潛室對(duì)稀土萃取槽混合室流場特性影響的模擬分析

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

稀土有“工業(yè)味精”的美譽(yù)，在材料制備與加工中，添加稀土可提高產(chǎn)品性能，改善工藝條件[1]。萃取槽廣泛應(yīng)用于稀土生產(chǎn)中，是萃取分離的關(guān)鍵設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、級(jí)效率高、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。隨著稀土萃取行業(yè)的發(fā)展，我國對(duì)萃取槽混合性能的研究集中在混合室攪拌槳的結(jié)構(gòu)和尺寸[4]，對(duì)潛室研究較少，潛室能起到物料緩沖作用，增加兩相接觸時(shí)間，可提高混合效率。

由于實(shí)驗(yàn)原料昂貴、過程復(fù)雜且耗時(shí)長等不足，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助研究越來被重視，逐步成為研究流體力學(xué)的重要手段[5,6]。梁瑛娜[7]運(yùn)用CFD的方法，分析槳型與轉(zhuǎn)速對(duì)混合性能的影響。本文使用CFD軟件，分析四種不同潛室結(jié)構(gòu)對(duì)混合室流場特性的影響，進(jìn)行攪拌功率計(jì)算，以提高混合效率。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

以贛州某企業(yè)萃取槽為研究對(duì)象。本文主要研究潛室結(jié)構(gòu)對(duì)混合室混合特性的影響。混合室長550mm，寬550mm，有效液面高660mm，潛室高100mm；攪拌槳上兩層為平直葉槳，底層為渦輪槳，槳葉直徑170mm，槳葉層間距110mm，攪拌槳插入深度為40mm。四種潛室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四種潛室類型的混合槽結(jié)構(gòu)圖

1.2 參數(shù)設(shè)置

以稀土料液和P507作為工作介質(zhì)，模擬時(shí)料液用水代替，水為重相，P507為輕相，物料屬性如表1所示。

邊界條件設(shè)置：設(shè)定入口邊界條件為velocity inlet，出口邊界條件outflow，攪拌槳為運(yùn)動(dòng)壁面邊界，其他壁面為靜止邊界。根據(jù)式(1)得雷諾數(shù)Re為2882，處于湍流狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型與Mixture模型對(duì)混合室的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中水相注入速度為0.1m/s，有機(jī)相速度為0.2m/s，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min。

表1 物料屬性

1.3 方程計(jì)算

1）雷諾數(shù)Re：

d為槳葉直徑，m；n為轉(zhuǎn)速；ρ為密度，kg/m3；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s。

2）攪拌功率計(jì)算公式：

M為扭矩，N·m；n為攪拌槳轉(zhuǎn)速，r/min。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 混合槽的速度場分析

由圖2可以看出，四種潛室結(jié)構(gòu)的混合室內(nèi)部流場出現(xiàn)中軸對(duì)稱分區(qū)現(xiàn)象，軸心附近軸向速度極小，不利于混合室混合。圖2(a)中，隔板式結(jié)構(gòu)的混合室出現(xiàn)頂、中、底三個(gè)循環(huán)流；圖2(b)～2(d)三種結(jié)構(gòu)存在頂部和底部兩個(gè)循環(huán)流；循環(huán)流分區(qū)間交界處軸向速度為0，阻礙分區(qū)之間傳質(zhì)，不利于料液的混合，循環(huán)流的數(shù)量越少越好。

由圖2可以看出不同潛室結(jié)構(gòu)拋出物料的流速不同，管式結(jié)構(gòu)拋出的物料流速最快，而隔板式的拋出物料流速最慢。在一定范圍內(nèi)流速越快，物料循環(huán)越劇烈，越容易混合，混合效果越好。從流速方面看，管式結(jié)構(gòu)的混合效果最好，隔板式結(jié)構(gòu)的混合效果最差。

2.2 混合槽的壓力場場分析

圖2 四種潛室結(jié)構(gòu)的混合室中心截面速度矢量圖

圖3 四種潛室結(jié)構(gòu)的混合室中心截面壓力云圖

圖3中，四種潛室結(jié)構(gòu)的混合室中心截面壓力都是從攪拌槳中心到混合室壁對(duì)稱分布，壓力值由室壁向攪拌槳減小，越靠近攪拌槳壓力減小越快，在攪拌槳及抽吸孔附近出現(xiàn)負(fù)壓。負(fù)壓值影響混合室的抽吸能力，負(fù)壓越大，混合室的抽吸性能越好，越有利于料液混合。圖3(a)中，隔板式混合室的壁面周圍壓力最大，攪拌軸周圍負(fù)壓最小，攪拌槳的抽吸性能最差，不利于料液的混合；而圖3(b)～3(d)中三種結(jié)構(gòu)壓力相差很小，負(fù)壓由大到小為無隔板式、管式和V字式，所以無隔板式與管道式結(jié)構(gòu)的混合室抽吸性能較好，有利于混合室中料液混合。

2.3 速度曲線分析

圖4中，中心截面上的交線速度以攪拌軸為中心對(duì)稱，橫坐標(biāo)0為攪拌軸中心，275mm表示槽壁，軸向速度指向z軸為正，徑向速度攪拌軸中心指向四周為正，切向速度逆時(shí)針方向?yàn)檎D4中軸向速度最大為1m/s，切向速度最大為2.25m/s，徑向速度最大為0.5m/s，混合室底部的切向和軸向速度高于徑向速度，混合室底部以軸向流和切向流為主。

軸向速度越大，攪拌槳抽吸特性越好，越有利于料液混合。圖4(a)為四種結(jié)構(gòu)軸向曲線圖，無隔板式、V字式和管式三種潛室結(jié)構(gòu)的軸向速度曲線趨勢(shì)一致，軸向速度整體趨勢(shì)在0～50mm處附近緩慢上升，50～250mm軸向速度逐漸減小至0后反向增大，軸向速度的在近軸端和遠(yuǎn)軸端方向相反。而隔板式結(jié)構(gòu)的軸向速度在0～60mm增大，在60～140mm軸向速度先減小后反向增加，140～210mm中反向速度減小至0再正向增大，隔板式結(jié)構(gòu)軸向速度是正值-負(fù)值-正值的交替，出現(xiàn)中層循環(huán)流。在0～50mm（抽吸孔）處，軸向速度值大小依次是管式、無隔板式、V字式及隔板式。

切向速度越大，物料旋轉(zhuǎn)速度越大，不利于物料的混合。圖4(b)中四種潛室結(jié)構(gòu)的切向速度曲線一致性高，在70mm附近出現(xiàn)速度極值，因?yàn)闃~旋轉(zhuǎn)使槳葉末端產(chǎn)生最大的切應(yīng)力。最大切向速度值由大到小依次是無隔板式、V字式、隔板式及管式。

徑向速度越大，物料被拋向四周速度越大，越利于物料的混合。圖4(c)中無隔板式、V字式和管式的徑向速度曲線趨勢(shì)一致，且均為負(fù)值。在0～50mm處徑向速度接近為0，幾乎不做徑向運(yùn)動(dòng)；隔板式的速度在0～120mm內(nèi)先正后負(fù)，速度方向先指向壁面后指向軸心，存在循環(huán)流，不利于料液混合。徑向速度值由大到小是管式、無隔板式、V字式、隔板式。

綜上三相速度分析，管式潛室結(jié)構(gòu)的混合室中軸向速度最大，切向速度最小，徑向速度最大，混合效果最佳。

2.4 攪拌功率分析

攪拌功率反映了攪拌系統(tǒng)能耗的高低，是評(píng)價(jià)攪拌系統(tǒng)的重要參數(shù)。仿真計(jì)算通過仿真模擬得到數(shù)據(jù)，代入功率計(jì)算公式(2)求得計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖4 z=0.15m的截面與y=0m的中心截面的交線速度圖

從表2中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下四種結(jié)構(gòu)的攪拌功率相差較小，隔板式的攪拌功率最小，其抽吸壓力小，流速低，消耗能量少。其他三種結(jié)構(gòu)的攪拌功率隨抽吸負(fù)壓值的增大而減小，為保證料液的連續(xù)性，抽吸負(fù)壓小的要耗費(fèi)更多的能量完成抽吸。綜合抽吸流速和功率損耗兩方面考慮，管式結(jié)構(gòu)最佳，其抽吸流速大于其他三種結(jié)構(gòu)，且功率損耗不大。

表2 計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1）隔板式潛室在混合室中產(chǎn)生三個(gè)循環(huán)流，料液的流速慢，流動(dòng)性差，不利于物料在混合室的混合；管

【】【】式潛室的混合室料液流最快，流動(dòng)性好，有利于混合室的混合。

2）攪拌槳的負(fù)壓值越大，抽吸性能越好，有利于混合室的混合。無隔板式負(fù)壓最大、隔板式最小，管式混合室的負(fù)壓值略小于無隔板式負(fù)壓。

3）管式潛室的混合室流速大于其他結(jié)構(gòu)，功率損耗卻相差不大，輸入相同能量時(shí)，具有較高的混合效率，隔板式的攪拌損耗功率最小，但其抽吸壓力和流速很低；綜合抽吸流速和功率損耗兩方面考慮，管式潛室結(jié)構(gòu)最適合料液混合。

[1]徐光憲.稀土(第二版,下冊(cè))[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995.286-312.

[2]王春花,黃桂文,等.雙混淺層澄清室的混合澄清器研究[J].稀土,2007,28(2):60-64.

[3]趙秋月,張廷安,劉燕,等.攪拌對(duì)箱式混合澄清槽流動(dòng)性能的影響[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2012,33(4):559-562.

[4]孫會(huì),潘家禎.新型內(nèi)外組合攪拌槳的開發(fā)及流場特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(11):58-62.

[5]周國忠,王英琛,施力田.用CFD研究攪拌槽內(nèi)的混合過程[J].化工學(xué)報(bào),2003,54(7):886-890.

[6]SHARMA A,WAN S B,PAREEK V,et al. CFD modeling of mixing behavior of biochar particles in a bubbling fluidized bed[J].Chem.Eng.Sci,2014,106:264-274.

[7]梁瑛娜,高殿榮.雙層直斜葉及其組合槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(11):290-297.