文 献 综 述

搅拌器优化的研究进展

0引言

搅拌器通过利用搅拌桨叶的旋转向内流体输入机械能，使流体获得适宜的流动场，搅拌操作原理涉及传热、传质、流体力学和化学反应等多种过程^[1]。搅拌反应釜广泛应用于化工、石油、医药等行业，搅拌器作为重要部件可以提供搅拌过程所需的能量及适宜的流动状态^[2]。搅拌器的选用合理与否，将会对化学反应的吸收率、转化率以及能耗等有很大的影响。

在化工生产过程中用到最多的搅拌器有涡轮式搅拌器、锚式搅拌器、桨式搅拌器、框式搅拌器、推进式搅拌器、螺带式搅拌器等。由于性能差异与其构造的不同，应用于不同化工生产的不同工况^[3]。虽然搅拌设备的历史悠久，应用范围广泛，但是针对搅拌器优化的研究却远远不够，目前搅拌器获得了飞速的发展，同时也面临着节能降耗、合理利用资源、环保要求等问题^[4]。对搅拌器的要求也因为科学技术的发展而提高，最重要的就是选择能耗小和搅拌效果好的搅拌器^[5]，这使得搅拌器优化设计^[6-11]研究进展有了深远的意义。

1. CFD分析方法

1.1CFD简介

计算流体为学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）CFD已经被广泛应用于汽车、水利、船舶、航空航天、化工和制造业等各个领域的流动模拟及分析。上世纪80年代，CFD开始应用于混合搅拌过程^[12,13]，可以方便的研究各种尺寸、结构、规模的反应器在不同压力、温度下的传热、流动现象，且获得全面、可视化的温度、速度数据。由于流体物理学的复杂性，CFD可能并不能完全消除实验的必要性^[14]。虽然CFD方法并不能完全的取代实验测试，但通过模拟可以方便对多个设计方案进行分析评价，选择及优化设计，大大减少了成本及周期。FLUENT 作为商用CFD软件的一种，受到了研究者的追捧，主要由于可以模拟从不可压缩到可以高度压缩范围内的负杂流体流动^[15]。FLUENT软件提供了很多模型，例如标准模型，可实现模型，层流模型，重整化模型等，k-#603; 模型在搅拌釜模拟中应用最多^[16,17]。

1.2 CFD发展

CFD 在流场分析上具有极强的优势,对不同桨型的搅拌器、不同搅拌器几何参数、不同的搅拌容器参数均可对其流场的混合、传热过程均可进行数值模拟，对研究问题可视化的特点对搅拌器的设计、搅拌工艺具有较强的指导意义^[18,19].近年来，CFD方法在搅拌器的数值模拟中有了飞速的发展。由于搅拌釜内流场信息的复杂性，使用CFD对搅拌釜内流场进行模拟时，面临着搅拌轴、搅拌器、挡板与容器围成流动区域的流体形状随时间变化的问题。动量源法、内外迭代法、”黑箱”模型法、滑移网格法^[20,21]和多重参考系法^[22]这五种模型的提出，解决了静止的挡板与运动的桨叶的相互作用问题。

2.数值模拟与流场分析

2.1单双层涡轮式搅拌器的流场分析

模拟和试验所用为釜高380mm,搅拌釜直径T=290mm,挡板宽度B=5mm，距槽壁2mm,四块均匀分布，搅拌桨叶直径d=100mm,约T/3,桨叶离底高度为125mm,桨厚1.5mm,桨宽10mm,介质为水。

图1位转速为120rpm时单、双层涡轮式搅拌器^[23]０#176;轴向位置的速度云图和速度矢量图。由图可知，单层涡轮式搅拌器在釜壁处存在搅拌死区，釜底流体最大速度0.25m/s,双层釜底最大流速为0.32m/s，单、双层涡轮式搅拌器在搅拌器正下方存在搅拌死区。

由于单层搅拌器与双层搅拌器下方的搅拌器的离底高度一致，所以由比较搅拌器上方速度云图知，双桨叶基本不存在搅拌死区，但单桨叶在搅拌器上方的流体轴附近存在很大的搅拌死区。由观察速度矢量图可得出，单层涡轮式搅拌器的涡心会向靠近挡板处偏移，且漩涡发散，而双层涡轮式搅拌器的涡心在靠近搅拌器处。由对比两种搅拌器在

漩涡处的最大速度，可知单层为0.53m/s,双层为0.64m/s,双层涡轮搅拌器的搅拌效果较好。

图1 （a）单、双层搅拌器在０#176;轴向位置的速度云图

图1 （b）单、双层搅拌器在０#176;轴向位置的速度矢量图

2.2流场分析现状

刘亚^[24]等人利用三维数字建模软件 Autodesk Inventor 对泥浆罐搅拌器进行三维建模，将CFD软件应用于泥浆罐内钻井液的混合过程的模拟，选用标准湍流模式来进行湍流模拟，分析搅拌罐内的流场规律，结果表示泥浆罐内为轴流式流场，轴对称的搅拌流场，较大的循环区域，主体循环较理想。龚发云^[25]等人针对潜水搅拌器的桨叶区进行了数值模拟和流场分析，发现其流场显示出一定的规律性。流速最大点均出现在叶边缘，沿径向方向流速逐渐减小；与桨径为400mm及500mm相比，桨径为600mm 时流场中心区域与靠近壁面处速度最大，搅拌效果最好；与其他桨叶数的流场相比，八桨叶搅拌器内流场分布更加均匀，有更好的混合及搅拌效果。

3.搅拌器优化设计研究现状

周超^[26]等人就叶片安放角对开启涡轮式搅拌器的影响做了研究，表明当叶片安放角为24 #176;、45 #176;、60 #176; 时，水流主要是轴向流，且沿搅拌槽区域形成循环较强的整体循环流，比较适用于需强循环的操作。

王轮^[27]通过采用CBY桨叶的搅拌器，取消调节拉杆和中间轴承，增大搅拌轴直径，对100 m³ 的丁苯橡胶凝聚釜在运行中的釜内液面容易积胶，中间轴承易磨损，调节拉杆易断裂，搅拌轴摆动大，搅拌效果不理想等不足之处进行优化，解决了搅拌器故障，改善了搅拌器搅拌效果，延长了凝聚釜的使用周期。

张慧敏^[28]对叶片数为4，转速为120r/min，桨径100mm，桨叶倾角４５#176;的常用开启涡轮式搅拌器进行模拟，发现桨叶区产生径向流，在挡板附近形成漩涡，在釜底存在搅拌死区。因而优化叶轮的设计参数，发现叶片数为6，桨叶倾角为４５#176;，桨径为170mm时搅拌效果较理想，搅拌死区最少。

魏化中^[29]等人通过Fluent软件进行六直叶开启涡轮式搅拌器的转速、桨叶直径对搅拌的影响分析，表明在一定的范围内，搅拌转速和桨叶直径的增大都会对搅拌效果有很好的改善。通过对六直叶开启涡轮式搅拌器和平直叶圆盘涡轮式搅拌器进行对比，前者更利于上下液层的混合，更适合通气的情况下，后者的分散能力更强。

武启^[30]等研究了桨叶角度对搅拌功率的影响及桨叶宽度对搅拌功率的影响 ，为搅拌器优化设计做出贡献。

4.总结与展望

由于搅拌操作所涉及因素的复杂性，比如搅拌设备的种类繁多，搅拌物料的物性差别，搅拌目的不同，物料在设备内部流动的复杂性，所以如何选择及优化设计搅拌器变得至关重要。随着科学技术的进步发展，医药、石油、化工等行业对搅拌操作的要求越来越高。目前众多研究者通过利用CFD方法就搅拌器进行数值模拟与流场分析，对搅拌器的选型及设计参数进行研究和优化，以此改善搅拌效果。随着对搅拌器优化设计研究的增加，许多新型搅拌器也随之出现，搅拌故障、不均匀问题也随之消失，按目前的发展速度来看，搅拌器的未来发展一片光明。

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