檔板結構對重稀土圓筒式萃取槽三維流場的影響

逄啟壽，萬福興，王高平

(江西理工大學機電工程學院，江西 贛州 341000)

稀土混合澄清槽是實現相與相之間的混合和澄清的設備，包括混合室和澄清室.混合室用于料液的攪拌與混合，使料液更加充分的接觸，便于兩相之間的傳質；澄清室可以讓兩相靜置后分層.目前，國內外所采用的稀土萃取槽大多為方形萃取槽[1]，但方形萃取槽在四角區域的流體容易出現“打旋”現象，在四角位置形成混合死區，對料液的混合不利.而圓筒式萃取槽內流體均在進行有效流動，其流動性相比于方形萃取槽更好.現國內外學者主要以改變萃取槽結構為研究方向，已有學者研究攪拌槳形狀、攪拌槳離底高度以及攪拌槳轉速對于稀土萃取槽混合室混合效率的影響.其中，馮羽生等[2]對圓筒式萃取槽攪拌槳離底高度與攪拌槳轉速進行了相關研究，得出安裝高度為50 mm、轉速為260～340 r/min時效果最好.龔姚滕等[3]以某方形萃取槽為研究對象，對多種攪拌槳形式進行了研究，對比分析了各類攪拌槳的優缺點.目前國內外學者對于萃取槽攪拌槳的研究已較為成熟，但對于槽體結構的研究較少.本文在先前學者對于攪拌槳的研究的基礎上[4]，通過在圓筒式萃取槽混合室內壁增加擋板對稀土萃取槽進行結構改進，借助有限元軟件對混合室內流場進行模擬，研究擋板寬度以及擋板傾角對稀土萃取槽混合室內兩相混合效率的影響.

具體地，以贛州某企業生產線上的無前室重稀土圓筒式萃取槽作為研究對象，在穩定流場的基礎上，對3種不同擋板寬度下料液的混合過程進行仿真模擬；利用示蹤劑法來觀察萃取槽混合室內料液的混合情況，通過各個監測點的濃度變化，計算出萃取槽混合室的攪拌混合時間[4]；根據不同擋板寬度下流場的變化，得出擋板的最優參數，以期為改良稀土萃取設備提供一定的理論指導.

1 模型建立

以贛州某企業生產線上的無前室小型重稀土圓筒式萃取槽中的混合室為分析對象，該圓筒式稀土萃取設備主要針對重稀土鏑、鋱的分離提純而設計.外形為圓筒式的混合室和澄清室，混合室的料液由頂部和側面的管道流入，該重稀土生產線是由多級混合室和澄清室一起串聯而成.其整體結構是由PVC板焊接而成，內部相關參數尺寸如圖1(a)所示，深度為300 mm，外徑為200 mm，內徑為180 mm，筒的總容積約為 7 L，有效液面高度為200 mm，有效液體體積約為5 L.混合室內的攪拌槳采用企業現在使用的單層梯形攪拌槳，攪拌槳直徑為16 mm，根據實際生產安裝情況以及參考攪拌槳研究的相關文獻，選擇攪拌槳轉速為290 r/min，攪拌槳底部距離筒底的高度為15 mm，擋板均勻分布于槽內部，萃取槽混合室三維模型如圖1(b)所示.

圖1 小型重稀土圓筒式萃取槽混合室(單位：mm)Fig.1 Mixing chamber of small cylindrical extraction tank for heavy rare earth elements (unit:mm)

2 數值模擬參數及方法介紹

2.1 相關物質參數

運用Fluent中兩相流模型的混合模型對混合室進行仿真分析.將水相和有機相P507的混合料液作為萃取槽混合室中的工作介質，設置第一相為水溶液，第二相為P507有機溶液，模擬重稀土萃取混合過程，研究其內部流場特性[5].相關工作介質參數如表1所示.

表1 介質物性參數Tab.1 Physical parameters of the medium

然后在穩定流場的基礎上，將Fluent中的穩態求解更改為瞬態求解，利用示蹤劑法加入示蹤劑(仿真時料液與示蹤劑設置為不同的顏色)，利用組分傳輸模型，通過觀察和分析各個監測點處示蹤劑的濃度變化來反映稀土萃取槽混合室料液混合均勻的時間.所選擇示蹤劑為NaCl，其可與穩態下的工作介質互溶，其相關屬性如表2所示.

表2 NaCl示蹤劑相關屬性Tab.2 Related properties of NaCl tracer

2.2 數值模擬過程

本研究采用仿真軟件，根據流體力學理論和計算方法選擇合適的數學模型.在進行稀土萃取槽混合室內部流場特性分析時，選用的流體計算模型為湍流模型、多相流模型和多重參考系模型，該階段不涉及質量傳遞方程；在萃取槽混合室內部流場穩定后通過研究示蹤劑在其內部流體中的擴散現象來反映料液的混合效果，分析示蹤劑濃度隨時間的變化規律，利用示蹤劑濃度場來判斷混合室內料液的混合時間；該階段選用的計算模型為組分傳輸模型.

在不同計算階段選擇相應的數學計算模型后，依次進行流體區域的網格劃分、計算域和邊界的處理、仿真計算模型的設置等步驟.

2.3 仿真計算模型設置

導入相應的稀土萃取槽混合室的計算域網格后進入Fluent進行相應的參數設置.設置如下：

1) 基于不可壓縮的多相流混合模型，選擇基于壓力的解算器.

2) 選擇計算模型類型為多項混合模型，定義第一相為水溶液，第二相為P507有機溶液,假定料液處于完全湍流運動.

3) 攪拌槳轉速為290 r/min.

4) 設置其他邊界為無滑移靜態邊界.

3 仿真結果分析

3.1 不同擋板寬度下的流場特性分析

針對小型重稀土圓筒式萃取槽混合室內不同寬度的擋板對混合室內流場的影響進行仿真計算，分析在不同寬度的擋板下混合室內速度場和湍動能的變化情況，得出該型萃取槽混合室內的合理擋板寬度范圍.該型萃取槽混合室內有3塊厚度為10 mm的直擋板垂直均勻分布于筒的內壁.由于該型萃取槽混合室的內徑為180 mm，攪拌槳槳葉下端面寬度和槳軸直徑之和約為96 mm，考慮到擋板寬度過大，會導致槳葉端部與擋板之間流體的流動間隙很小，嚴重影響萃取槽混合室內流體的流動，故選取擋板寬度L(擋板端部至筒內壁距離)的范圍為5～30 mm，對該區間的擋板寬度L進行五等分取點的仿真分析.

3.1.1 速度場分析

為了更加清楚地觀察重稀土圓筒式萃取槽混合室內流體的速度(v)分布情況，故選取混合室內的中心截面、距筒底55 mm(攪拌槳中部)處的橫截面的速度云圖和離筒底高度15 mm處的速度云圖進行對比分析.圖2為重稀土圓筒式萃取槽混合中心截面的速度云圖(擋板在右側).

圖2 不同擋板寬度在中心截面處的速度云圖Fig.2 Velocity cloud of central section with different baffle widths

由圖2可知：1) 攪拌槳槳葉端部的速度明顯大于周圍的速度，且呈現出速度大小由槳葉端部向筒壁減小的趨勢；重稀土圓筒式萃取槽混合室內混合液底部和頂部的速度較大，攪拌槳的軸附近混合液的速度較小，趨勢為由軸到攪拌槳端部區域速度由小到大.2) 隨著擋板寬度L的增加，筒壁附近的混合液速度減小，且筒壁附近混合液速度較大的區域面積也在減小，能使混合液各區域的流速分布更均勻，混合更充分.3) 隨著檔板寬度的增加，混合室內的混合液速度減小，一方面，減小了混合液對筒壁的作用，可適當延長萃取槽混合室的使用周期，減小設備維護成本[6]；另一方面，流速過小會影響萃取槽混合效率.具體地，當L=20 mm和L=25 mm時，萃取槽混合室內混合液速度分區較均勻；當L=30 mm時，因為擋板與攪拌槳端部間的間隔過小，筒內混合液除攪拌槳區域外的液體速度很小，液體的流動較微弱，對液體的混合不利，影響兩相之間的傳質[7].

圖3為不同擋板寬度在離筒底高度55 mm處的速度矢量圖.由圖3(a)所示，重稀土圓筒式萃取槽混合室中的流體未出現“打漩”現象和攪拌“死角”，但出現了以攪拌軸為中心的“中心回轉區”，導致混合室內大量流體只能在攪拌葉外圍區域流動，無法進入槳葉攪拌區域，從而導致混合室內料液的攪拌效果較差.如圖3(b)～(d)所示，隨著擋板寬度L從10 mm增加到20 mm，抑制了流體的切向流，流體的圓周運動有相應減弱.如圖3(e)和(f)所示，隨著擋板寬度L的繼續增加，擋板與筒壁相連處的“混合死區”范圍也在逐漸增大，尤其是擋板寬度L超過20 mm時，筒內流體在擋板與筒壁相連處出現了較為明顯的“混合死區”現象，不利于混合室內流體的混合.相較而言，當擋板寬度L∈[10,20]時，混合室內流體未出現攪拌“死角”與“混合死區”，且流體的圓周運動有所減弱，有利于混合室內的流體進行有效混合.

圖3 不同擋板寬度下在離筒底高度55 mm處的速度矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram of different baffle widths at the height 55 mm from the bottom of the cylinder

3.1.2 混合時間分析

不同擋板寬度L下，重稀土圓筒式萃取槽混合室內各個監測點處示蹤劑NaCl的濃度隨時間的變化如圖4所示.

P1點位于萃取槽混合室的最底部，離槽底高度10 mm; P2點處于混合室內料液的中間位置，離槽底高度100 mm; P3點距離示蹤劑的投料點最遠,離槽底高度190 mm.圖4 不同擋板寬度下萃取槽混合室內各監測點的濃度變化曲線Fig.4 Concentration change curves of each monitoring point in the mixing chamber of the extraction tank under different baffle widths

由圖4可知，重稀土圓筒式萃取槽混合室內的示蹤劑NaCl在各監測點的濃度在初始階段波動較大，之后逐步衰減，最終達到一個穩定狀態.穩定的濃度意味著該點已完全混合均勻[8].在不同擋板寬度(L=10 mm、L=15 mm和L=20 mm)下，萃取槽混合室內各監測點的示蹤劑濃度波動有區別.P1點更加靠近于示蹤劑的添加位置，最先監測到示蹤劑NaCl，且在3種擋板寬度下示蹤劑的濃度均在1 s附近達到峰值；P2點監測到示蹤劑的時間略晚于P1點；P3點離示蹤劑添加位置最遠，所以最晚監測到示蹤劑.當P3點濃度達到穩定時，即可認為兩相混合均勻.對比分析圖4(a)～(c)可得：當擋板寬度L為10和15 mm 時，P3點示蹤劑濃度達到穩定的時間波動不大，但當擋板寬度為20 mm時，P3點示蹤劑濃度達到穩定的時間略有增加，說明擋板寬度過大會延長混合室內料液的混合時間，降低其混合效率[9]，擋板最佳寬度在10～15 mm之間.進一步結合速度云圖分析，選擇15 mm作為擋板寬度的最佳尺寸參數值.

3.2 不同擋板傾角下的流場特性分析

3.2.1 速度場分析

為了更加清楚地觀察重稀土圓筒式萃取槽混合室內流體的速度分布情況，選擇不同角度下混合室的中心截面速度云圖對比分析.如圖5所示.

圖5 不同擋板傾角α下在中心截面的速度云圖Fig.5 Velocity cloud of central section with different baffle inclinations α

從圖5中可以對比看出，不同擋板傾角α在中心截面的速度云圖基本相似.速度最大值集中在攪拌槳的端部、攪拌區域液面最高點和攪拌筒底部；速度分布由攪拌槳軸向筒壁分區域分散.由圖5(d)和(e)對比可得出，當α在90°附近時，速度分布云圖基本一致；由圖5(a)～(c)圖對比可得出，隨著擋板傾角α的減小，混合室內更接近擋板的流體的速度出現波浪狀分布，且該區域集中在攪拌筒的中上部，這是因為混合室內流體隨著攪拌槳產生了旋轉，因為擋板的傾斜方向與攪拌槳旋轉方向相同，部分流體出現了向筒上方運動的現象，該現象有利于萃取槽混合室底部的流體被帶入到中上部，且此狀況下流體在槳的高速旋轉作用下會產生軸向流動，有利于料液的剪切作用，使室內料液混合較為均勻，有利于兩相之間的傳質[11].由圖5(c)圖可明顯看出該類狀況，說明適當的擋板傾角α有利于混合室內流體產生軸向流動，有益于料液的混合均勻.

為了較為直觀地看出擋板傾角α對重稀土圓筒式萃取槽混合室內流體軸向運動的影響，圖6給出了不同擋板傾角α下在中心截面的速度矢量圖.

由圖6可看出，當擋板傾角α為89°時，筒壁區域的軸向速度矢量未出現，而當擋板傾角α<87°時，筒壁區域的軸向速度矢量產生，說明擋板與筒底呈現一定傾角是有利于萃取槽混合室內流體產生軸向速度的.由圖6(a)～(d)圖可看出，軸向速度區域較大的為圖6(c)，說明當擋板角度α∈[81°,85°]時，混合室內流體所產生的軸向流動較多，在攪拌槳的作用下，從而有利于料液的剪切，達到較好的混合效果.

3.2.2 湍動能分析

選取擋板安裝傾角為89°、87°、85°、83°和81°的湍動能(k)云圖進行對比分析.如圖7所示.

圖6 不同擋板傾角α下在中心截面的速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of central section with different baffle inclinations α at

圖7 不同擋板傾角α下的湍動能分布云圖Fig.7 Cloud diagram of turbulent kinetic energy distribution at different baffle inclinations α

從圖7中可以看出，不同擋板傾角α下流體各位置的湍動能分布幾乎相同.湍動能最大值都是在攪拌槳的上端面區域，呈現出由攪拌槳上端面中心向攪拌漿軸和筒壁逐漸減小的趨勢；湍動能較大值均出現在攪拌槳周圍，與攪拌槳附近流體速度較大基本一致.從圖7(a)～(c)可看出，隨著擋板傾角α的增大，筒壁區域流體的湍動能出現較為密集的階梯狀分布，且該變化強度在逐漸減弱.從圖7(d)～(e)可看出筒壁區域流體的湍動能的密集階梯狀分布較為稀少，尤其是重稀土圓筒式萃取槽混合室內流體的中部區域.筒壁區域流體的湍動能較為密集變化有利于混合室內其他區域流體流動，進而導致料液的充分流動.因此當擋板傾角α在81°至85°該變化較為明顯，較有利于萃取槽混合室內流體的流動，從而達到更加有效的混合.為了更加直觀地顯示擋板傾角α與湍動能之間的關系，繪制最大湍動能曲線如圖8所示.

關注度可以在一定程度上說明潛在的客流量,通過對景區關注度的空間分析,可以發現客源地所在,結合時間特征,可以有針對性地開展宣傳和舉辦節慶活動,主動吸引潛在游客,增加游客量[17]．

從圖8中不同擋板傾角α萃取槽混合室內流體的湍動能變化趨勢可以看出：隨著擋板傾角α的增加，萃取槽混合室內流體的最大湍動能值呈先增大后減小再增大的趨勢.在α=87°時，最大湍動能值達到最小，此時混合室內流體混合效果最差；α=83°時，最大湍動能值最大.結合圖7湍動能分布云圖可得出，當α=83°時，此時萃取槽混合室內流體流動較佳，料液混合效果較好[12].

圖8 不同擋板傾角下萃取槽混合室內 流體的最大湍動能變化圖Fig.8 Variation of maximum turbulent kinetic energy of the fluid in the mixing chamber under different baffle inclinations

4 實驗結果分析

圖9 實驗裝置示意圖Fig.9 Experimental schematic diagram

采用贛州某稀土企業所使用無前室重稀土圓筒式萃取槽進行試驗，分別制作不同擋板寬度萃取槽混合室，利用水與萃取劑P507兩相進行攪拌混合實驗，通過測量萃取槽混合室內電導率判定兩相混合程度，實驗裝置圖如圖9所示.實驗使用電導率測定儀(上海越平DDS-307型)進行測量，當開始攪拌時，由于有機相萃取劑P507密度小于水相，電導率測定儀測量位置測定結果為P507有機相電導率，當兩相開始攪拌混合，由于水與萃取劑P507電導率不同，測得的電導率將發生改變，并且電導率大小與兩相混合程度相關，當后續測量電導率維持較穩定狀態時判定為兩相混合程度較高，并在圓筒萃取槽中間靠壁位置測量液體流速.結果如表3所示，通過對比實驗結果，可以看出擋板寬度為15 mm時混合時間最短，由于仿真模擬中各條件相對理想化，導致實驗測得混合時間相比于仿真結果略大.

表3 實驗結果Tab.3 Experimental results

結合實驗分析，實驗結果與仿真模擬結果接近，驗證擋板寬度為15 mm時萃取槽混合室效率最高，經仿真模擬與實驗分析后，已將該稀土萃取槽設備制作并投入生產，加入擋板后萃取槽混合室效率有所提高.

5 結 論

本研究在結合企業現有的稀土萃取槽基礎上，對萃取槽混合室內檔板結構進一步優化，利用仿真軟件對不同擋板寬度與傾角進行了仿真模擬，從而得出擋板寬度與傾角的最優參數，結論如下：

1) 擋板的加入改變了攪拌軸區域的流體速度，使該區域流體速度變大，增強了流體的流動性.

2) 隨著擋板寬度L的增加，可以改善混合室內流體的混合效果，但當擋板寬度L超過15 mm時，不利于流體整體混合與傳質；當L=30 mm時混合室內流體的湍動能最大值小了許多，這樣造成流體可能混合效果較差.說明合理的擋板寬度能夠提高萃取槽混合室內流體的混合效果.

3) 當擋板寬度L∈[10,15]時，隨著擋板寬度L的增加，混合室內料液的混合所需的時間波動不大；當擋板寬度L∈(15,20]時，隨著擋板寬度L的增加，混合室內料液的混合所需時間略有增加.說明擋板寬度過大會延長料液的混合時間，降低混合效率.

4) 擋板的傾斜方向與葉片的轉動方向一致時，有利于料液的切向運動和軸向運動，說明適當的擋板傾角α對料液的混合和兩相之間的傳質有利.

5) 通過萃取槽內擋板結構的改變，在實際萃取過程中，相比于無擋板結構萃取槽混合室，能夠略微縮短料液的混合時間，從而提高萃取槽的萃取效率.