分解槽搅拌桨叶优化选型数值分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇分解槽搅拌桨叶优化选型数值分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要 本文利用流体力学中的相似原理，结合流体分析软件Fluent对现有的分解槽搅拌桨叶模型（MIG桨）进行等比放大及设计改型，对设计出的三种不同的搅拌桨叶模型进行了数值模拟，并从流场三维速度分布、均匀度、搅拌功率等三个方面进行了对比分析，为桨叶选型设计提供参考依据。

关键词 分解槽； Fluent；搅拌桨叶；数值分析

中图分类号TQ13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）110-0048-02

Numerical Simulation of optimum designing for Stirring blade of Precipitator Tank

Wang You

Guiyang Aluminum-Magnesium Design & Research Institute Co.Ltd.， Guiyang，Guizhou， China 550081

AbstractBased on the principle of hydromechanics similarity， this paper gives a numerical simulation analysis on the precipitator’s stirring blade （MIG）relevant design modification， and combined with the fluid analysis software Fluent. The paper competitively analyzes four aspects as the three dimensional flow field velocity distribution， solid content difference analysis， stirring power and the maximum shear stress， provides reference basis for design of stirring blade.

KeywordsPrecipitator Tank， Fluent， Stirring Blade， Numerical Simulation

0 引言

随着氧化铝生产大型化的发展，传统的Φ14m分解槽已不能满足生产要求，需要开发更大直径型的分解槽。分解槽大型化设计的主要难点是搅拌装置的设计，其搅拌在生产过程中既要满足料浆充分的混合悬浮又不破坏晶种的长大，因而其搅拌有一定的特殊性。搅拌装置设计的重点在于桨叶的选型，目前由于搅拌过程种类繁多，介质情况差异很大，实际使用的搅拌桨叶形式多种多样。目前的选型方法多是根据实践经验，选择习惯应用的桨型，再在常用范围内决定搅拌器的各种参数。也有通过小型试验，再进行放大的设计方法。随着计算流体力学的发展，运用流体分析软件对搅拌过程进行数值模拟技术已日趋成熟，本文就是在现有的氧化铝生产上通用的MIG型搅拌器的基础上，运用相似原理和Fluent软件提供的稳态多重参考系法(MFR)对设计的三种搅拌器进行数值模拟，并与原有Φ14m分解槽的MIG型搅拌器进行对比分析，得到适合大型分解槽搅拌使用要求的桨叶形式，为设备改进优化提供设计参考依据。

1 研究对象及模型建立

1.1 物理模型

分解槽整体模型如图1，槽体直径16m，高42m，内设置6层搅拌桨、1组挡板、在挡板对面设置提料管，建模中忽略提料管内部流场，忽略搅拌桨厚度。三种不同桨叶结构形式见图2，其中模型A是传统MIG桨叶形式，桨叶与轴的夹角为60°，模型B是将模型A中内桨叶分为上内桨及下内桨两部分，模型C是将模型A中桨叶与轴的夹角由60°增加到70°，具体结构尺寸见表1。

图1 整体搅拌分解槽模型

图2 桨叶模型图

模型A 模型B 模型C

分解槽内径（m） 16 16 16

液面高度（m） 38 38 38

桨叶层数 6 6 6

桨叶直径（m） 底层 11.6 11.6 11.6

其它层 10 10 10

每层桨叶之间高度（m） 6 6 6

轴径规格（mm） Φ610X26 Φ610X26 Φ610X26

桨叶与轴夹角（°） 60 60 70

内浆分段 1段 2段 1段

挡板数量（含出料管） 2 2 2

转速（rpm） 4.4 4.4 4.4

表1 分解槽不同搅拌桨叶形式结构尺寸

1.2计算方法

本文选用Realizable k-ξ湍流模型，欧拉-欧拉多相流模型对分解槽内固液体系进行数值模拟。在模型中考虑相间作用力、虚拟质量力及升力对固体颗粒的影响，其中固－液两相间阻力系数的理论计算采用相间相互碰撞的Gidaspow 模型。

采用稳态多重参考系法（MRF），将各个计算区域分成两个或多个互不重叠的圆筒状区域，整个分解槽分为旋转区域和静止区域两部分，旋转区域的几何结构只有搅拌桨，静止区域的几何结构包括整个槽壁、挡板与提料管，旋转区域创建旋转坐标系，静止区域创建静止坐标系，搅拌桨相对内部子区域静止，实现搅拌桨的旋转。

1.3 工艺条件

表2是分解槽实际生产中的一组常用物性参数。

项目 料液的密度

kg/m3 料液的粘度

Pa.s 颗粒密度

kg/m3 固含

g/l 颗粒

大小

μm 含量

（质量分率）%

数值 1753 0.0038 2424 1000 70 10.25/31

表 2 物性参数

2 模拟结果分析

2.1 分解槽内物料的三维速度矢量

图3为穿过搅拌桨叶中心X-Y平面的三维速度分布图，模型A、B形成的流场相似，都只在每层桨叶之间形成了非常明显的流体循环，流体在槽内基本是在每层桨叶之间流动，没有形成桨叶之间的两层流体循环，而模型C在每层浆之间形成明显的桨间循环，内外桨叶有明显地流体向上运动之后分别向内外桨叶的流场位置循环从而形成了明显的两层流体循环，导致颗粒在槽内提留时间要比模型A、B长，从而有利于颗粒的结晶长大，也同实际设计MIG型搅拌器的预期效果吻合。

图3 流场(X-Y平面)三维速度分布图

2.2流场内的均匀度

分解槽搅拌的主要目的之一还要保持溶液浓度均匀，保证晶种与溶液有良好的接触以利于析出晶体。通过模拟可以得到颗粒相在整个流场中的分布状况，以及确定颗粒相的高浓度区域。

图4给出了70μm颗粒的体积相分布情况，从图中可以看出，在分解槽底面上有比较明显的沉积，说明底层桨附近区域是沉积高危区，且易沉积的区基本可以分为两块，就是搅拌轴附近区域以及槽底边缘的区域。模型A、B的沉积区域明显多于模型C。

图4 70μm颗粒体积相分布图（X-Y平面）

流场内的最大固含差，可以在一定程度上反映出整个搅拌的颗粒相分布的均匀程度，本文根据固体颗粒体积分数换算为固含量，进而得到固含差，表 3给出了三种桨叶形式的最大固含差的计算分析值。

从表中可以看出，模型C的最大固含差最小，模型A最大，工业生产要求固含差控制在5%∽8%以内，从计算结果看，模型B和C可以满足。

模型 颗粒

直径 体积分数/% 固含/g/l 最大固含差/%

最大 最小 差值 最大 最小 差值

A 70μm 31.38 28.93 2.53 1033.11 918.21 114.9 11.12

125μm 11.24 8.95 0.60

B 70μm 31.63 30.5 1.13 1046.2 968.4 77.8 7.45

125μm 11.53 9.45 2.08

C 70μm 31.39 30.43 0.68 1035 977.11 57.89 5.59

125μm 11.31 9.88 0.44

表3 三种桨叶形式的最大固含差

2.3搅拌功率

搅拌功率是搅拌中重要的参数，一定程度影响了生产成本和工业生产的现实可能性。

图5给出了运用Fluent计算的三种桨叶形式各层桨叶消耗功率分布情况。模型A消耗的总功率为106.4 KW， 模型B消耗的总功率为137.1 KW， 模型C消耗的总功率为115.6 KW，通过比较分析，在满足使用要求和经济性方面综合考虑，模型C的综合性能最好。

图5 功率分布图

3 结论

1）本文建立了大型分解槽搅拌桨叶的三种计算模型，并采用稳态多重参考系法对三种桨叶的搅拌过程进行了数值模拟计算，结论是模型C相较于模型A和模型B，搅拌流动效果较好，沉积区最少，均匀度最好，综合性能经济指标亦能满足生产需要；

2）通过与现有工业上使用的分解槽及其搅拌结构进行对比分析，运用Fluent计算所得的分解槽搅拌模型能满足实际生产对分解槽搅拌结构和工艺性能的要求，能为分解槽的大型化工业生产提供可靠的理论设计依据。

参考文献

[1]王凯，虞军，等.搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]钟丽，黄雄斌，贾志刚.用CFD研究搅拌器的功率曲线[J]. 北京化工大学学报，2003，30(5):5-8.

[3]李振花，何珊珊，万茂荣，谈遒.搅拌槽中的流体力学模型[J].高校化学工程学报，1996，10(1):22-29.

[4]王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]王友，王珊，等.分解槽物料固含差数值模拟分析[J].第十五届中国科协年会论文集，2013，5.