搅拌罐中对二甲苯结晶过程中的流体力学-动力学耦合作用：流动模式与涡旋结构的影响

《Chemical Engineering Research and Design》：Hydrodynamics–kinetics coupling in stirred-tank para-xylene crystallization: roles of flow pattern and vortex structure

　　

摘要

在机械搅拌结晶器中，流体动力学性能强烈影响着传质过程、过饱和度的演变以及结晶动力学，从而控制着晶体尺寸分布和固体悬浮行为。本研究通过数值模拟，考察了含有二元二甲苯混合物的搅拌罐中偏二甲苯的悬浮结晶过程，分析了三种不同的叶轮配置：推进式螺旋桨、六曲叶涡轮桨和涡流增强型涡轮桨。采用了一种基于瞬态计算流体动力学和平衡模型的方法，将欧拉-欧拉多相模型与基于矩积分法的平衡模型相结合进行模拟；叶轮的旋转通过多参考框架方法来表示。通过湍流动能和Q准则来表征流体动力强度和涡流结构，并将其与局部结晶及生长行为相关联。结果表明，六曲叶涡轮桨产生的循环和湍流强度最大，导致持续的结晶活动以及更小的晶体尺寸分布；而涡流增强型涡轮桨则创造了更加平衡的流体环境，具有更好的固体悬浮均匀性，并在后期促进了晶体生长，使得晶体尺寸较大且分布更窄。进一步分析表明，湍流强度和涡流结构在结晶调控中起着不同的作用。这些发现为搅拌结晶器中流体动力学与结晶动力学的耦合提供了机制上的理解，并为叶轮设计提供了指导，以实现晶体尺寸分布和悬浮均匀性的同时控制。

节选内容

引言

偏二甲苯（PX）是石化工业中的关键原料，它是生产对苯二甲酸（PTA）及其衍生产品（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）等上游物质的前体（Collias等人，2014年）。在工业上，高纯度的PX通常需要从混合的C8芳香烃（邻二甲苯、间二甲苯和乙苯）中分离出来，而基于结晶的分离方法仍是最重要的提纯途径之一（Borsos和Lakatos，2011年；Cai等人……）

几何模型

本研究使用的反应器和叶轮模型如图1所示，图中标注了各几何参数。该结晶器被设计为连续搅拌悬浮结晶器。进料口用于以指定的流速和温度将PX/间二甲苯（MX）混合溶液引入反应器，而出料口则用于连续排放浆料并控制压力。共使用了三种叶轮配置：推进式螺旋桨（PP）……

流场特性与涡流结构

如图4(a)所示，在推进式螺旋桨（PP）配置中，流速矢量的强度相对较弱，且较低区域存在较大的低速区，导致整体流场连续性不足（Lugo-Hinojosa等人，2025年）。相比之下，六曲叶涡轮桨（STP）和涡流增强型涡轮桨（VTP）配置产生了更强的径向流场和覆盖整个反应器高度的完整双环循环结构（Zhu等人，2019年）。流线分布更加清晰……

结论

本研究通过数值模拟系统地研究了偏二甲苯在搅拌结晶器中的流体动力学行为和结晶性能。比较分析了三种叶轮配置（推进式螺旋桨、六曲叶涡轮桨和涡流增强型涡轮桨）在流场结构、湍流特性、结晶动力学、晶体尺寸分布及固体悬浮行为方面的差异。通过结合流体动力学分析与平衡模型……

董佳宇：研究工作与概念设计。王思敏：数据可视化及监督。邓志成：写作、审稿与编辑；草稿撰写与方法学研究。王家瑞：研究工作与资金争取。张若晨：研究工作与形式分析。

作者声明：他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22308273）的支持。

邓志成 | 张若晨 | 王家瑞 | 董佳宇 | 王思敏西安交通大学化学工程与技术学院，中国西安710049