管式攪拌反應器流動特性與混合特性的CFD數(shù)值模擬.pdf

1、管式反應器廣泛應用于化工冶金領(lǐng)域，根據(jù)我國一水硬鋁石礦的管道化溶出中效率不高、管壁結(jié)疤現(xiàn)象嚴重等特點，本實驗室自主開發(fā)了一種帶攪拌的疊管式反應器，目前已通過冷態(tài)物理模擬的實驗方法對這種新型攪拌反應器的流動和混合特性進行了初步研究，但有關(guān)的理論及設(shè)計方法仍不完善。近年來，利用計算流體力學(CFD)的方法研究攪拌設(shè)備內(nèi)的流動和混合特性逐漸發(fā)展起來。CFD技術(shù)以其卓越的優(yōu)勢，對攪拌設(shè)備的研究、開發(fā)與設(shè)計提供新的研究方法。
　　 本文以

2、自主開發(fā)的單、疊管式攪拌反應器為研究對象，利用商業(yè)CFD軟件FLUENT6.3和并行計算系統(tǒng)的圖形工作站，在已有的研究基礎(chǔ)上對其進行了CFD的系統(tǒng)研究，并與實驗數(shù)值進行對比，驗證了利用CFD對管式攪拌反應器進行流動和傳質(zhì)特性研究的可行性，本研究能為反應器的進一步設(shè)計和改善提供新的研究思路，也可以作為實驗研究和進一步模擬的基礎(chǔ)。
　　 首先，采用雷諾時均方程(RANS)的標準k-ε湍流模型和多重參考系(MRF)法，對單、疊管式攪拌

3、反應器進行數(shù)值模擬，根據(jù)傳統(tǒng)(無攪拌)管式反應器與新型帶有攪拌裝置的管式反應器流場的比較，并通過對管式攪拌反應器速度場、湍流動能場的分析，帶攪拌的管式反應器起到了增加管內(nèi)湍流區(qū)，增強混合效果等作用。此外本文還討論了不同轉(zhuǎn)速對管內(nèi)速度分布、壓力分布、湍流動能分布的影響。
　　 在用RANS法對單、疊管式反應器的流場研究的基礎(chǔ)上，采用速度場和濃度場分開求解的方法，計算了該管式反應器的停留時間分布，其模擬計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果吻合較好

4、。通過對管式攪拌反應器內(nèi)的停留時間分布模擬計算的結(jié)果顯示，反應器內(nèi)接近活塞流，帶攪拌裝置通過增加擾動、避免死區(qū)等來改善反應器的性能，還討論了進口流量及攪拌轉(zhuǎn)速對平均停留時間、方差及RTD曲線的影響。
　　 本文采用標準k-ε湍流模型和多重參考系(MRF)法，對單管式攪拌反應器的混合時間及功率準數(shù)Np進行了數(shù)值模擬，其模擬值與實驗值吻合較好，并考察了不同攪拌轉(zhuǎn)速以及不同監(jiān)測點的位置對混合時間的影響規(guī)律。
　　 鑒于攪拌設(shè)備

5、的復雜性，RANS法模型對于槳葉區(qū)湍流預測偏低，影響管內(nèi)流體的物質(zhì)交換的預報，本文采用大渦模擬(LES)的方法，用滑移網(wǎng)格(SM)法來處理攪拌槳區(qū)，對單管式攪拌反應器的流場進行數(shù)值模擬，并用該方法計算了停留時間分布和混合時間。結(jié)果表明LES法比標準k-ε模型更能有效解決該管式攪拌反應器之間的物質(zhì)交換問題，尤其是在攪拌轉(zhuǎn)速較高時模擬得到的平均停留時間及混合時間更趨于實驗值，其中平圴停留時間的平均相對誤差降低了5％，混合時間模擬值的平均相對