赵阳, 谢明辉, 向家伟, 等丨不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

文摘   2024-05-15 17:48   北京  

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不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

赵阳 1谢明辉 2 向家伟 1刘肖肖 3李帅亮 3吕世军 3吴亮 2周国忠 2张庆华 4杨超 4

1. 温州大学机电工程学院,浙江 温州 325035
2. 浙江长城搅拌设备股份有限公司,浙江 温州 325019
3. 中石化上海工程有限公司,上海 200120
4. 中国科学院过程工程研究所,中国科学院绿色过程与工程重点实验室,北京 100190

DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.223210


摘 要 针对高密度聚乙烯搅拌式聚合釜物料体系,利用三叶后掠式搅拌桨HQ、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD、三宽叶旋桨式搅拌桨KHX、桨叶安放角δ分别为45°和75°的斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY构成四种桨型组合,在直径T=480 mm的圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行了固液悬浮实验。基于计算流体力学软件Ansys Fluent 2020R2,采用多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型,研究了各桨型组合在30.71%固含率下的流场和固液悬浮状态。研究结果表明,转速小于250 r/min时,桨型组合2和3在搅拌槽内顶部会形成清液层;桨型组合1和4能在更低转速和更低功率的情况下达到物料的均匀混合状态,且桨型组合4比桨型组合1的功率消耗降低约30%,具有高效节能的效果。模拟获得的固含率分布趋势与实验所测数值吻合较好。模拟的流场表明桨型组合4和1的流型相似,可以有效避免桨型组合2和3在低转速下出现的清液层。

关键词 淤浆聚合;桨型组合;固液悬浮;两相流;数值模拟

1 前 言

高密度聚乙烯(High-density Polyethylene, HDPE)和超高分子量聚乙烯(Ultra-high Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE)树脂在韧性、硬度、耐环境应力开裂和加工性能之间实现了出色的平衡,非常适合各种硬质制品的加工。其主要生产工艺包括溶液法、气相法、淤浆法[1-3]。淤浆法生产工艺反应压力低、操作条件易于控制、产品性能好,是HDPE和UHMWPE的主要生产方法[4]
釜式淤浆聚合制备高密度聚乙烯过程中,搅拌聚合釜内物料为固液两相体系,生成的HDPE固体颗粒在釜内的悬浮状态直接影响最终HDPE产品的性能。因此,选择性能优异的搅拌桨(组合桨)至关重要。目前,淤浆法搅拌式聚合釜中应用较为广泛的是多层平直叶搅拌桨,吕世军[5]采用数值模拟方法对现有高径比1∶1的10万吨/年淤浆法HDPE反应釜进行流体力学研究,考察了外循环、翅形挡管、中层平直叶搅拌桨对釜内只存在液相己烷时的流场的影响,结果表明外循环可减弱反应釜内部死区,翅形挡管和中层平直叶搅拌桨可加强反应釜的混合性能,为更大规模的淤浆反应釜的设计提供了依据。对于搅拌式淤浆聚合釜内反应前期固含量较低的工况,王修纲等[6]进行了5 L搅拌槽的冷模试验和数值模拟,实验拍摄的固体悬浮图像与模拟所得悬浮状态相吻合,认为斜叶桨在5%固相体积分数下能达到较好的均匀悬浮效果,且单位体积功耗低。吴裕凡等[7]在5 L搅拌槽中研究了10%固体体积分数时的四叶推进桨直径、安装高度、转速对固液悬浮效果的影响,研究结果表明桨叶直径为0.52倍筒体直径,桨叶安装高度为0.56倍筒体直径,转速为1000 r/min时,混合效果最好,且适当降低搅拌桨安装高度可以在一定程度上改善釜底固相颗粒堆积。虽然对于固含量较低的物料体系的固体悬浮特性已进行了大量研究,但高固含量工况下搅拌釜内固液悬浮特性和流场特性仍不清楚。此外,在工业HDPE生产过程中,需采用多层搅拌桨,桨叶匹配不合理会导致流场存在弱区、固含量分布不均匀,进而出现爆聚以及结成团块的现象。因此,亟需研究高固含量条件不同桨型组合情况下不同轴向高度的固含率、搅拌器功耗与固相均匀悬浮的关系。
固液检测方法有高速摄像技术[8]、电阻层析成像技术[9]、光导纤维技术[10]、取样法[11]等。取样法是固液两相体系中比较传统的检测方法,该方法操作方便且所得结果准确可靠,在局部固含量的测定方面应用较为广泛。van der Westhuizen等[12]使用取样法探究了搅拌槽内固相颗粒在不同高度处的固含率,伸入液面的垂直管与蠕动泵相连,抽取样品后将固体分离称重以测定固相含量。Kuzmanić等[13]在两挡板间45°平面上的槽壁垂直分布采样孔,通过蠕动泵取得各层料液样品,并由筛网将固液两相分离,于量筒中测得固含量。Chen等[11]通过取样法从搅拌槽侧壁取出物料,再放入烘箱干燥后称重,获取局部固含量。
固液悬浮状态受到两相流体力学状态的影响,釜内固含量较高的情况下难以通过粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)[14]、激光多普勒技术(Laser Doppler Velocimetry, LDV)[15]等图像测试技术研究搅拌槽内的流场情况,需通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)获取流场和固液悬浮特性。Tamburini等[16-18]基于临界悬浮转速概念,使用CFD研究了未到达临界悬浮转速时悬浮固体颗粒的百分比,以及介于临界悬浮转速和均匀悬浮之间的固含率局部轴向分布,并且基于CFD瞬态仿真和以往的均匀悬浮转速评判准则,提出了均匀悬浮转速的概念。付双成等[19]使用CFD对装有法兰挡板和指状挡板的搪玻璃搅拌釜内的固液两相流进行了模拟,结果表明指状挡板在固液悬浮和搅拌混合中有更好的性能。
本工作针对中石化上海工程有限公司开发的高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯的淤浆聚合体系(搅拌式聚合釜的高径比大于1.5),对目前普遍使用的多层平直叶搅拌桨进行改进,设计三种新的桨型组合进行实验和数值模拟,分析了各桨型组合的混合性能和流场特性,以提高搅拌槽内的固相均匀悬浮能力。使用多重参考系法将搅拌槽内流体分为动区和静区。采用欧拉-欧拉双流体模型和标准k-ε混合湍流模型对搅拌槽内固液体系进行模拟。采用取样法对四种桨型组合在不同转速下的搅拌槽内不同高度的固相质量分数进行测定。通过数值模拟和实验的手段获得固液悬浮效果更好、高效节能的桨型组合,以提高聚合釜的生产效率。

2 实 验

2.1 实验装置

实验所选用的搅拌槽使用有机玻璃制成,与底部的不锈钢标准椭圆封头通过法兰和橡胶密封圈连接,如图1所示。电机(调速范围0~500 r/min)与扭矩传感器(航天科技集团公司七〇一所,AKC-205)连接,搅拌轴顺时针旋转,在搅拌过程中实时监控搅拌器输出扭矩,搅拌转速通过转速传感器调控。搅拌槽直径T=480 mm,搅拌槽内装有四块挡板,挡板宽度为B=T/10。液位高度为H=600 mm。所使用的桨叶类型均能适用于固体颗粒悬浮,如图2所示,依次为:三叶后掠式搅拌桨HQ (DJ=150 mm),此为径流型搅拌桨,配合挡板,可产生较大流量的上下循环流;抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD (DJ=170 mm),此为径流型搅拌桨,叶片为抛物面,具有较强的径向排液能力和分散能力,主要用于气液分散和强混合传质的场合;三宽叶旋桨式搅拌桨KHX (DJ=170 mm),此为具有螺旋圆锥曲面型叶片的轴流型搅拌桨,排出流量大,湍流扩散能力强;斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY (DJ=160 mm,δ=45°和75°),此类搅拌桨的桨叶具有一个倾角,能够产生一定的轴向流和径向流,兼具分散和循环能力;平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY (DJ=160 mm),此为径流型搅拌桨,分散能力强。其中,δ为桨叶安放角,如图1所示。各搅拌桨组合成四种桨型,各层搅拌桨间距为L1=L2=L3=160 mm,第四层搅拌桨离底距离为L4=140 mm,第五层搅拌桨离底距离为L5=32 mm。各桨型组合所使用的搅拌桨如表1所示,四种桨型组合的示意图如图3所示。桨型组合1依据工业上现有的多层平直叶圆盘涡轮式搅拌桨组合而设计。对于桨型组合2, 3, 4,三叶后掠式搅拌桨HQ150 (后续采用桨型加参数的形式表示采用的搅拌桨)安装于底层可以沿椭圆封头壁面产生上循环流,从而防止底部固体颗粒淤积。抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD170安装于第四层可产生径向排出流,与底部的HQ150共同将料液排向侧壁面。第二、三层为轴流型搅拌桨,因为将轴流型搅拌桨安装于搅拌槽中部,可以产生向下的轴向循环。顶部的搅拌桨为δ不同的斜叶桨圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮桨PY,主要考虑桨叶安放角对顶部固相颗粒悬浮的影响。

图1   实验装置示意图Fig.1   Schematic diagram of experimental apparatus

图2   搅拌桨类型示意图Fig.2   Schematic diagram of types of impeller

表1   四种桨型组合的各层搅拌桨Table 1   Each layer of four types of impeller combinations


图3   四种桨型组合示意图Fig.3   Schematic diagrams of four types of impeller combinations

2.2 实验物系

实验所使用的固相颗粒为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),密度为1380 kg/m³,粒径为300~500 μm。液相为自来水,密度998 kg/m³,黏度0.001 003 kg/(m·s)。

2.3 实验方法

首先,向搅拌槽内加入一定量的水,并加入57.7 kg固相颗粒物料,使得固相颗粒质量分数为38% (体积分数为30.71%),液位达到600 mm。局部固含量通过取样法测得[11,20],搅拌槽内相邻挡板间45°的壁面处设置有直径为10 mm的取样口,通过开关阀控制搅拌槽内料液的流出。取样点位如图4所示,从下至上依次为P1, P2, P3, P4,至圆柱罐体底部距离分别为75, 275, 475, 575 mm。实验过程中,对四种桨型在100~450 r/min转速范围(间隔50 r/min)的每一个测点取样10 g左右,量取固液混合物总质量后放入烘箱蒸发水分,得到烘干后的固体颗粒质量,即可求得各个测量点的固相体积分数。每种工况条件下进行三次重复性实验,结果取三次实验的平均值。

图4   取样点位示意图Fig.4   Schematic diagram of locations of sampling points

3 数值模拟

3.1 控制方程

模拟采用标准k-ε混合湍流模型[21,22],近壁区域通过标准壁面函数处理。由于搅拌槽内的固相体积分数大于10%,固含量较高,采用欧拉-欧拉双流体模型对搅拌槽内的固液两相流进行计算[23],在欧拉模型中各相之间被处理为相互贯通的连续介质,分别求解各相的连续性方程和动量方程,连续性方程:

(1)
式中,αii相的体积分数,ρii相的密度(kg/m³),uii相的速度(m/s),i代表相(l为液相,s为固相)。
液相动量守恒方程[24]

(2)
固相动量守恒方程:

(3)
式中,p为全部相所受压力(Pa),ps为固相压力(Pa),ksl为固液两相间动量传递系数(kg/s),τ为切应力张量(N/m2),g为重力加速度(m/s²)。计算时固液两相的动量传递项由相间相互作用力决定,在固液两相体系的相互作用中,忽略了虚拟质量力和升力,计算了占主导地位的曳力。曳力模型采用Gidaspow模型[25,26],固液两相间动量交换方程为:

(4)
其中:

(5)
Res为雷诺数:

(6)
αl≤0.8时,

(7)
式中,μl为液相黏度[kg/(m·s)],ds为固相颗粒直径(m)。

3.2 网格无关性验证

通过三维建模软件UG建立与实验相对应的模型,其中挡板为无厚度壁面。采用网格划分软件ICEM CFD对四种桨型组合的搅拌槽进行非结构化网格划分,对桨叶区域的网格进行加密处理,图5为非结构化网格示意图。设置搅拌槽内为30.71%固相体积分数的固液两相,选取桨型组合2进行网格无关性验证,图6为转速200 r/min的情况下,网格数为106万、155万、213万、243万时,不同计算网格对扭矩和轴向固含率αs的影响。从图中可以看出,当网格数量为155万以上时,扭矩达到稳定值,偏差在0.27%以内,并且不同网格靠近壁面处的轴向固相体积分数基本无差异。

图5   非结构化网格示意图Fig.5   Schematic diagrams of unstructured grid

图6   网格无关性验证

Fig.6   Grid independence verification

3.3 模拟方法

采用商业CFD软件Ansys Fluent 2020R2对搅拌槽内的固液悬浮特性进行数值模拟。使用多重参考系法处理搅拌桨的旋转,可比滑移网格法减少大量计算资源且能够得到可靠结果[27,28],将搅拌槽内的流体域分为两部分,包含搅拌桨的圆柱体区域为动区,其他区域为静区。使用Phase Coupled Simple算法,压力项采用PRESTO差分格式,其余各项均采用一阶迎风格式。实验时静止状态下的固相颗粒在水中的堆积高度约占液位的65%,数值模拟时将30.71%体积分数的固相颗粒通过Patch的方式分布于流体域中,图7为实验与数值模拟初始状态。设置每个时间步迭代残差为10-5,时间步长为0.001 s,计算时监控扭矩值和固相体积分数,达到拟稳态时停止计算。

图7   实验与数值模拟初始状态

Fig.7   Initial state of experiments and simulations

4 结果与讨论

4.1 搅拌功耗与顶部固含率

通过联轴器上的扭矩传感器将搅拌过程中的旋转轴所受扭矩输出为电压信号,再由无纸记录仪传输至PC端的Lab View进行实时监控并记录扭矩值。搅拌功率通过式(8)计算:

(8)
式中,P为功率(W),M为扭矩(N·m),N为转速(r/min)。
四种桨型组合在不同转速下的功率随转速变化如图8所示。从图中可以看出,四种桨型组合的搅拌功率都会随着转速增加而升高。当N≤350 r/min,搅拌功率由低到高依次为:桨型组合2、桨型组合4、桨型组合3、桨型组合1。而当N>350 r/min,搅拌功率由低到高依次为:桨型组合2、桨型组合3、桨型组合4、桨型组合1。这是因为桨型组合2都为斜叶桨,所受扭矩相对其他各桨型组合小,桨型组合1都为平直叶桨,所受扭矩最大,桨型组合3, 4因其组合构型原因所受扭矩则介于以上两者之间。

图8   各桨型组合下转速对功率的影响Fig.8   Influence of rotating speed on power with various impeller combinations
从图8中还可以看出,在N=350 r/min位置处,桨型组合3和4的功率随转速变化趋势出现了拐点,这可能与搅拌槽内的固含率分布有关。将取样点测得的固含率αs除以平均固含率αavg为无量纲固含率(αs/αavg),四种桨型组合顶部P4检测点的αs/αavg随搅拌转速升高的变化关系如图9所示。可以看出,N≤350 r/min时,桨型组合3的固含率分布均匀程度弱于桨型组合4,底部固相颗粒分布较多,桨型组合3的下四层搅拌桨所受扭矩大于桨型组合4,因此桨型组合3的功率大于桨型组合4。N>350 r/min时,桨型组合3和桨型组合4搅拌槽内的固相颗粒达到更均匀的悬浮状态,桨型组合4顶部为平直叶桨,桨型组合3顶部为δ=75°的斜叶桨,使得桨型组合4所受扭矩大于桨型组合3,导致桨型组合4的功率比桨型组合3大。

图9   各桨型组合转速对顶部固含率的影响Fig.9   Influence of rotating speed of various impeller combinations on top solid holdup
总体上看,图9中的各桨型组合的顶部固含率都呈现随转速升高而接近于平均固含率(αs/αavg=1)的趋势。桨型组合2的顶部固含率随转速上升最为缓慢,在N=350 r/min时顶部的固含率达到0.95≤αs/αavg≤1.05,且继续增加转速,固含率不超过此范围。这是因为桨型组合2的顶部桨叶安放角δ=45°,当固相颗粒从底部循环至顶部搅拌桨附近时,受到轴向流作用被向下输送。图10为桨型组合2的液面处清液层高度,红实线和黑虚线分别表示液面位置和清液层分界线。桨型组合3的顶部桨叶安放角δ=75°,一定程度上减小了向下轴向流的作用,加强了液面附近的流体流动,固含率相较于桨型组合2上升稍快,在N=300 r/min时达到0.95≤αs/αavg≤1.05。桨型组合3的液面处清液层高度如图11所示,对比桨型组合2有所减小。表2列出了桨型组合2和3的清液层高度随转速的变化关系,可以发现,桨型组合2和3的清液层高度都随着搅拌转速提高逐渐减小,相同转速下桨型组合3的清液层高度比桨型组合2小,桨型组合2在N=350 r/min时清液层消失,桨型组合3在N=300 r/min时清液层消失。桨型组合1和桨型组合4在N=150 r/min时固含率已接近0.95αavg,在N=200 r/min时达到0.95≤αs/αavg≤1.05,相较于桨型组合2和3更快。

图10   桨型组合2的液面处清液层高度Fig.10   Clear liquid height at the liquid level of impeller combination 2

图11   桨型组合3的液面处清液层高度Fig.11   Clear liquid height at the liquid level of impeller combination 3

表2   桨型组合2和3的清液层高度随转速的变化Table 2   Variations of clear liquid height of impeller combinations 2 and 3 with rotating speed


4.2 轴向固含率

图12为四种桨型组合在不同搅拌转速下的轴向固含率变化。转速N=100 r/min时,各桨型组合的搅拌槽下半部分均存在取样口堆积的情况,由于固含率过高导致无法取样。在较低转速(N=100~200 r/min)时,各桨型组合的轴向固含率都呈现出自底向上不断下降的趋势,说明较低转速无法使固体颗粒达到较好的均匀悬浮效果。桨型组合2的转速N≤350 r/min时,顶部检测点固含率明显低于其他检测点固含率。而桨型组合3则是在转速N≤300 r/min时,顶部固含率明显低于其他检测点。桨型组合1和4的轴向固含率在转速增加至200 r/min后,轴向各高度检测点的固含率均已满足0.95≤αs/αavg≤1.05,说明转速N≥200 r/min时即达到较好的均匀悬浮效果。

图12   不同桨型组合在不同转速下的轴向固含率Fig.12   Axial solid holdup of different impeller combinations with different rotational speeds

4.3 模拟结果分析

在转速N=200 r/min工况下,通过数值模拟对比了四种桨型组合的固含量、速度矢量图、速度云图,图像从相邻两挡板间45°取得。图13为四种桨型组合的固相体积分数云图,可以看出,除底部存在少量固相颗粒堆积以外,四种桨型的搅拌槽内大部分区域已达到了均匀悬浮。而桨型组合2和3在液位较高处存在清液层,与实验拍摄的图10和11中N=200 r/min的情况相吻合。对比两者固相体积分数云图,顶部搅拌桨的安放角δ从45°增加至75°时清液层区域减少。桨型组合4为顶部搅拌桨的桨叶安放角δ增加到90°的平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY160,清液层消失。桨型组合1也有效抑制了顶部清液层。可以看出,桨型组合1和桨型组合4能够有效改善桨型组合2和3的搅拌混合弱区,对于搅拌槽内的淤浆具有较好的均匀悬浮效果。

图13   四种桨型组合在转速200 r/min时的固相体积分数云图Fig.13   Cloud diagrams of solid volume fraction at rotational speed of 200 r/min for four impeller combinations
图14是转速N=200 r/min时,四种桨型组合固含率实验值与模拟值对比。可以看出,计算结果与实验结果吻合较好。在N=200 r/min时,桨型组合2和3的搅拌槽内的P3测量点所在高度以下区域的固含率几乎不会随着高度升高而变化,而在P3和P4测量点间存在固含率迅速降低至接近零的突变区,说明存在固含率分界层,且清液层以下是比较均匀的。桨型组合3的低固含率线长度较桨型组合2略短,说明桨型组合3的清液层区域较桨型组合2有所减小。桨型组合1在P3和P4测点间的高度存在固含率突然下降的趋势,此高度以下的固含率随高度升高出现略微升高,随后固含率缓慢下降。桨型组合4的P2测点所在高度以下的固含率随着高度的升高几乎不变,而在P2测点高度处固含率突然下降,P2以上的固含率呈现缓慢下降的趋势。结合图13的固含率分布,表明桨型组合4的固含率比桨型组合1的固含率分布更加均匀。

图14   各桨型组合在转速为200 r/min时的固含率模拟值与实验值的对比Fig.14   Comparison of simulated and experimental solid holdup at N=200 r/min for each impeller combination
图15为四种桨型组合搅拌槽内的固相颗粒速度云图和速度矢量分布。从图中可以看出,转速200 r/min时桨型组合1和4为轴向和径向的组合流型,桨型组合2为单一的轴向循环流,桨型组合3存在两个轴向循环流。其中,桨型组合1的两个循环流位于上两层搅拌桨与壁面间,一个循环流位于底部两层搅拌桨之间。底部的固相颗粒通过各个循环的交汇向上输送,达到均匀悬浮的目的。桨型组合2顶部靠近轴的固相颗粒受到上面三层搅拌桨的轴向流作用而向下流动至搅拌槽下部,受到底部抛物线圆盘涡轮和三叶后掠式桨叶的作用流动到底部的椭圆封头侧壁,经过挡板的作用转而向上输送,形成轴向大循环。然而顶部的速度矢量分布稀疏,结合速度云图分析可得顶部速度较低,表明桨型组合2靠近搅拌槽壁面处向上泵送作用并不能将固相颗粒输送到较高的位置。桨型组合3顶部搅拌桨的桨叶安放角δ增大,但仍存在弱区。桨型组合4的顶部搅拌桨为径流型搅拌桨,分别于上下侧形成两个小循环,第二层以下的轴向循环流与顶层搅拌桨所产生的径向循环流在第一和第二层桨叶之间交汇,一部分固相颗粒进入下部的大循环,另外一部分固相颗粒进入顶层桨叶的循环,将固相颗粒输送至靠近液面处。桨型组合4的竖直平面速度云图也表明搅拌槽内的速度分布相对更均匀。

图15   不同桨型组合的搅拌槽速度云图和矢量图

Fig.15   Cloud and vector diagrams of mixing tank velocity for different impeller combinations

实验获得的各桨型在转速N=200 r/min时功耗由高到低依次为桨型组合1、桨型组合3、桨型组合4、桨型组合2,其中桨型组合4比桨型组合1功耗降低30%。

5 结 论

通过实验和数值模拟的手段研究了针对高密度聚乙烯搅拌式聚合体系所设计的四种桨型组合,分析了各桨型组合的混合性能以及流场特性,得出以下结论:
(1) 实验所得各桨型组合在低转速时搅拌槽内固含率分布不均,呈现底部固含率高,顶部固含率低的趋势。顶部测量点固含率随着转速升高而升高,最终都达到0.95≤αs/αavg≤1.05,先后顺序为桨型组合4, 1, 3, 2。各桨型组合的轴向四个检测点的固含率随转速升高最终都能达到0.95≤αs/αavg≤1.05,实现物料均匀悬浮的效果,其中桨型组合1和4在N=200 r/min已达到均匀悬浮效果,且桨型组合4比桨型组合1功耗降低30%。实验所拍摄的清液层图像也表明桨型组合2和3的清液层高度随着转速升高而减小,相同转速下桨叶安放角δ由45°增加至75°能够减小清液层高度。
(2) 转速N≤350 r/min时,各桨型组合功率由低至高依次为桨型组合2, 4, 3, 1。转速N>350 r/min时,搅拌功率由低到高依次为桨型组合2, 3, 4, 1。因此,桨型组合4在功率较低的情况下能达到均匀悬浮,具有高效节能的效果。
(3) 数值模拟结果表明,桨型组合2和3为轴向流型,由于靠近液面处的速度矢量分布较弱,都存在搅拌混合弱区,但桨型组合3相对于2有所改善。桨型组合4搅拌槽内的流场为组合流型,有效改善了桨型组合2和3搅拌槽内液位较高处存在弱区的情况,在良好的轴向循环基础上增加了径向循环,可以促进槽内固相颗粒的均匀悬浮。桨型组合1与4的流场类似。
(4) 转速N=200 r/min时,桨型组合2和3在较高液位处存在清液层,且桨型组合3比桨型组合2的清液层区域小,与实验所拍摄的图像中的清液层情况吻合。各桨型组合靠近搅拌槽壁面处的模拟的轴向固相体积分数分布趋势与实验中相同径向位置的四个取样点的结果吻合良好,表明建立的CFD模型能够较好地预测实验情况。


Study on solid-liquid suspension characteristics in a slurry polymerization reactor with different impeller combinations

Yang ZHAO 1 Minghui XIE 2 Jiawei XIANG 1Xiaoxiao LIU 3Shuailiang LI 3Shijun LÜ 3Liang WU 2Guozhong ZHOU 2Qinghua ZHANG 4Chao YANG 4

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, Zhejiang 325035, China
2. Zhejiang Greatwall Mixers Co., Ltd., Wenzhou, Zhejiang 325019, China
3. SINOPEC Shanghai Engineer Co., Ltd., Shanghai 200120, China
4. CAS Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Abstract: Slurry process is the main production method for high-density polyethylene. For slurry of high-density polyethylene stirred polymerizer, three-blade-backswept impeller HQ, parabolic disc turbine impeller BTD, three blade hydrofoil impeller KHX, pitched blade disc turbine impellers ZY with blade placement angle of δ=45° and δ=75°, and straight blade disc turbine impellers PY160 were used to form four types of impeller combinations. Solid-liquid suspension experiments were conducted in a cylindrical perspex stirred tank with a diameter of T=480 mm. The CFD software Ansys Fluent 2020R2 combined multiple reference frame method and Euler-Euler multiphase flow model were used to study the solid-liquid suspension of each impeller combination at 30.71% solid holdup. The results showed that when the rotating speed N≤ 250 r/min, a clear liquid layer formed at the top of the mixing tank with impeller combination 2 and 3. Due to the inhomogeneous of solid holdup, the power of impeller combination 3 and 4 showed an inflection point at the rotating speed N=350 r/min. When the rotating speed N≤350 r/min, the combined power of each paddle type from low to high was: 2, 4, 3, 1. When the rotating speed N>350 r/min, the mixing power from low to high was: 2, 3, 4, 1. Impeller combination 1 and 4 can achieve uniform mixing at lower speeds and power, and the power consumption of impeller combination 4 was about 30% lower than that of impeller combination 1, so impeller combination 4 was high efficiency and energy conservation. The simulated results of solid holdup were in good agreement with the experimental values which was measured by the sampling method. The simulated flow field indicated that the flow patterns of impeller combination 4 and 1 were similar, which can effectively avoid the clear liquid layer appearing in impeller combination 2 and 3 at low rotating speeds.
Keywords: slurry polymerization;impeller combination;solid-liquid suspension;two-phase flow;numerical simulation

引用本文: 赵阳, 谢明辉, 向家伟, 等. 不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究. 过程工程学报, 2024, 24(4): 403-413. (Zhao Y, Xie M H, Xiang J W, et al. Study on solid-liquid suspension characteristics in a slurry polymerization reactor with different impeller combinations (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(4): 403-413, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223210.)

作者简介:赵阳,硕士研究生,研究方向为搅拌反应器,E-mail: 21461440106@stu.wzu.edu.cn;

作者简介:谢明辉,博士,正高级工程师,研究方向为工业反应器的技术研发,E-mail: xmh@aaar.com.cn

基金信息: 国家重点研发项目(编号:2022YFC2105302);国家自然科学基金资助项目(编号:22078325; 22035007);国家基金国际(地区)合作与交流项目(编号:21961160745)

中图分类号: TQ325.12

文章编号:1009-606X(2024)04-0403-11

文献标识码: A

收稿日期:2023-08-04

修回日期:2023-10-08

出版日期:2024-04-28

网刊发布日期:2024-05-08



过程工程学报
《过程工程学报》(月刊)创刊于1976年,由中国科学院过程工程研究所主办、科学出版社出版。《过程工程学报》以过程工程科学为学科基础,重点刊登材料、化工、生物、能源、冶金、石油、食品、医药、资源及环境保护等领域中涉及过程工程的原创论文。
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