雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽氣液分散特性的數(shù)值模擬_圖文

1、第38卷第2期2011年北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版Journa l of Beijing U niversity of Chem ical T echno logy (N atura l Sc ienceV o.l 38,N o .22011雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽氣液分散特性的數(shù)值模擬張雪雯 李志鵬 高正明*(北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,北京 100029摘 要:采用基于氣泡聚并和破碎機(jī)理的群體平衡(PB M M U SI G 模型,對雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽內(nèi)的氣液分散特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;考察了不同通氣量和操作轉(zhuǎn)速下氣液攪拌槽內(nèi)流體流動,局部氣含率和氣泡尺寸的分布規(guī)律。模擬結(jié)果表明:通

2、氣工況下攪拌槽內(nèi)的液相流場具有雙循環(huán)流動形式;采用PB M M U SI G 模型預(yù)測的局部氣含率分布與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好;攪拌槽內(nèi)氣泡尺寸隨轉(zhuǎn)速增加而減小,隨氣量增加而增大;槳葉排出流區(qū)域內(nèi)氣泡尺寸較小,近壁區(qū)和循環(huán)區(qū)內(nèi)氣泡尺寸較大。關(guān)鍵詞:氣液攪拌槽;數(shù)值模擬;半圓管盤式渦輪槳;氣泡尺寸;群體平衡模型中圖分類號:TQ 027 3收稿日期:2010-05-25基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(20576009/20821004第一作者:女,1983年生,碩士生*通訊聯(lián)系人E m a i:l gaoz mm a i.l buc t .edu .cn引 言具有氣含率和相界面積大、容易換熱和處理量大等

3、特點(diǎn)的氣液攪拌槽被廣泛應(yīng)用于化工,生化,食品等工業(yè)生產(chǎn)中。單層槳攪拌槽的氣-液兩相分散特性也已得到廣泛研究,然而隨著工業(yè)裝置越來越大型化,僅僅使用單層槳已經(jīng)無法滿足工業(yè)需求。因此工業(yè)上常常選擇多層槳操作來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)物料的攪拌混合。近年來多層槳的氣液分散特性已有大量實(shí)驗(yàn)研究1-2。但由于實(shí)驗(yàn)研究手段存在投資大、周期長、測量困難等諸多缺點(diǎn),如何尋找一種能夠縮短開發(fā)周期、節(jié)約成本的研究手段并部分代替實(shí)驗(yàn)研究就顯得格外令人關(guān)注。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,基于計算流體動力學(xué)(CFD 的理論及方法,借助計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的預(yù)測技術(shù)在攪拌槽設(shè)計方面得到廣泛應(yīng)用。相對實(shí)驗(yàn)而言,CFD 技術(shù)能以較少的費(fèi)用和

4、較短的時間為代價獲得大量有價值的研究結(jié)果,并能對攪拌槽和攪拌過程進(jìn)行詳細(xì)描述,在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究手段的缺陷。氣液攪拌槽內(nèi)傳質(zhì)和反應(yīng)過程都需要通過氣泡的表面進(jìn)行,氣泡尺寸及其分布是影響傳質(zhì)和反應(yīng)速率的重要因素,因此,氣泡尺寸分布的數(shù)值模擬對攪拌槽的研究、開發(fā)和放大都有著非常重要的意義。但由于氣液兩相流本身很復(fù)雜,氣液兩相間的相互作用、氣泡在運(yùn)動過程中聚并和破碎導(dǎo)致的氣泡尺寸分布不均以及氣泡對攪拌體系湍動的影響等因素都會影響到氣液兩相流模擬的準(zhǔn)確性。因此,文獻(xiàn)中的相關(guān)模擬一般簡化為單相模擬3-4,或者將氣泡簡化為單一尺寸的剛性球體,忽略其聚并和破碎5-6。近年來,已有部分研究者開始考慮氣泡

5、間破碎和聚并條件下的分布規(guī)律,模擬結(jié)果較單一氣泡假設(shè)有明顯改善,但主要集中在Rushton 渦輪槳7-12。本文以文獻(xiàn)2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在考慮氣泡尺寸分布和氣泡聚并破碎的基礎(chǔ)上對雙層半圓管盤式渦輪槳?dú)庖簲嚢璨蹆?nèi)的流場、局部氣含率和氣泡尺寸分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。1 攪拌槽結(jié)構(gòu)和模擬工況1.1 攪拌槽結(jié)構(gòu)本文攪拌槽模型與文獻(xiàn)2實(shí)驗(yàn)一致,如圖1所示。攪拌槽直徑T =0 45m,槽內(nèi)設(shè)有4塊擋板,擋板寬度W B =1/12T ,擋板距離槽壁為1/60T ,選用雙層半圓管渦輪攪拌槳(CD 6槳,通氣裝置為環(huán)形氣體分布器,直徑為0 27T ,其上均勻分布12個直徑為0 003m 的小孔,開孔向下,模擬裝

6、置各結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表1 。1 攪拌軸;2 擋板;3 攪拌槳;4 攪拌槽;5 氣體分布器圖1 攪拌槽(a及攪拌槳(b裝置示意圖F i g .1 T ank (aand CD 6i m pe ller (bgeo m e tries表1 攪拌槽結(jié)構(gòu)參數(shù)T able 1 Para m ete rs of ag itator /vesse l confi gurati onsT /m H 0/T D 1/T D 2/T C S /T C 1/T C 2/T 0 4520 390 390 240 331 331 2 模擬工況物系為自來水-空氣體系,具體模擬工況見表2(其中葉端雷諾數(shù)R e = ND 2/

7、 。表2 模擬各工況具體操作條件T ab l e 2 D eta iled ope rati ng cond iti ons fo r each case工況攪拌轉(zhuǎn)速N /s -1通氣流量Q /L m i n -1表觀氣速V S /m s -1葉端雷諾數(shù)R e 14213 20 02247 48!10625155 00 01641 12!10735213 20 02241 12!10745276 60 02901 12!1072 數(shù)值模擬2 1 網(wǎng)格劃分選取整個攪拌槽內(nèi)的流體作為模擬計算域,采用網(wǎng)格分塊劃分技術(shù)。為了更好地捕捉槳葉區(qū)以及氣體分布器小孔處的流體運(yùn)動,對這兩處進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密。槳

8、葉、氣體分布器和槽底附近區(qū)域采用四面體網(wǎng)格,其他區(qū)域采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)約為110萬,如圖2所示。2 2 模擬方法本文采用CFX 軟件對氣液攪拌槽內(nèi)流場、 氣含圖2 網(wǎng)格劃分示意圖F ig .2 Ill ustrati ons o f the m esh used i n the m ode l率和氣泡尺寸分布等進(jìn)行數(shù)值模擬研究。液相主流域和氣相的流動分別采用標(biāo)準(zhǔn)k 湍流模型和零方程模型。采用多重參考系(MRF方法處理動靜區(qū)域的相對運(yùn)動,其中攪拌漿葉位于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動區(qū)域,擋板和氣體分布器處于靜止區(qū)域,流動狀態(tài)為定常態(tài)。相間作用力考慮了曳力,重力,表面張力以及湍動擴(kuò)散力。曳力模型采用適合于稀疏

9、氣相流動的Grace 曳力模型,較大通氣量時,修正的體積分率指數(shù)為2。使用Lopez de Bertodano 模型來考慮相間的湍動擴(kuò)散力,其作用是湍流渦體攜帶氣泡由高濃度向低濃度流動,湍動擴(kuò)散系數(shù)選擇0 1。利用群體平衡(PB M M USI G 模型處理氣泡的聚并和破碎,將氣泡尺寸分為110mm 的五組,每組氣泡直徑由式(1與(2計算d i =d m in +!d i -12(1!d =d m ax -d m inM(2其中M 為氣泡分組數(shù),d 為氣泡尺寸。根據(jù)上述公式,得到的各組氣泡平均尺寸分別為1 9,3 7,5 5,7 3和9 1mm 。PB M MUSI G 是關(guān)于數(shù)值密度函數(shù)的連

10、續(xù)形式,其方程式(3如下t n (,t+ x i (U i(m,tn (,t=B B -D B +B C -D C(3式中n (,t表示尺度為的顆粒在時間t 內(nèi)的數(shù)密度。B B ,D B ,B C ,D C 分別表示破碎及聚并后氣泡的生成和損失率。2 北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 2011年3 結(jié)果與討論3 1 氣液攪拌槽內(nèi)流場分析工況2下攪拌槽內(nèi)兩擋板中間平面液相速度矢量圖如圖3所示。CD 6為徑向流攪拌槳,高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳在槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向射流,該射流攜帶周圍流體向槽壁運(yùn)動,與槽壁撞擊后,沿槽壁分為上下兩股,分別在兩層槳葉附近區(qū)域形成兩對循環(huán)渦流。從圖3可以看出,模擬計算結(jié)果成功反映出了該流

11、動結(jié)構(gòu)。3 2 局部氣含率對于氣液兩相流攪拌槽,表征氣體在槽內(nèi)分布的局部氣含率是一個非常重要的性能參數(shù),它能夠反映槽內(nèi)局部的分散及傳質(zhì)特性,在反應(yīng)器的選擇和設(shè)計中有著極其重要的作用。在攪拌槽內(nèi)兩擋板中間平面上選取一條與軸線平行直線,該直線距離 槽壁0 035m。將表2中4種工況下該直線處局部氣含率的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比,如圖4 所示。圖3 工況2攪拌槽內(nèi)液相速度矢量圖F ig.3 L i qu i d ve l oc ity vector pro fil e i n t he m i d p l anebe t w een t w o baffles f o r Case 2實(shí)驗(yàn)值; 模擬值

12、圖4 4種工況下軸向局部氣含率分布圖F ig.4 Ax i a l local gas ho l dup d istri buti on for the four cases由圖4可知,局部氣含率模擬值總體上與實(shí)驗(yàn)值2較為吻合,即采用PB M MUSI G模型可以較準(zhǔn)確模擬氣液攪拌槽內(nèi)局部氣含率的分布規(guī)律。該分布規(guī)律表現(xiàn)為兩層槳葉附近區(qū)域均存在著峰值,且頂層槳附近峰值始終高于底層槳附近峰值。這一方面是由于槳葉區(qū)的氣泡受到循環(huán)流和浮力的雙重作3第2期 張雪雯等:雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽氣液分散特性的數(shù)值模擬用,另一方面則是相對底層槳而言,頂層槳附近區(qū)域存在更多的氣體循環(huán)。由圖4可知但模擬結(jié)果與

13、實(shí)驗(yàn)值仍存在一定偏差,比如底層槳附近區(qū)域模擬的氣含率峰值高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),兩層槳之間區(qū)域模擬的氣含率分布下降很快。模擬與實(shí)驗(yàn)間存在偏差的可能原因如下:PB M MUSI G 模型主要適用于鼓泡塔13的氣液流動,且使用的聚并和破碎機(jī)理比較簡單。相對鼓泡塔而言,當(dāng)通入相同氣量時,存在著機(jī)械能輸入的氣液攪拌槽內(nèi)的氣泡平均直徑要小得多,因此采用該模型預(yù)測攪拌槽內(nèi)的氣液流動會存在偏差。此外,通過指定體積分率指數(shù)來修正Grace 曳力模型也會導(dǎo)致一定誤差。3 3 氣泡尺寸分布攪拌槽內(nèi)的剪切速率與氣泡尺寸分布密切相關(guān),圖5給出了工況1下攪拌槽內(nèi)擋板中間平面氣泡平均直徑分布與剪切速率對比示意圖。由圖5可知?dú)馀莩叽?/p>

14、在剪切速率最大的葉輪排出流區(qū)內(nèi)最小,在遠(yuǎn)離葉輪的位置,隨著剪切速率逐漸減弱,氣泡尺寸也隨之變大。對于循環(huán)區(qū)域而言,其剪切速率較之排出區(qū)要小的多,所以大氣泡主要存在于攪拌槽循環(huán)區(qū)域內(nèi),尤其是循環(huán)區(qū)域的中心位置。這一趨勢與K er douss 等11在雙層六直葉渦輪槳?dú)庖?攪拌槽內(nèi)模擬所得結(jié)果趨勢一致。圖5 攪拌槽內(nèi)氣泡尺寸及剪切速率分布F i g .5 D istri buti ons o f bubb le size and shea r stra i nsrate in the stirred vessel對比攪拌槽內(nèi)液相速度矢量圖和氣泡尺寸圖可以看出,低流速區(qū)即循環(huán)區(qū)域的氣泡尺寸較大,這是

15、由于此區(qū)域內(nèi)連續(xù)相速度較低且與氣泡運(yùn)動方向相反,因此氣泡更容易聚并成大氣泡。而處于攪拌槽上層區(qū)域處的氣泡尺寸也較大,這主要是因?yàn)榇颂幧仙臍馀菖c下降的液相流相遇,從而導(dǎo)致氣泡運(yùn)動速度變慢,氣泡聚并幾率變大,從而尺寸變大。為了研究轉(zhuǎn)速和表觀氣速對氣泡平均尺寸的影響,本文計算了工況14下氣泡平均尺寸d 32值,分別為5 536,4 674,5 148和5 377mm 。由此可知,在相同氣速下,隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加,氣泡尺寸減小,造成這一現(xiàn)象的原因是槳葉轉(zhuǎn)速越高,所帶來的能量耗散越高,能夠產(chǎn)生剪切力更高,破碎能力也就更大,從而導(dǎo)致氣泡破碎現(xiàn)象更加嚴(yán)重,氣泡直徑變小。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變,隨著通氣流量的增大,攪拌

16、槽內(nèi)出現(xiàn)大氣泡的幾率也隨之增大,這是因?yàn)殡S通氣流量的增加,氣泡之間更容易發(fā)生碰撞和聚并,并成為大氣泡。沿?fù)醢逯虚g右半平面上各循環(huán)回路中液相速度矢量方向各取17點(diǎn),具體循環(huán)回路從下到上依次為循環(huán)回路1,循環(huán)回路2,循環(huán)回路3,循環(huán)回路4。如圖6 所示。圖6 沿各循環(huán)回路取點(diǎn)示意圖F i g .6 C i rcu lati on l oops i n the m i d plane bet ween t wobaffles w i th som e po i nts shown圖7給出了工況1下,沿圖6所取點(diǎn)所得到得氣泡尺寸變化趨勢圖。由圖7可知,當(dāng)處于槳葉上方的循環(huán)回路2和4時,氣泡在循環(huán)流和浮

17、力的雙重作用下運(yùn)動,聚并效應(yīng)比破碎效應(yīng)更加明顯,所以氣泡尺寸沿循環(huán)方向單調(diào)增加;而處在槳葉下方循環(huán)回路1和3時,靠近槽壁處的循環(huán)區(qū)域內(nèi)存在著氣泡的密集地帶,從而造成了氣泡尺寸先增加,后減小。因?yàn)椴鄣撞看嬖谒绤^(qū),該處的氣泡尺寸較小。4 北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 2011年 回路1;# 回路2; 回路3; 回路4圖7 循環(huán)回路氣泡平均尺寸變化趨勢圖(工況1F i g.7 Bubble dia m ete r a long the liquidc irculation loop(case1全槽內(nèi)氣泡尺寸分布不均勻,槳葉區(qū)氣泡較小,越靠近槽壁,氣泡越大。循區(qū)域氣泡較大。4 結(jié)論(1對于雙層半圓管盤

18、式渦輪槳?dú)庖簲嚢璨?其液相流場具有雙循環(huán)流動型式。(2氣液攪拌槽內(nèi)軸向局部氣含率的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值趨勢基本吻合,驗(yàn)證了PB M MUSI G模型和方法的可行性。(3相同氣速下,氣泡尺寸隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而減小;相同轉(zhuǎn)速,氣泡尺寸隨氣量的增加而變大。(4氣液攪拌槽葉輪排出流區(qū)域內(nèi)氣泡尺寸較小,靠近槽壁處和循環(huán)區(qū)域內(nèi)氣泡尺寸較大。符號說明C 離底高度,mD 攪拌槳直徑,md32槽內(nèi)平均氣泡直徑,mmg 重力加速度,m/s2H液面高,mN 攪拌轉(zhuǎn)速,s-1Q 通氣流量,L/m inR e 葉端雷諾數(shù)T 攪拌槽直徑,mVS表觀氣速,m/sz 軸向坐標(biāo),mG局部氣含率流體相密度,kg/m3剪切黏度,Pa

19、s# 體積黏度,P a s 參考文獻(xiàn):1 M oucha T,L i nek V,P rokopova E.G as ho l d up,m i x i ngti m e and g as liquid vo l ume tr i c mass transfer co efficien t ofva ri ous m ulti p l e i m pell er confi gurati ons:R ushton turb i ne,p itched b l ade and tech m i x i m pe ller and t he ir comb i nati onsJ.Che m i

20、ca l Eng i neer i ng Sc i ence,2003,58:1839-1846.2 G ao Z M,S m ith JM,M ull e r Ste i nhagenH.V o i d fracti ond i str i buti on in sparged and bo ili ng reactors w it h moderni m pell e r con figurationJ.Chem ical Eng i neer i ng andP rocess i ng,2001,40:489-497.3 劉敏珊,張麗娜,董其伍.圓盤渦輪式攪拌槽的數(shù)值模擬J.鄭州大學(xué)學(xué)報

21、:工學(xué)版,2007,28(1:122-124.L i u M S,Zhang L N,D ong Q W.T he si m ulati on o f rushton t urbi ne sti rred tankJ.Journa l o f Zheng zhou U niversity:Eng i neeri ng Science,2007,28(1:122-124.(i nChi nese4 朱向哲,苗一,謝禹鈞.雙層渦輪攪拌槳三維流場數(shù)值模擬J.石油化工設(shè)備,2005,34(4:26-29.Zhu X Z,M i ao Y,X ie Y J.Three di m ensi onal fl

22、 ow num erica l si m u l a ti on o f doub l e t urbi ne i m pe llersJ.P etroChem ical Equip ment,2005,34(4:26-29.(i n Chinese5 宋月蘭,高正明,李志鵬.多層新型攪拌槽內(nèi)氣液兩相流動的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬J.過程工程學(xué)報,2007,7(1:24-28.Song Y L,G ao Z M,L i Z P.Exper i m enta l study and num erica l si m ulation of gas li quid flow i n a sti rred ta

23、nk w i tha new m ulti p le i m pell e rJ.T he Ch i nese Journa l o fP rocess Eng i neering,2007,7(1:24-28.(i n Chinese 6 孫會.攪拌罐內(nèi)氣液兩相流場的數(shù)值模擬J.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報,2008,11(3:189-192.Sun H.N u m er i ca l i nvesti gation of gas li qu i d flo w i nstirredvesse lsJ.Journa l o f Shangha i D i anjiU n i v ers it y,200

24、8,11(3:189-192.(in Chi nese7 Laakoner M,M o ilanen P,A lopaeus V,et a.l M ode lli nglocal gas li qui d m ass transfer i n ag itate vesselsJ.Chem ical Eng i neeri ng R esearch and D esign,2007,85(A5:665-675.8 G i m bun J,R i e lly C D,N agy Z K.M ode lli ng of m asstransfer i n gas liquid stirred tan

25、ks ag itated by R us h t onturb i ne an CD 6i m pe ller:a scale up studyJ.Che m ica l Eng ineer i ng R esearch and D esi gn,2009,87:437-451.9 Lane G L,Schwarz M P,Evans G M.N u m er ica lm ode lli ng of gas li qu i d flow i n stirred tanksJ.Che m i ca l En5第2期 張雪雯等:雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽氣液分散特性的數(shù)值模擬 6 g ineer

26、ing Science 2005, 60: 2203- 2214 , . 北京化工大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版 2011年 12 M in J, Bao Y Y, Chen L, et a.l N um er ica l si u lation o f m gas d ispersion in an aera ted stirred reactor w ith mu ltiple m i pe llers J. Industr ia l & Eng ineering Che ica l R e m search, 2008, 47: 7112- 7117. 13 Sanya l J M a

27、rchisio D L, F ox R O, et a.l O n the com , parison betw een popu la tion balance m odels fo r CFD si u m lation o f bubble co lum ns J. Industrial & Eng inee ring Che ical R esearch, 2005, 44( 14 : 5063- 5072. m 10 L ane G L, Schwa rzM P Evans G M. Predicting gas liq , u id flow in a m echan ic

28、a lly stirred tank J . A pplied M athem atica lM ode lling 2006, 26 223- 235. , : 11 K erdouss F, Bannari A, P rou lx P CFD modeling o f gas . dispe rs ion and bubb le s ize in a double turb ine stirred tank J. Chem ical Eng inee ring Sc ience 2006, 61: 3313, 3322. Num erical si ulation of gas liqui

29、d flow in a m dual CD 6 i peller stirred tank m ZHANG XueW en L I Zh iP eng GAO ZhengM ing ( C ollege of Ch em ical Engin eering B eijing U n ivers ity of Ch e ical T echnology, Be ijing 100029, C h ina , m A bstract T he gas dispersion characterist ic s in a dual CD 6 i peller st irred tank have been nu er ic ally si u la ted : m m m using the p