型对桨叶附近速度场的预测较七一占标准湍流模型有一定的改善，但对湍动能的预 测却比七一占标准湍流模型差。周国忠认为，r n g 七一占湍流模型在耗散方程中通过 系数口引入描述流场畸变效应的附加源项后，在一定程度上改善了对桨叶附近 各向异性湍流的预报能力。但实质上r n g 七一占湍流模型只不过是七一s 标准湍流 模型的一种修正形式，仍然是建立在各向同性假设基础之上，其局限性也仍然存 在。钟丽等 3 9 】亦针对r n g 七一占湍流模型与七一占标准湍流模型对速度分布和流动 特性的计算结果进行了比较，所不同的是采用了多重参考系法( m r f ) ，同时针 对单层六直叶涡轮桨搅拌器的搅拌在不同雷诺数条件下的功率曲线进行了模拟。 其结果表明，r n g 七一s 湍流模型与七一s 标准湍流模型适用于过渡区和完全湍流 区，但计算量较大。魏新利等m 1 采用多重参考系法( m r f ) ，针对搅拌器内宏观 流场及时均速度场比较了r n g 七一占湍流模型与七一s 标准湍流模型的计算结果， 在桨叶尖端所取的竖直线及水平线上，两种方法对于轴箱速度的预测一致、准确。 对于径向速度，在主体区域的预测结果一致，在桨叶弧形区域，r n g 七一占湍流 模型的预测值要大于与七一占标准湍流模型的预测值。整体上看，其预测结果是一 致且可靠的。 此外，在两相流模拟方面，国内研究人员也进行了一些探讨。钟丽等【4 l 】针对 固一液体系的搅拌，采用e g m 模型及标准j i 一占湍流模型，配合多相流七一s 湍流 模型m i x 咖模型，利用多重参考系法( m r f ) 对流场进行了模拟，研究了搅拌 槽内的固液浓度分布和固、液两相的速度分布，比较了不同转速下的固液颗粒悬 浮状况并根据模拟结果计算出颗粒离底临界悬浮转速m 。，其值与文献数据有较 好的一致性。王振松等 4 2 】对固一液两相体系的流场进行了模拟，对器底及器内宏 观速度、浓度分布进行了初步预测，其模拟结果与文献中相关实验数据一致且准 确反映了由于固体颗粒加入使液相速度衰减的现象。 1 2 7 搅拌设备的放大理论和研究现状 随着科技的发展，设备有大型化发展的趋势，搅拌设备也同样有大型化的需 要。如国外聚合器的容积已经由最初的8 4 0 m 3 扩大到6 0 l o o m 3 ，有的已达到 2 0 0 m 3 。对搅拌设备的放大至今仍缺乏统一的认识。在工业实际中，尤其是快速 反应体系或高黏度非牛顿物系，工业规模的搅拌设备存在不同程度的非均匀性， 第一章绪论 随着规模的增大，这种不均匀性更加严重，传统放大方法的可靠性受到前所未有 的挑战。对搅拌设备的合理放大设计往往成了新技术应用以及工业规模大型化的 瓶颈问题。 实用的放大准则都是在实验的基础上归纳总结出的，由于搅拌操作的复杂性 和多样性，相关研究人员所依据的理论基础不统一，难以得出统一的标准。以固 液悬浮搅拌的放大为例，e i l l e n k e l 曾做过归纳，发现相关的几何相似放大准则有 l o 个之多，若用单位体积功率尸v 同与器径d 的正比关系表示，即r 芘d x ，x 存 在多个取值 6 】；如根据z w i e t e r i l l g 【4 3 】提出并沿用至今的完全悬浮临界搅拌转速的 关联式可以得出，对于物性相同，几何相似的搅拌系统，完全悬浮的放大基准为 p v d - 0 j 5 ；而c b u u 肌a 1 1 畔】通过对器径d = 4 2 6m 的固液悬浮搅拌器进行的实 验研究数据归纳得出，完全悬浮的放大基准应该是p v = 常数。对于其他搅拌目的 搅拌操作，同样存在放大基准不统一的情况，如对气液搅拌，相关研究人员提出 的放大准则有p v ：常数以及民芘d 瞄5 等【4 5 1 。对于任何搅拌混合问题，达到规定 的均匀程度所需要的混合时间是衡量搅拌器混合效果及混合性能的重要尺度，以 混合时间相等作为放大基准的研究报导较少见于文献。d 0 u g l a se l e n g 【蛔曾提出， 对于反应速率较快的聚合反应，采用混合时间相等作为放大基准能取得较好的效 果。董爱平【4 刀针对大型储浆设备的搅拌放大，根据实验数据作出混合时间准数坼 与搅拌器体积变化的双对数坐标图，提出以混合时间准数坼恒定为放大基准。但 是，该准数在放大过程中不能保持恒定，放大效果肯定要受到影响。目前，较常 用的放大基准为保持单位容积功率r 恒定和桨叶尖端圆周速度m 恒定等。而当 混合时间是重要参数时，一般采用转速刀= 常数的放大准则 4 5 1 。 b l e t e l l i e r 等 4 8 1 采用c f d 技术针对常用的r 恒定放大准则进行了研究。研 究中采用三个几何相似的搅拌器，通过对搅拌功耗的预测分别推算出保证凡恒 定所需的搅拌转速，对放大过程中叶端线速度、搅拌转速、搅拌功耗、雷诺数、 弗诺德数等重要参数的变化规律进行了分析，同时探讨了流态的变化。l e t e l l i e r 指出，采用民恒定准则进行放大时，流态会随着搅拌器体积的改变产生强烈的 变化，另外，采用凡恒定放大法时对设备所输入的功率大于实际需要，造成浪 硕士学位论文 费。m i n g z l l o n gl i 等 4 9 】以雷诺数相同作为放大准则，针对三个几何相似的三叶后 掠桨搅拌器采用c f d 技术进行了放大研究，重点分析了功率准数、二次循环流 准数、排出流量以及泵浦效率等参数在放大过程中的变化。总的看来，国内外的 学者采用c f d 技术对搅拌设备的放大规律进行研究时，其重点往往放在能体现 流场特性的一系列参数的变化情况上，但并没有提出一个统一评价标准以及在该 标准下如何进行准确、合理的放大操作 1 3 研究的目的与意义 目前对搅拌设备的开发还比较依赖于经验和实验，对其的优劣性很难进行理 论预测，特别是对于能耗和生产成本，在没有模拟实验的情况下，常采用现有设 备数据的方法，宁大勿小，结果造成了不少浪费。据统计，仅在美国，每年由于 搅拌设备设计的不确定造成的经济损失就达数十亿美元。另外，人们对搅拌设备 放大