管式攪拌反應(yīng)器流動(dòng)特性與混合特性的CFD數(shù)值模擬.pdf

1、管式反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于化工冶金領(lǐng)域，根據(jù)我國(guó)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(yán)重等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)了一種帶攪拌的疊管式反應(yīng)器，目前已通過(guò)冷態(tài)物理模擬的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這種新型攪拌反應(yīng)器的流動(dòng)和混合特性進(jìn)行了初步研究，但有關(guān)的理論及設(shè)計(jì)方法仍不完善。近年來(lái)，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法研究攪拌設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)和混合特性逐漸發(fā)展起來(lái)。CFD技術(shù)以其卓越的優(yōu)勢(shì)，對(duì)攪拌設(shè)備的研究、開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)提供新的研究方法。
　　 本文以

2、自主開(kāi)發(fā)的單、疊管式攪拌反應(yīng)器為研究對(duì)象，利用商業(yè)CFD軟件FLUENT6.3和并行計(jì)算系統(tǒng)的圖形工作站，在已有的研究基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了CFD的系統(tǒng)研究，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了利用CFD對(duì)管式攪拌反應(yīng)器進(jìn)行流動(dòng)和傳質(zhì)特性研究的可行性，本研究能為反應(yīng)器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改善提供新的研究思路，也可以作為實(shí)驗(yàn)研究和進(jìn)一步模擬的基礎(chǔ)。
　　 首先，采用雷諾時(shí)均方程(RANS)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多重參考系(MRF)法，對(duì)單、疊管式攪拌

3、反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)傳統(tǒng)(無(wú)攪拌)管式反應(yīng)器與新型帶有攪拌裝置的管式反應(yīng)器流場(chǎng)的比較，并通過(guò)對(duì)管式攪拌反應(yīng)器速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能場(chǎng)的分析，帶攪拌的管式反應(yīng)器起到了增加管內(nèi)湍流區(qū)，增強(qiáng)混合效果等作用。此外本文還討論了不同轉(zhuǎn)速對(duì)管內(nèi)速度分布、壓力分布、湍流動(dòng)能分布的影響。
　　 在用RANS法對(duì)單、疊管式反應(yīng)器的流場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，采用速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分開(kāi)求解的方法，計(jì)算了該管式反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，其模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好

4、。通過(guò)對(duì)管式攪拌反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布模擬計(jì)算的結(jié)果顯示，反應(yīng)器內(nèi)接近活塞流，帶攪拌裝置通過(guò)增加擾動(dòng)、避免死區(qū)等來(lái)改善反應(yīng)器的性能，還討論了進(jìn)口流量及攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)平均停留時(shí)間、方差及RTD曲線的影響。
　　 本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多重參考系(MRF)法，對(duì)單管式攪拌反應(yīng)器的混合時(shí)間及功率準(zhǔn)數(shù)Np進(jìn)行了數(shù)值模擬，其模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，并考察了不同攪拌轉(zhuǎn)速以及不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)混合時(shí)間的影響規(guī)律。
　　 鑒于攪拌設(shè)備

5、的復(fù)雜性，RANS法模型對(duì)于槳葉區(qū)湍流預(yù)測(cè)偏低，影響管內(nèi)流體的物質(zhì)交換的預(yù)報(bào)，本文采用大渦模擬(LES)的方法，用滑移網(wǎng)格(SM)法來(lái)處理攪拌槳區(qū)，對(duì)單管式攪拌反應(yīng)器的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并用該方法計(jì)算了停留時(shí)間分布和混合時(shí)間。結(jié)果表明LES法比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更能有效解決該管式攪拌反應(yīng)器之間的物質(zhì)交換問(wèn)題，尤其是在攪拌轉(zhuǎn)速較高時(shí)模擬得到的平均停留時(shí)間及混合時(shí)間更趨于實(shí)驗(yàn)值，其中平圴停留時(shí)間的平均相對(duì)誤差降低了5％，混合時(shí)間模擬值的平均相對(duì)