摘 要 本文介绍了使用FLUENT流体力学模拟软件对催化剂原料混合进料器加料过程中，关键组分在混合器中的运动轨迹以及分配情况进行了模拟。结果显示通过混合器加料，所设计的混合器在关键组分进料时，各关键组分的流股不会发生混合，并且可以均匀分散在混合料液中，有效地避免了传统加料方式的各种弊端。
关键词 进料混合器；FLUENT模拟；放大；催化剂；制备
催化剂放大是实验室成果能否顺利投入生产的关键环节。对工艺过程的工业实施中，物质的化学转化伴随着质量、热量和动量传递发生，设备放大后的温度场、浓度场、和压力场将随之发生变化[1]。因此催化剂合成放大过程中，必须考虑物料的混合过程，关键组分的混合是十分关键的环节。例如使用沉淀法制备超细粒子，盐溶液或醇盐溶液与沉淀剂的混合，若过快则肯定会有大颗粒生成，不能保证超细粒子的尺寸[2-4]；再例如采用极易水解的多种醇盐物料，若与沉淀剂迅速混合，则可能因其水解速度不同造成难于混合均匀或各自生成氧化物而难于复合[5]。此外，沉淀的生成或水解的发生可能会导致固体物料堵塞进料口，给生产操作带来不便。
为了解决此问题，本文设计了一种混合加料器，主口接主体混合料（例如沉淀剂）进料管，侧面的三个口接关键组分（一种或多种盐溶液或醇盐溶液）加料管，设定较高的速度比，使主体混合料的流速远高于关键组分的流速，这样在加料过程中实现了关键组分与其他物料的直接快速混合，一方面不会出现局部关键组分浓度过大，导致大颗粒沉淀或醇盐为混合均匀即自身团聚另一方面，主体混合料的高流速可以将生成的沉淀迅速带走，避沉淀堵塞进料孔的现象发生。
流体力学模拟软件Fluent[6]在流体流动混合模拟方面已经十分成熟，包括搅拌混合[7，8]，边界条件模拟[9]，喷嘴喷射[10]以及物质传递[11]等方面已经有了比较成熟的应用。因此我们使用Fluent进行物料混合模拟，以期为合成放大提供指导。我们利用FLUENT模拟混合器在加料时关键组分流股的形状，在不同流量下经过设计混合器后关键组分的在出料口的分布情况。
1 模型建立
首先我们进行3D模型的建立，模型的尺寸按照将要安装的1 m3的混合器进行1：1建模（图1），上口为混合料进料口，其直径为65 mm，而后通过两个半径为16.5 mm的导角连接一个高6 mm，直径为15 mm的圆柱形进料管，在进料管中间部分均匀分布三个直径为2 mm的关键组分进料管，下面连接一个管径23 mm，高8 mm的进料管。
2 网格划分
对建立的模型进行网格划分（图2），选择使用六面体网格进行的建立，在三个进口处适当进行网格加密，以使计算结果更加精确。网格划分结果为网格数量17435，节点数量19607，网格质量较好，平均值为0.92205（范围为0-1，越接近1代表网格质量越高）。
3 参数设置
将划分好的网格导入到FLUENT中，选择双精度求解器；将混合料进口设为inlet1，三个关键组分进口设为inlet2，下方出口设为outlet。求解器为稳态求解器；根据工艺参数（混合料入口流量10～30 m3/h，关键组分进口流量为200～500 L/h）计算在混合器中流动为湍流形式，因此选择k-ε的RNG方程，组分输运模型，在混合过程中忽略化学反应。混合料（如沉淀剂氨水）密度设为930 kg/m3，关键组分（如盐溶液MgCl2的乙醇-水溶液）密度为966 kg/m3，混合料与关键组分混合后的密度通过体积-重量混合法计算。重力方向为由inlet1指向outlet，大小为9.8 m/s2。
以混合料10 m3/h，关键组分500 L/h为例，说明边界条件的设置；inlet1设为质量入口，质量流率为972 kg/h，关键组分质量分数为0%，湍流强度为3.41%，湍流水力为1.05×10-3 m；inlet2設为质量入口，质量流率为482 kg/h，关键组分质量分数为100%，湍流强度为4.44%，湍流水力为7×10-5 m；出口则设为压力出口，表压0 kPa。求解方法选择默认设置。
4 结果与讨论
不同流量工况的流速和压力结果列于表1。关键组分分布的等高线图见图3-5。
图3是关键组分从三个进口进入混合器，经过与混合料混合作用后关键组分的流动轨迹；图4是关键组分从三个进口进入混合器后，完成混合后从出口流出时的分布情况。
关键组分从三个进口进入混合器后的运动方向均为进入混合器前垂直于重力方向，进入混合器后，被混合料的向下流动的作用而改变为重力方向，不同的进口流量表现在关键组分在进入混合器后在垂直于重力方向上前进的距离；其中混合料流量约为10 m3/h，关键组分500 L/h的工况中，关键组分在垂直重力方向上前进的距离最远，表现在图5上关键组分运动轨迹最宽，但是从图3的直观结果可以看出，即使是在垂直重力方向前进的距离最远的情况下，从三个进口进入混合器的关键组分的运动轨迹也没有发生重合。从图5上分析关键组分经过混合器在出口的分布，关键组分被均匀的分为三个部分；所计算的四种情况下，关键组分在出口最浓处的质量分数分别仅为17%、20%、9%、11%，说明关键组分与混合料的混合效果明显，没有出现关键组分高度集中的位置点。
5 结束语
本文利用流体力学计算软件FLUENT对关键组分混合进料器进行了模拟，模拟结果显示：在选定的工况极限内，没有出现关键组分进料后在混合器内关键组分的流股发生混合的现象，关键组分通过混合进料器进料后，与混合料的混合效果十分理想，模拟的结果印证了当初设计的设想，从计算模拟上肯定了所设计的催化剂制备合成时所用的关键组分加料混合器的可行性。
参考文献
[1] 张继光，催化剂制备过程技术（第2版），中国石化出版社，2011.
[2] 孙永明，钱运华，徐海青，超细氢氧化镁粉体的制备研究，应用化工，2009，38（2）：264-266.
[3] 郑翠红，谭杰，黄显怀，超细TiO2粉体光催化剂的制备，应用化工，2007，36（4）：342-344.
[4] 王志，刘恩利，左满宏等，超细二氧化锆制备与表征，工业催化，2008，16（8）：2325.
[5] Taramasso， M.，G. Perego，N. Notari. Preparation of porous crystalline synthetic material comprised of silicon and titanium oxides [P]. US，1983.
[6] ANSYS， ANSYS FLUENT Theory Guide[M].USA： ANSYS Inc.，2010.
[7] 方键，凌祥，桑芝富.顶入式与侧入式搅拌槽内混合特性的比较[J].南京工业大学学报（自然科学版）.2012，34（1）：35-40.
[8] 尹伟奇，曹秀芹，赵振东.桨叶安装角度对反应器内混合特性影响的模拟分析[J].北京建筑大学学报.2016，32（4）：33-38.
[9] 许小媛，于本成.基于Fluent 的复杂边界条件流动传热数值模拟[J].信息与电脑.2016， （1）：1-2.
[10] 罗静，曾国辉，李丙乾.基于FLUENT的喷嘴孔型两相流场模拟分析[J].组合机床与自动化加工技术.2016，（10）：44-47.
[11] 智瑞彩，韩丽，张傑.整体式催化剂催化过氧化氢异丙苯分解反应的模拟研究[J].工业催化.2014， （11）：885-889.