Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2026
Ключевые слова: numerical simulation, computational fluid dynamics, petrochemical fluid, blade impeller, blade geometry optimization, turbulent flow, mixture homogenization, rheological property, equipment wear, численное моделирование, вычислительная гидродинамика, нефтехимическая жидкость, лопастная мешалка, оптимизация геометрии лопасти, турбулентный поток, гомогенизация смеси, реологическое свойство, износ оборудования
Аннотация: Перемешивание высоковязких нефтехимических жидкостей относится к числу наиболее сложных и энергоемких технологических процессов. Эффективность работы простых и надежных лопастных мешалок в таких условиях снижается из-за образования застойных зон, низкой скорости гомогенизации, повышенного износа оборудования и значительных энергозатрат. Особенно остро эти проблемы проявляются при переработке тяжелых нефтяных фракций и полимерных растворов, поэтому поиск путей совершенствования конструкции мешалок остается актуальной инженерной задачей. Цель исследования - оценить влияние геометрии лопастей на гидродинамические характеристики процесса перемешивания и определить параметры, обеспечивающие повышение эффективности эксплуатации оборудования. Для рабочей зоны создана трехмерная модель, учитывающая реологические свойства жидкости, турбулентное течение и динамику гомогенизации. Геометрическая модель мешалки создана в системе автоматизированного проектирования «КОМПАС-3D», а численные расчеты выполнены в модуле вычислительной гидродинамики SOLIDWORKS Flow Simulation с использованием k-ε-модели турбулентности. Оптимизация конструкции проводилась путем изменения угла наклона лопастей в диапазоне 0,524-1,047 рад. Для анализа полученных результатов предложена полиномиальная аппроксимация зависимостей времени гомогенизации, касательных напряжений и удельных энергозатрат от геометрических параметров мешалки. Установлено, что увеличение угла наклона лопастей сокращает время достижения однородности смеси с 324 до 192 с и снижает среднее значение касательных напряжений с 80 до 60 Па. При этом удельные энергозатраты возрастают лишь на 0,02 МДж/м3, что не оказывает существенного влияния на энергоэффективность процесса. Полученные результаты могут использоваться при модернизации существующих лопастных мешалок для повышения их производительности, сокращения продолжительности технологического цикла и снижения эксплуатационных затрат в нефтехимическом производстве. Mixing of high-viscosity petrochemical fluids is among the most challenging and energy-intensive industrial processes. The performance of simple and reliable blade impellers in such conditions decreases due to stagnant zones, low homogenization rates, increased equipment wear, and high energy consumption. These problems are particularly acute in the processing of heavy petroleum fractions and polymer solutions; therefore, improving impeller design remains a pressing engineering task. The objective of this study is to investigate the effect of blade geometry on the hydrodynamic characteristics of the mixing process and to identify the parameters that ensure higher operational efficiency. A three-dimensional model of the working zone has been developed, accounting for the rheological properties of the fluid, turbulent flow, and homogenization dynamics. The geometric model of the impeller was created in the KOMPAS-3D computer-aided design system, and numerical calculations were performed using the SOLIDWORKS Flow Simulation computational fluid dynamics module with the k-ε turbulence model. Geometry optimization was conducted by varying the blade pitch angle of 0.524-1.047 rad. To analyze the results obtained, a polynomial approximation is proposed for the relationships between homogenization time, shear stresses, and specific energy consumption versus the impeller geometric parameters. It was found that increasing the blade pitch angle reduces the time to reach mixture homogeneity from 324 to 192 s and lowers the average shear stress from 80 to 60 Pa. At the same time, the specific energy consumption increases by only 0.02 MJ/m3, which does not significantly affect the energy efficiency of the process. The results can be used in the modernization of existing blade impellers to increase productivity, shorten the process cycle, and reduce operating costs in petrochemical production.
Журнал: Территория Нефтегаз
Выпуск журнала: № 7-8
Номера страниц: 70-77
ISSN журнала: 20722745
Место издания: Москва
Издатель: ООО "Камелот Паблишинг"