宽粘度域搅拌器在假塑性流体混合中的CFD模拟

【摘要】 搅拌设备在化工、医药及生物发酵等领域广泛应用，搅拌物料包括牛顿流体和非牛顿流体。黄原胶作为一种应用广泛的天然生物胶，在其发酵过程中，发酵液会从低粘度牛顿流体转变为高粘度假塑性流体，这严重影响着黄原胶的质量和产量。要解决这一问题，需要研究开发适应于宽粘度域的高效搅拌设备。本研究以黄原胶水溶液为研究体系，用CFD方法对六种搅拌器的搅拌特性进行数值模拟，包括五种宽粘度域搅拌器：最大叶片式（Maxblend，MB1、MB2和MB3）、泛能式（Fullzone，FZ1和FZ2）和一种工业常用搅拌器：双层涡轮桨（Dual RushtonTurbine，DT）。重点研究了搅拌器的流体力学性能和搅拌混合过程。对六种搅拌器的流体力学性能研究发现：在湍流区，FZ2桨搅拌功耗最大，MB3桨最小；最大叶片式搅拌桨产生双循环流型，泛能式搅拌桨会产生上、中、下三循环流型，双层涡轮桨产生平行流型；在湍流区泛能式的剪切量和泵送准数最大，双层涡轮桨最小。相同单位体积功耗下六种搅拌器的搅拌混合过程研究表明，以最小值为基准计算混合时间大小，在研究的整个功耗范围内：MB1<FZ1<FZ2<DT，且在大功耗下MB3<MB2<MB1。用混合体积曲线分析宏观混合过程，研究发现：MB1桨和FZ1桨结构及安装合理。低转速下，MB2桨和MB3桨存在混合不良区。FZ2桨下方的叶片面积大，阻碍流动，低转速下，两层DT桨之间相互作用小。用混合系数分析微观混合过程，研究发现：当混合系数>1时，对流扩散起主要作用，混合系数<1时，分子扩散起主要作用。达到混合要求时，采用MB2桨和MB3桨时示踪剂浓度分布均匀且耗时短，混合性能优良。 

1 文献综述

1.1 搅拌设备简介

搅拌设备使用历史悠久，大量应用于化工、医药、食品、采矿、造纸、涂料、冶金、废水处理等行业中。搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合，也可以加速传热和传质过程。在工业生产中搅拌操作是从化学工业开始的，化学工艺过程中的种种化学变化，均是以参加反应物质的充分混合为前提。搅拌设备的应用广泛，还因其操作条件如温度浓度、停留时间等在可控范围内，又能适应多样化的生产。

搅拌设备在很多场合作为反应器来用。例如，在三大合成材料中的生产中，搅拌设备作为反应器约占90%。但是更大量的搅拌设备并不是用于化学反应，而仅用于物料的混合、传质、传热以及制备乳液、悬浮液等。搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌，在工业生产中大多数采用机械搅拌。

搅拌作为一种广泛应用的单元操作，它的复杂性正是在于它涉及到流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程。从本质上讲搅拌就是在流动场中进行单一的动量传递或者是包括动量、热量、质量传递及化学反应的过程，而搅拌器就是通过使搅拌介质获得适宜的流动场并向其输入机械能量的装置。因此，流场问题和搅拌能量问题归结为对搅拌器的研究，这一直是搅拌过程所研究的主要课题。

 1.1.2 搅拌设备基本结构

机械搅拌设备主要由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括釜体、外夹套、内构件以及各种用途的开孔接管等；搅拌机则包括搅拌器、搅拌轴、轴封、机架及转动装置等部件。

1.2 搅拌物料种类及特性

流体是流变学研究的一个对象。近代流体除了包括小分子物质和溶液，还含有越来越多的大分子或高分子以及有活性的物质溶液。近代流体根据其在一定温度和剪切应力作用下表现出来的特性，划分为牛顿流体和非牛顿流体两大类见表 1-3。

凡是服从式牛顿粘性定律的就称之为牛顿流体。在对数坐标下标绘的流动曲线见图 1-1 所示。在对数坐标下所有的牛顿流体的流动曲线具有一个相同的斜率为 1，而粘度μ的大小则变为不同的截距。对数标绘的优越性在于不但可以在很大的范围能表达这两个变量的变化，更重要的是可以方便地与非牛顿流体的性质相比较。不难看出，牛顿流体的流动曲线仅需要一个简单物性—粘度μ即可确定，因此，也仅需要一个简单的实验测定即可完全确定流体流变性或层流性。

凡是剪切应力和剪切速率之间的关系不服从牛顿粘性定律的流体都称之为非牛顿流体。许多工程和自然科学中涉及的高分子溶液与熔体、生物发酵液、原油、水煤浆等均属于非牛顿流体。非牛顿流体的流变行为对搅拌设备的设计和选用以及控制过程终点和产品质量等均密切相关。

由图1-1 中非牛顿流体的流动曲线可知，流体的剪切速率是剪切应力的函数，要确定其流变性能就增加了难度，需要通过大量的实验测定得到相应的实验数据，分析实验数据得出流体流变性确定其本构关系。

2 研究目的、内容与方法

2.1 研究目的

黄原胶是集增稠、悬浮、乳化、稳定、安全及环保等优越性能于一身的一种无味、无臭的天然生物胶，以其优良性能已被广泛应用于食品、制药、石油、化工等多领域。但在黄原胶发酵过程中，随着发酵液中黄原胶浓度的增大，发酵液开始从牛顿型流体（几厘泊）转变为高粘度非牛顿型假塑性流体（几十万厘泊）。这种转变制约着整个发酵过程，使得反应器内溶氧浓度大幅下降，温度分布差异增大，导致传质和传热效率大幅减低，严重影响着黄原胶的质量和产量。

黄原胶在发酵过程中受制于传质和传热，这一问题的实质是高粘假塑性流体的高效搅拌混合问题。要解决这一问题，对搅拌设备核心部件—搅拌器的选用提出了挑战，需要研究开发适应于宽粘度域的新型高效搅拌设备。

日本在90 年代初，开发了数种大型宽粘度域搅拌器，如住友重机公司开发的最大叶片式、神钢技术公司开发的泛能式和三菱重工公司开发的叶片组合式，粘度适用范围1～100000mPa?s。这些大叶片搅拌器在搅拌釜的纵剖面面积的比例比较大，不仅混合效率高，而且还能够提供较大的剪切，使得局部传热系数分布均匀，，提高传热系数。

本文主要研究宽粘度域搅拌器的最大叶片式、泛能式和作为对比的标准双层涡轮搅拌器。采用数值模拟和实验验证相结合的方法研究其在假塑性流体黄原胶水溶液体系中的搅拌混合过程，以期对不同型式的桨叶做一个系统的比较，得出能耗低、混合效率高的桨叶。为下一步的研究提供一定基础，并为宽粘度域搅拌器在实际工业过程中的开发和应用提供指导。

2.2 研究内容

对六种大直径搅拌器的搅拌特性进行数值模拟，包括五种宽粘度域搅拌器：三种最大叶片式（Maxblend，MB1、MB2 和 MB3）、两种泛能式（Fullzone，FZ1 和FZ2）和一种工业常用搅拌器：双层涡轮桨（Dual RushtonTurbine，DT）。考查了不同型式桨叶的搅拌功耗、搅拌流场、剪切性能、排液性能和混合性能，并对本实验室现有桨叶（MB1 桨和 DT 桨）的功耗数据与实验数据做了对比，以验证计算模型的可靠性。主要研究内容可以分为以下三部分：

（1） 通过实验得到最大叶片式 MB1 桨和双层涡轮桨 DT 桨，在高粘度假塑性黄原胶水溶液中的搅拌功耗；

（2） 模拟六种大直径搅拌器在假塑性流体搅拌混合中流体力学性能，包括搅拌功耗、搅拌流场、剪切性能和排出性能，并将部分功耗数据与实验数据做对比；

（3） 模拟六种大直径搅拌器在假塑性流体中的搅拌混合过程。在相同单位体积功耗下，加入示踪剂后计算组分输运方程，使用局部监测和整体监测的方法得到搅拌混合时间，并从宏观和微观角度分析混合过程。

3 宽粘度域搅拌器流体力学性能的数值研究························22

3.1 搅拌釜结构及网格划分····················22

3.2 模拟研究方法··················24

4 宽粘度域搅拌器混合过程的数值研究·············40

4.1 计算方法············40

4.1.1 计算域·················40

5 结论与展望··············53

5.1 结论······ 53

5.2 展望············ 53

4 宽粘度域搅拌器混合过程的数值研究

根据混合发生的尺度，混合过程可分为宏观混合与微观混合。宏观混合对应于大尺度的混合现象，如在搅拌混合设备中，由于机械搅拌作用，使流体发生设备尺度的循环流动，从而使流体在设备尺度上得到混合；微观混合对应于小尺度的混合现象，流体被破碎成微团，微团之间的碰撞、合并和再分散，以及通过分子扩散使液-液体系达到分子尺度均匀化过程。

本章主要在第 3 章的基础上，计算示踪剂浓度输运方程得到混合时间。混合时间指示踪剂浓度达到完全均匀浓度的99%所需要的时间。第3章中桨叶的功耗特性、剪切性能和排液性能是在相同雷诺数、不同功耗下进行的。而对于混合时间的计算在相同功耗下进行，使用了点监测和整体监测的方法，以最小值为基准计算混合时间，考查了计算过程中示踪剂总质量的变化，使用混合体积来描述宏观混合，混合均匀度来描述微观混合。

4.1 计算方法

4.1.1 计算域

搅拌釜及搅拌器的几何尺寸、安装高度和流体的物性与第3章的模拟条件相同，示踪剂的进料位置和监测点位置见图4-1 和表4-1 所示。

图4-1 为垂直于桨叶的平面内，示踪剂进料位置和监测点位置的分布。进料位置在液面 r/T =0.3 处，在搅拌釜纵剖面设置了 11个监测点，点的位置左右对称，坐标位置见表 4-1 所示。计算开始时，示踪剂在进料位置对应网格区域内的浓度分数为1，其他区域为0。

5 结论与展望

5.1 结论

利用 ANSYS Fluent 15.0 软件对六种搅拌器：五种宽粘度域搅拌器和标准 2/3T双层涡轮桨，在高粘度假塑性流体（1.0wt%黄原胶水溶液）中的搅拌混合特性进行了数值模拟。重点研究了搅拌器的流体力学性能和搅拌混合过程，得出如下结论：

(1) MB1 桨和 DT 桨搅拌功耗数据的计算结果与实验结果吻合良好，验证了计算模型的可靠性，但在过渡区受到湍流模型的影响误差相对较大。

(2) 对六种搅拌器的流体力学性能研究，得到了搅拌功耗、速度流场、剪切性能和排出性能：①搅拌功率曲线，在层流区呈斜率为-1 的一组平行线，湍流区功率准数趋于常数。FZ2 桨功耗最大，MB3 桨最小；②最大叶片式桨（MB 系列）产生双循环流型，MB2 桨和MB3 桨产生一个较大的上循环，MB3 桨随雷诺数增加下循环消失。泛能式桨（FZ 系列）产生上、中、下三循环流型。层涡轮桨（DT）形成平行流型；③在湍流区，泛能式剪切量和泵送准数都最大，双层涡轮桨最小。

(3) 在相同单位体积功耗下，模拟六种搅拌器的混合过程，以最小值为基准计算混合时间的结果：MB1<fz1<fz21 耗时短，对流扩散起主要作用，混合系数<1 耗时长，分子扩散起主要作用；示踪剂浓度参数云图显示：达到混合要求时，MB2 桨和MB3 桨浓度分布均匀且耗时短，混合性能较为优良。

参考文献（略）