基于ANSYS Workbench和FLUENT的超臨界二氧化碳萃取釜流場模擬及其結構改進

郭建章，趙 鵬，王威強

（1青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061；2山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061）

研究開發

基于ANSYS Workbench和FLUENT的超臨界二氧化碳萃取釜流場模擬及其結構改進

郭建章1，趙 鵬1，王威強2

（1青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061；2山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061）

傳統超臨界萃取釜的不足主要表現在：萃取筐占據筒體容積，造成萃取釜空間利用率降低；萃取筐與筒體內壁存在間隙，造成傳質、傳熱效果不良。本文對萃取釜進行結構改造，采用雙封頭結構，封頭上設置篩網，采用徑向進氣方式。利用ANSYS Workbench及FLUENT軟件，模擬了改進結構在空載和裝料兩種情況下的溫度場和流場，對比分析了兩種情況下的溫度場和流場。比較結果說明，改進后的萃取釜結構不僅提高了萃取釜的空間利用率，而且改善了萃取釜的溫度場均勻性，萃取釜的流場均勻性也有提高。

ANSYS Workbench；FLUENT；萃取釜；流場模擬；結構改進

目前，超臨界流體萃取技術在基礎理論研究、工藝試驗、設備設計和工業化等方面均取得了較大的發展，廣泛地應用于食品[1-3]、生物醫藥[4-5]、石油化工[6-7]等諸領域。二氧化碳因其特殊性質使超臨界二氧化碳萃取成為獲得高品質產品的最有效方法之一，受到國內外研究者的廣泛關注和研究[8]。

1 傳統萃取釜

萃取釜是超臨界二氧化碳萃取的主要設備，國內傳統萃取釜一般為空心帶萃取筐容器（圖1）[9]。

萃取筐為雙層結構，內層為金屬過濾網，起到隔離物料的作用，萃取筐外層為帶孔眼圓筒，起到剛性支持的作用。這種結構能夠防止物料堵塞管路，又能方便裝卸物料，但顯然存在以下不足。

（1）萃取筐的使用減少了裝料量，降低了萃取釜空間利用率。以本文介紹的萃取釜（內徑58 mm，釜體內部高度 380 mm）為例，萃取筐尺寸為內徑50mm，高度為340 mm，體積比為66.5%，即萃取筐的使用使得萃取釜的利用率降低了33.5%。

（2）萃取筐與萃取釜內壁存在間隙，若密封不良，極其容易發生壁流現象，使得流場分布均勻性變差，影響萃取效果。同時，萃取筐的存在使得物料與設在萃取器釜體的夾套間的換熱效率降低，溫度場分布不均。

（3）由于萃取筐密封的存在，使得萃取筐不易裝卸，特別是密封圈發生溶脹后，萃取筐較難卸載。

圖1 傳統萃取筐結構示意圖

2 萃取釜結構改進

基于上述問題，本文作者對萃取釜的內部結構作了改進（圖2、圖3）：在釜體頂端和底端設置同樣的快開裝置，在兩端封頭上設置篩網，改軸向進氣為徑向進氣，并在封頭上設置流體通道。改進的結構有如下優點。

（1）封頭篩網的設置，不僅能有效防止物料被吹出或落入管道堵塞管路，而且使得萃取釜的空間能夠得到100%利用。

（2）物料直接裝入釜體，與釜體壁直接接觸，有利于換熱，使得溫度場分布均勻。

（3）釜體兩端設置快開裝置，方便裝卸物料。裝載物料時，僅需安置好底端快開裝置，由頂端加入物料即可。卸載物料時，僅需打開底端快開裝置，物料由釜體內自然落下。

（4）徑向進氣和流通通道的設置，能夠有效降低軸向進氣造成的速度場不均勻。

（5）篩網的尺寸小，易于更換，可根據物料粒度不同更換不同目數的篩網。

圖2 改進結構圖

圖3 改進結構封堵3D圖

3 改進結構的流場模擬

ANSYS作為較為流行的有限元分析軟件，新推出的13.0版本中Workbench工作環境具有很強的幾何建模能力和網格劃分能力，并能夠與FLUENT等CFD軟件完美結合，實現CAD到CFD的協同工作。本文作者基于ANSYS Workbench工作環境，采用 FLUENT對改進萃取釜的內部流場進行模擬分析，從而為超臨界流體萃取釜的改進提供指導和依據。

圖4 改進結構建模

圖5 改進結構網格

圖6 空載時流體速度云圖

圖7 空載時進口處流體速度云圖

圖8 空載時流體溫度云圖

圖9 空載時進口處流體溫度云圖

圖10 裝載時流體速度云圖

圖11 裝載時進口處流體速度云圖

圖12 裝載時流體溫度云圖

圖13 裝載時進口處流體溫度云圖

3.1 Workbench建模及網格劃分

在Workbench中，用Geometry組件完成流體域部分的建模（圖4），流域的基本尺寸如下：萃取釜內徑58 mm，中間段圓柱體長度380 mm；進出口管內徑4 mm，進出口管軸向距離412 mm；環形流道外徑65 mm，內徑60 mm，高度10 mm；兩端圓柱直徑 50 mm，高度 12 mm（包含濾網厚度 2 mm）。對于該結構須采用3D建模，因設備裝配產生的縫隙都予以忽略。

利用Mesh組件完成入口、出口、壁面定義與網格劃分（圖5），采用四面體非結構性網格，并在進出口處進行網格加密，生成節點數 48318，單元數98508，最大偏斜率0.848在可接受范圍。

3.2 FLUENT模擬

3.2.1 空載模擬

根據實際情況，設定入口類型為壓力入口，給定入口壓力30 MPa，入口溫度313 K，設定湍流強度5%和水力直徑4 mm；設定出口采用壓力出口，給定出口壓力0，出口溫度313 K，設定湍流強度5%和水力直徑4 mm；設定壁溫323 K；設定濾網處截面類型為 porous-jump。湍流黏性采用標準k-ε模型，采用 SIMPLE算法進行壓力和速度解耦。

為便于顯示流體速度的變化情況，在改進結構的適當位置作參考面，垂直于x軸，截取入口管剖面x=0、出口管剖面x=412 mm，距離釜體圓柱部分起始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm分別截取4個參考面；垂直于y軸，截取剖面y=0。

模擬得到空載情況的流體速度云圖和溫度云圖見圖6～圖9。由圖6、圖7中看出，在進口處受到流道結構的影響，流體速度在進出口處發生顯變化，流體速度迅速衰減。流體速度在釜體內變化不大，速度較為穩定。由圖8、圖9中看出，流體溫升較小，明顯存在溫度梯度。

3.2.2 裝載物料模擬

設定中間圓柱段流體類型為Porous-Zone，其它設置與空載模擬設置相同。

模擬得到改進結構的流體速度云圖和溫度云圖見圖10～圖13。由圖10、圖11中看出，在進口處受到流道結構的影響，流體在進出口處速度變化明顯。流體在釜體內的速度變化不大，速度較為穩定。由圖12、圖13中看出，進口處溫度變化劇烈，特別是在過濾網處，明顯存在溫度梯度。流體進入釜體后，溫度穩定，無明顯溫度梯度。

4 兩種情況模擬結果參數對比分析

為便于顯示各參數的變化情況，在結構的適當位置作參考線。在距離釜體圓柱部分開始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm的4個參考面上，沿z軸各取1條參考線。觀察并比較兩種情況下4條參考線上的速度分布和溫度分布（圖14～圖21）。

4.1 流速對比

圖14 0 mm處流速分布

圖15 100 mm處流速分布

圖16 200 mm處流速分布

由圖14～圖17中可看出，空載情況下流體流速較裝載情況下的流體流速大，兩者總體呈現平穩趨勢。在空載情況下，隨著攀升高度增加，流體度總體減小。速度峰值先由雙峰偏向左側，并由雙峰逐漸轉變為單峰，隨后峰值又逐漸向右側轉移，在偏移過程中單峰又逐漸分裂為雙峰，流體流動中存在明顯波動。在裝載情況下，速度峰值初始時為不太明顯的雙峰，隨后峰值逐漸減小，左峰首先衰退，右峰隨即減小，最后雙峰消失，流速趨于平穩。相比而言，裝載情況下的流體流動較為平穩，波動較小，流體速度總體趨于平穩。

4.2 溫度對比

由圖18～圖21中看出，空載情況下流體溫度較裝載情況下的流體溫度有明顯差距。在空載情況下，流體與釜體間的換熱效果不良，流體溫度偏低，但除了近壁面處溫度存在梯度，溫度較為平穩，其值穩定在315～316 K。相比下，裝載情況下的流體換熱效果良好，流體溫度在100 mm處已經完全達到設定的壁溫，溫度分布十分均勻。這也證實了，萃取筐與釜體間的不良接觸必然會造成萃取釜內溫度分布不均勻。

圖17 300 mm處流速分布

圖18 0 mm處溫度分布

圖19 100 mm處溫度分布

圖20 200 mm處溫度分布

圖21 300 mm處溫度分布

5 結 論

基于ANSYS Workbench和FLUENT模擬軟件，通過利用 FLUENT對改進結構載空載和裝載兩種情況下萃取釜內部流場進行模擬，得到操作工況下萃取釜內任意點的流速細節信息，而這些是難以通過實驗方法得到的。這不僅有利于對設備結構進行優化設計和性能評估，也對研究開發新型超臨界設備有重要指導意義。通過對比分析模擬結果，得到如下結論：①改進結構較萃取筐結構提高了萃取釜的空間利用率；②改進結構的換熱效果良好，溫度場分布均勻；③改進結構的流場分布較均勻。

[1] 麻成金，張永康，馬美湖．微波和超臨界CO2萃取杜仲籽油工藝研究[J]．食品科學，2006，27（6）：131-135．

[2] 劉玉梅，顧小紅，湯堅．超臨界萃取啤酒花浸膏及其萃余物中多酚化合物提取的研究[J]．食品科學，2006，27（9）：155-158．

[3] 王吉壯，楊晉，趙鵬．均勻設計優化超臨界CO2提取含原花青素的葡萄籽油[J]．中國油脂，2009，34（7）：8-11．

[4] 林敬明，吳忠．超臨界CO2流體萃取草豆蔻揮發油成分分析[J]．中藥材，2000，23（2）：89-91．

[5] 谷玉洪，羅濛，徐飛等．超臨界CO2提取蜂膠中總黃酮的工藝研究[J]．中草藥，2006，37（3）：380-382．

[6] 王仁安，胡云翔，許志明．超臨界流體萃取分餾法分離石油重質油[J]．石油學報：石油加工，1997，13（1）：53-59．

[7] 魏國峰，王碩．綠色分離技術及其在精細化工中的應用[J]．現代化工，2006，26（s2）：368-370．

[8] Guo Jianzhang, Zhao Peng, Wang Weiqiang. Process of Supercritical CO2Extraction and Improved Design of Extraction Equipment[J].Advanced Materials Research，2011，221：505-510．

[9] 李昶紅，李薇，李旭紅，等．超臨界二氧化碳萃取中試裝置的工藝改進[J]．化工進展，2004，23（11）：1248-1251．

Flow field simulation of supercritical carbon dioxide extractor based on ANSYS W orkbench and FLUENT and its structure im provement

GUO Jianzhang1，ZHAO Peng1，WANG Weiqiang2
（1School of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061，Shandong，China；2School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061，Shandong，China）

The shortcom ings of the traditional supercritical carbon dioxide extractor are as follows: low space utilization ratio of the extractor ow ing to the extraction basket occupying the cylinder volume; bad mass transfer and heat transfer ow ing to the gap between extraction basket and cylinder wall. Aiming at the shortcomings, the extractor structure was improved. Double head structure and radial inlet way were adopted, and a filter screen was set up on the head. Based on ANSYS Workbench and FLUENT, the flow field and temperature field of the improved extractor was simulated at both load and zero load. The simulation results were compared in different situations. The results showed that the improved structure promoted the space utilization ratio and improved the uniform ity of flow field and temperature field.

ANSYS Workbench；FLUENT；extractor；flow field simulation；structure improvement

TQ 052.4

A

1000–6613（2012）09–1914–06

2012-03-15；修改稿日期：2012-04-06。

及聯系人：郭建章(1969—)，男，副教授。E-mail guojzqd@163.com。