偏心双桨搅拌流场及效果分析.pdf

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1、第33卷第1期2017年2月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnology、厂ol33．N01Feb．2017文章编号：1001—7631(2017)01—0049__06DOI：10．11730，j．issn．1001-7631．2017．01．0049．06偏心双桨搅拌流场及效果分析张慧敏1，胡守明1，孔祥征21．上海应用技术大学机械工程学院，土海201418：2．南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京211800摘要：生产工艺中需要聚苯乙烯粒子在液相苯乙烯中均匀悬浮与混合，要求底部固相不

2、堆积，固相浓度分布均匀。为了达到理想的搅拌效果，本文研究了双桨的偏心率及转速对搅拌混合效果的影响。以底部椭圆封头，无挡板的反应釜和双层6折叶的开启涡轮式搅拌器为研究对象，用Fluent软件对搅拌器偏心时水的搅拌流场及聚苯乙烯粒子．苯乙烯固液搅拌进行数值模拟。模拟了不同偏心率和转速对搅拌流型、聚苯乙烯粒子浓度分布及能耗的影响，并用粒子图像测速法(PIV)实验验证水的搅拌流场。结果表明，偏心搅拌可使流体速度得到增加，桨叶下方的搅拌死区得到有效抑制；偏心率增大导致两侧的速度偏差越来越大，能量分布不均匀；偏心搅拌的聚苯乙烯粒子浓度分布比对中搅拌的更为均匀

3、，可改善粒子在苯乙烯中的悬浮效果；相同搅拌效果的情况下，偏心率为0．15的功率消耗是对中搅拌的85％；对该固液搅拌时的最佳偏心率和最佳转速分别为0．15和95r／min，此时固液搅拌混合效果最好，固相浓度分布最为均匀，消耗功率相对较少。关键词：偏心搅拌双层桨叶开启涡轮式搅拌釜流场模拟粒子图像测速法中图分类号：TQ027．3文献标识码：A聚苯乙烯生产工艺中需要聚合物粒子在液相苯乙烯中均匀悬浮与混合。反应器中搅拌器的结构及位置设置对搅拌效果有很大的影响，而偏心搅拌更能够缩短固液搅拌混合的时间【lJ，目前针对偏心搅拌的研究报道多停留在单层桨叶。杨锋苓等

4、【2，31对单桨的偏心搅拌进行了实验研究，固相都为微米级粒径的石英砂；MarekDomfinski等【4】利用计算流体动力学(CFD)模拟分析单层偏心桨叶转速对水流场的影响，与实验数据较吻合。现有的研究结果表明，开启涡轮式搅拌器斜叶p为45o[51,叶片数为6【6J，对固液搅拌效果最好，双层桨叶对搅拌效果优于单层桨叶[_丌。本研究针对聚苯乙烯生产中的大颗粒(直径约为2mm)搅拌问题，采用双层6折叶的开启涡轮式搅拌器，用Fluent商业软件对反应釜内流场进行计算模拟，分析不同偏心率对水的流场、速度及漩涡位置的影响，以及偏心率、搅拌转速对固相浓度分布

5、和功率损耗等方面的影响，并用粒子图像测速法(PⅣ)实验验证水的流场模拟，以期后获得较佳的偏心率和固液搅拌效果，为聚苯乙烯生产中搅拌混合装置的设计提供技术参考。1数值模拟1．1模型与网格划分本工作的实验装置和尺寸如图1所示。偏心率e为搅拌轴心偏移搅拌釜中心的距离E与釜内半径尺之比。双层6折叶开启涡轮式搅拌器，折角45。，桨叶离底高度和桨间距分别是C1为80，C2为110，桨径与釜径之比为0．43。收稿日期：2016—12．08；修订日期：2017．0l一28。作者简介：张慧敏(1962一)，女，教授；胡守明(1991～)，男，硕士研究生，通讯联系人

6、。E-mail：980660941@qq．tom。50化学反应工程与工艺2017年2月b*一———j-_袁-—●—TJP‘7

7、Iij．．≥耋§当(a)experimentaldeviceandagitator(b)sizeofstirredlank图1实验装置和反应釜尺寸Fig．1Experimentaldeviceandthesizeofstirringtank模拟的三维模型按照实验尺寸建立，体网格成份(element)选择Tet／Hybrid(主要以四面体网格r誊i(a)e=0，simulationandexperiment(b)e=0．2，

8、simulatienandexperiment图3模拟和实验速度流线Fig．3Velocityflowgraphofsimulationandexperiment■闩溢蠢I■露■一圉同嘲豳■网二]蹋圈嘲吲川幽圈第33卷第1期张慧敏等．偏心双桨搅拌流场及效果分析51-N轴向纵切面流场的模拟值和实验结果的对比。可以看见，两者流场线型及漩涡位置基本一致，桨间区域的流体因桨叶的轴向作用向上运动，达到液面向四周扩散，从反应釜内壁靠自身重力向下流动，形成一个大循环。两者最大速度都在桨叶叶端处，误差为3．0％。图3(b)是e为0．2的模拟和实验结果，可看出整体

9、流线图基本一致，在上层桨叶叶端附近流线图有所不同，原因在于实验装置轴的挠性波动造成，在偏心环境下，破坏了原有对称结构，转轴的挠性波动对搅