第 29 卷 第 2 期

2014 年 4 月

天津科技大学学报

Journal of Tianjin University of Science & Technology

Vol. 29 No. 2

Apr. 2014

收稿日期：2013–09–07；修回日期：2013–12–26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21076157)

作者简介：付存然（1987—），女，河北石家庄人，硕士研究生；通信作者：沙作良，教授，zsha@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.2014.02.009

DTB 型结晶器高径比对流场影响的研究

付存然，沙作良，朱 亮，李福涛 (天津市海洋资源与化学重点实验室，天津市海洋化工与技术工程中心，

天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457)

摘 要：使用计算流体力学(CFD)的方法，对 DTB 型结晶器连续结晶过程中的流场进行了仿真模拟，得到了不同高

径比的 DTB 型结晶器中液相流场和固相体积分数的分布信息，通过对结晶器分区，考察了不同区域固相平均悬浮密

度的分布规律．结果表明：在相同的操作条件下，结晶器的高径比会影响液、固相的循环，产生不同的液相流场和固相

悬浮状态，从而影响结晶过程．

关键词：计算流体力学；DTB 结晶器；分区；悬浮状态

中图分类号：TQ019 文献标志码：A 文章编号：1672-6510(2014)02-0040-05

Study of the Effect of Height-diameter Ratio on the

Flow Filed in a DTB Crystallizer

FU Cunran，SHA Zuoliang，ZHU Liang，LI Futao

(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，Tianjin Engineering Center of Marine Chemical Engineering

and Technology，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，

Tianjin 300457，China)

Abstract：The hydrodynamic and solid suspension were simulated with Computational Fluid Dynamics(CFD)for a DTB

crystallizer with different ratios of height to diameter. The information about the fluid flow field and the distributions of the

crystals volume fraction was obtained. Crystal concentration distribution in different areas was analyzed，which could be

used for further modeling of the crystallization process. The results show that different ratios of the height to the diameter of

the DTB crystallizers under the same operating condition can affect the cycle of liquid and solid phase，and cause different

liquid flow fields and the state of suspension.

Key words：CFD；DTB crystallizer；partition；the state of suspension

DTB(draft tube baffle)型结晶器是 20 世纪 50 年

代末出现的一种效能较高的结晶器．目前，在美国、

日本等国，DTB 型结晶器为连续结晶器的主要型式

之一，可用于真空冷却法、蒸发法、直接接触冷冻法

及反应法的结晶过程[1]．但长期以来，人们对于 DTB

型结晶器结晶过程的研究主要集中在结晶动力学数

据方面，很少有人研究液相流场和固相悬浮状态对结

晶过程的影响，这主要是由于结晶器内多相流体系的

非线性、结晶的不均匀性和流域的多态性[2]很难通过

实验室模型获得液相流场信息和悬浮密度分布．而

晶体的成长速率很大程度依赖于结晶器内的液相流

场[3]；Sha 等[4]的研究证明，固相悬浮状态对结晶过程

也有很大的影响．因此，为能更加清楚地了解结晶过

程，考察结晶器内的液相流场和固相悬浮状态十分

必要．

计算流体力学(CFD)以计算机为工具，通过对流

体运动方程的数值解法研究流体在不同过程中的流

动状态及其对流动过程中所发生的传质、传热等过程

的影响，对多相流场进行模拟，并通过现代的作图手

段把过程的进程展现为可见过程，实现仿真模拟．所

2014 年 4 月 付存然，等：DTB 型结晶器高径比对流场影响的研究 ·41·

以，将 CFD 应用于化学工程的模拟中有很高的理论

价值和广泛的应用价值[5]，可以作为研究结晶过程中

液相流场和固相悬浮状态的有力工具[6–7]．

文中采用 CFD 商业软件 ANSYS，对同一结构不

同高度的 DTB 型结晶器进行模拟，通过对液相流

场、固相悬浮状态以及结晶器内不同区域中平均悬浮

密度分布规律的研究，考察结晶器高度对结晶器内流

体动力学和晶体分布的影响，为结晶器的设计和优化

提供理论依据．

1 模 型

实验使用欧拉–欧拉法，对一个液相和 5 个不同

尺寸的固相颗粒的多相流体系进行模拟．该方法将

液相和各固相均认为连续作用的相，各相之间发生相

互作用．根据欧拉-欧拉方程，多相流场中任意一相

质量平衡的连续性方程为

( ) ( ) 0t

α α α α αϕ ρ ϕ ρ∂ + ∇ ⋅ =∂

U (1)

式中：下标 α＝β、γ、…，分别表示连续相和各分散

相；φα 为第 α 相的相含率， 1αα

ϕ =∑ ；ρα 为密度，

kg/m3；Uα 是速度矢量，m/s；t 为时间，s；∇ 为散度．

描述流动速度的分布，可通过动量守恒定律来计

算，方程为

( )t

α α αϕ ρ∂ + ∇ ⋅∂

U

( )( )( )T

eff ,α α α α α α αϕ ρ μ⎡ ⎤⊗ − ∇ + ∇ =⎢ ⎥⎣ ⎦

U U U U

( ) ( )p

1

N

dp S cα α α α αβ β α

βϕ ϕ

=

− ∇ + + −∑ U U (2)

式中：μeff，α( α∇U ＋( α∇U )Τ)表示流体受到的剪应

力；pα 表示压力，Pa；Sα 为将传递方程写为通用形式

而产生的源相；NP 为相的个数；d 为颗粒直径，m；

( ) ( )p

1

N

dcαβ β α

β =

−∑ U U 为流体所受外力提供的动量，此外力

除搅拌桨提供的运动能量之外，主要指连续相与分散

相间的各种相互作用力，包括湍流阻力、曳力和形体

阻力等．为了简化模拟，仅考虑起主要作用的曳力，

相间曳力系数 ( )dcαβ 由式(3)估算．

( ) D3

4

d cc

dαβ β α β αϕ ρ= −U U (3)

系数 cD 可有多种模型，本研究中使用 Schiller 等

的模型[8]

( )0.687

D

24max 1 0.15 ,0.44c Re

Re

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

(4)

式(4)中雷诺数 Re被定义为

d

Reα β α β

α

ρμ−

=U U

(5)

工业结晶器内的流动状态一般是在湍流下进行，

流体的湍流特征可用 k–ε、k–ω 模型，以及雷诺剪应

力等湍流模型进行描述．一般认为标准 k–ε 模型[9]可

以满足工程流场计算的要求．根据标准 k–ε 模型，式

(2)中的涡流黏度项可表示为

ff , ,e Tα α αμ μ μ= + (6)

式中：μα为动力学黏度，Pa·s；μT,α为湍流黏度，Pa·s．

2

,TC

αα μ α

α

κμ ρε

= (7)

式中：Cμ 为常数；κα 为湍动能，m2/s2；εα 为湍动能耗

散，m2/s

3．

2 模 拟

结晶器的底部呈 W 型结构，内部设 4 个挡板，

进、出口均位于导流筒外部．搅拌桨由 4 个倾斜角为

60°的长方形平直桨叶组成．结晶器结构如图 1 所

示，具体尺寸见表 1．结晶器Ⅰ和结晶器Ⅱ的主要区

别是结晶器的高度不一样，因为高度的不同，导致进

出口长度的不同，其他条件是一致的．

(a) 固定部分

(b) 转动部分

图 1 DTB型结晶器的固定部分和转动部分的结构图

Fig. 1 The construction of the fixed part and the rotating

part of DTB crystallizer

·42· 天津科技大学学报 第 29 卷 第 2 期

表 1 DTB型结晶器的主要尺寸

Tab. 1 The main size of the DTB crystallizer

项目 结晶器Ⅰ 结晶器Ⅱ

结晶器高度/mm 360 245

结晶器直径/mm 234 234

导流筒高度/mm 105 105

导流筒直径/mm 136 136

挡板宽度/mm 20 20

进口管长度/mm 140 25

出口管长度/mm 265 150

进、出口管直径/mm 14 14

搅拌桨叶片长度/mm

搅拌桨叶片宽度/mm

52

23

52

23

为研究结晶器内不同区域中平均悬浮密度的分

布规律，模拟前需对结晶器进行合理分区．区域大小

的选择是一个关键，如果区域太大，此区域中晶体没

有达到完全悬浮；而区域过小时，此区域的结晶行为

与邻近区域类似，造成计算浪费．通过对悬浮状态模

拟结果的分析，可将结晶器分为大小不等的环状区

域．用距轴心分别为 68、97,mm 的曲面，和距结晶器

底部分别为 40、70、145、245,mm 的水平面将结晶器

Ⅰ分为 15 个环状区域；同理，用距轴心分别为 68、

97,mm 的曲面，和距结晶器底部分别为 40、70、

145,mm 的水平面将结晶器Ⅱ分为 12 个环状区域，

如图 2 所示．

图 2 结晶器分区示意图

Fig. 2 The schematic diagram of the zoning of the crystal-

lizer

基于多相流的连续介质模型，将固相视为拟流

体，液相设视为连续相[9]．固相密度为 1,984,kg/m3，

黏度近似为 0 ；液 相 密 度 为 997,kg/m3 ，黏度 为

8.899×10-4,

Pa·s．在一般结晶过程中，不同粒度的晶体

在结晶器中的分布呈近似的正态分布[9]，因此对于目

标粒度为 0.5,mm 的冷却连续结晶过程的模拟可以依

据正态分布进行假设，模拟中使用 5 个特征尺寸的固

相作为不同的分散相，设定结晶器中考虑的晶体的尺

寸范围为 0.1～1.0,mm，在这范围之中粒度为 0.1、

0.3、0.5、0.7、1.0,mm 的固相的体积分数分别为 1%、

2%、4%、2%、1%．

模拟基本参数的设定如下：搅拌桨搅拌速度

400,r/min；进口固液体系流速 0.3,m/s；进口固相的体

积分数 10%；进口液相的体积分数 90%；出口压力恒

定，相对大气压力为 0．

3 结果与讨论

3.1 不同高径比的 DTB结晶器液相流场的特征

结晶器Ⅰ的液相流场分布如图 3 所示．由图 3

可以看出：在导流筒附近明显存在着流体循环．在导

流筒内，靠近导流筒壁的小部分流体向上升，靠近搅

拌桨轴的大部分流体向下降；而导流筒外，流体的整

体趋势是向上的．在导流筒内，紧贴内壁区域的流体

速度明显大于周围的流体速度．

图 3 结晶器Ⅰ的液相流场分布图

Fig. 3 The liquid flow field distribution of crystallizer Ⅰ

在液相流场中出现了大小不同的漩涡，几个比较

明显的漩涡见图 3 中的放大图．在导流筒与结晶器

壁面形成的环隙区域，且靠近导流筒入口处的低速流

体，由于受到了从导流筒上端喷射出的高速流体的影

响，形成了边界层分离，因此形成了漩涡 1；在导流筒

上方，由于速度较大的流体突然摆脱了导流筒的束

缚，受搅拌桨的离心作用减弱，重力作用增强，从而

流动方向发生改变，形成了漩涡 2；在搅拌桨尖端附

近，由于很强的离心作用，流体流速很大，流体一部

分与搅拌桨和导流筒空隙间的低速流体相遇，形成了

2014 年 4 月 付存然，等：DTB 型结晶器高径比对流场影响的研究 ·43·

漩涡 3；另一部分则从导流筒的下端被甩出，在结晶

器底部，形成了漩涡 4．

结晶器Ⅱ的液相流场分布如图 4 所示．对比图 3

与图 4 可以看出：结晶器Ⅰ比结晶器Ⅱ顶部多出来的

液相流场，流速明显较低；两个结晶器内漩涡的大小

和位置稍有差异，相对于结晶器Ⅰ，结晶器Ⅱ中的漩

涡 1 比较弱，而漩涡 4 比较强，且漩涡 4 更偏向结晶

器壁面．

图 4 结晶器Ⅱ的液相流场分布图

Fig. 4 The liquid flow field distribution of crystallizer Ⅱ

3.2 不同高径比的 DTB 结晶器中不同粒度的固相

悬浮状态的比较

图 5 为结晶器Ⅰ(左图)和结晶器Ⅱ(右图)中，不

同粒度晶体混合模拟后得到的不同粒度的固相体积

分数的分布图．由图 5 可以看出：(1)固体颗粒由于

受到液相流场的影响，在结晶器内呈现出固相整体分

布不均匀的特征；由于受到漩涡的影响，漩涡中心的

液固相因离心力的作用，大部分被甩向漩涡边缘，形

成局部固相低浓区域，而漩涡边缘部分液体的流速相

对较低，固相在这里富集，形成局部固相高浓区

域．(2)同一结晶器中，固相粒度越小，分布越均匀；

相反，固相粒度越大，分布越不均匀．在相同的流场

下，不同粒度的固体颗粒，会呈现出不同的悬浮状

态，因此在一定的操作条件下，结晶器内不同位置会

形成不同粒度分布的晶体产品．(3)结晶器的高径比

越大，结晶器上部出现的细晶越多，而且轴向上大颗

粒固相的体积分数的波动性越大，晶体产品的粒度分

布对出料口位置越敏感．

(a) 0.1,mm

(b) 0.3,mm

(c) 0.5,mm

(d) 0.7,mm

(e) 1.0,mm

图 5 结晶器Ⅰ(左图)和结晶器Ⅱ(右图)中不同粒度的固

相体积分数分布图

Fig. 5 The crystal volume fraction distribution of particles

of different size in crystallizerⅠ(left) and crystal-

lizerⅡ(right)

3.3 不同高径比的 DTB 结晶器中固相的平均体积

分数沿轴向和径向分布的比较

将结晶器Ⅰ、Ⅱ中，到轴心距离相同，而到结晶

器底部距离不同的区域固相平均体积分数的分布绘

制成折线图，如图 6 所示．

从图 6 可以看出：(1)在结晶器Ⅰ和结晶器Ⅱ

中，到轴心距离分别为 97,mm 和 117,mm 的区域，固

·44· 天津科技大学学报 第 29 卷 第 2 期

相颗粒体积分数随着高度的增加而逐渐减小，而到轴

心距离为 68,mm，到底部距离为 70,mm 的区域，因受

搅拌桨离心力的影响，固相体积分数很低．(2)在结

晶器Ⅰ中，距离轴心为 68,mm 的区域底部，固相颗粒

体积分 数最高 ；而 在 结 晶 器Ⅱ中 ，距离轴心为

117,mm 的区域底部，固相颗粒体积分数最高，这主

要是由结晶器Ⅰ、Ⅱ底部两个漩涡位置差异导致的；

除结晶器底部外，结晶器Ⅰ、Ⅱ中其他区域越靠近结

晶器壁面，固相体积分数越高．(3)结晶器的高径比

越大，沉积在结晶器底部的颗粒越多，而悬浮在结晶

器顶部的颗粒越少，悬浮密度的均匀程度就越差，从

而影响晶体的成核和生长过程，不利于得到粒度分布

均匀的晶体产品．

图 6 不同高径比的 DTB 结晶器径向距离相同而轴向高

度不同的区域中固相平均体积分数的分布

Fig. 6 The local area volume fraction distribution of

identical radial distance and different axial height

in a crystallizer with different ratios of height to

diameter

4 结 论

通过对相同操作条件下同一结构不同高径比的

DTB 型结晶器中流场的模拟可知：高径比对结晶器

内液相流场的循环有很大影响，进而使得固相体积分

数的分布也有很大差异；高径比越大，各粒度的固相

沿轴向的分布越不均匀，因而晶体产品的粒度分布对

出料口的位置越敏感；高径比越大，晶体的悬浮状态

越不理想，对结晶过程越不利，影响晶体产品粒度分

布的均匀性．所以，结晶器的高度是晶体粒度控制的

影响因素之一，在结晶器的设计与优化中应予考虑．

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责任编辑：周建军