雙混合澄清槽混合過程的仿真研究

符 康，黃文虎

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019）

混合澄清槽作為使用最早、應用最普遍的逐級接觸式萃取設備之一，具有效率高、適應性強、放大簡單及操作性強等優點，在冶金、石油、化工、核工業等工業領域得到了廣泛的應用［1-3］。

混合澄清槽主要由混合室和澄清室兩部分組成，混合澄清槽在其運行過程中，兩相混合與澄清的速率匹配是需要著重考慮的問題［4］。傳統的混合澄清槽通常只包含一個混合槽，其結構簡單、易于操作，但兩相進入混合槽內行程較短，混合時間不足，兩相混合液尚未達到傳質平衡便進入到澄清室，萃取分離效率低［5］。雙混合澄清槽是一種較新的混合澄清槽結構，該結構有兩個混合室，可增加混合相在混合室的自然行程，改善物料在混合室中的停留時間分布，有利于相際間的傳質過程。本文以工程中實際應用的雙混合澄清槽為研究對象，運用CFD技術對兩相混合過程進行仿真研究［6-8］，可為混合澄清槽的結構設計優化提供理論支撐。

1 計算模型

1.1 雙混合槽結構

雙混合澄清槽由主混合槽、副混合槽和澄清槽組成，如圖1所示。主混槽和副混槽即為雙混合槽，其結構如圖2所示。主混槽中部靠下固定有中部開孔的隔板1，隔板1上部為主混槽混合室，混合室中心安裝有攪拌裝置，其下層槳為泵吸式槳葉，上層槳為斜向下的旋槳式槳葉。隔板1下部為主混槽潛室，潛室由中部的隔板2分隔為兩部分，左側為水相區域，右側為有機相區域，兩相區域分別設有入口管。主混槽與副混槽之間設有連通管，混合相經連通管沿隔板3順下流入副混槽底部，副混槽中心安裝有攪拌裝置，其上下層槳均為斜向上的旋槳式槳葉。主混槽和副混槽均為圓柱型攪拌槽體，兩個槽具有相同的直徑和高度，其主要結構參數見表1。

表1 雙混合槽主要結構參數

圖1 雙混和澄清槽結構示意圖

圖2 雙混和槽結構示意圖

1.2 前處理

本文采用多重參考系法（MRF）對雙混合槽的攪拌槳葉區域進行處理，將整個流體計算域劃分為4個旋轉域和1個靜止域［9］。采用Fluent Meshing軟件對計算流域進行網格劃分，生成網格數量為122萬，主混槽下層泵吸式槳葉的網格模型如圖3所示。

圖3 主混槽下層泵吸式攪拌槳葉網格模型

1.3 CFD數值模擬

采用ANSYSFluent軟件對雙混合槽進行液液雙相流仿真計算，第一液相采用水相溶液，密度為1 100 kg/m3，粘度為0.000 1 Pa·s。第二液相采用有機相溶液，密度為850 kg/m3，粘度為0.015 Pa·s。紊流域采用Realizable k-epsilon模型，多相流模型采用Euler-Euler模型。設置主副混合槽的旋轉域轉速分別為68 r/min和79 r/min，槽體、擋板、隔板、旋轉域內的攪拌軸及攪拌槳、靜止域內的攪拌軸的表面均為無滑移壁面，靜止域與旋轉域的交界面共享拓撲。

流場初始化設置如下：在主混槽潛室左側設置為水相溶液，潛室右側設置為有機相溶液。設定入口邊界條件類型為mass flow inlet，水相入口質量流量為183.3 kg/s，有機相入口質量流量為141.7 kg/s。設定出口邊界條件類型為outflow。對雙混合槽計算流域進行穩態求解，迭代計算9 000次。

2 計算結果

本文主要對雙混合槽的泵吸能力、攪拌力矩和混合特性進行仿真研究［10］。

2.1 泵吸能力

雙混合槽計算流域XY平面的壓力云圖如圖4所示，槽內最大負壓出現在主混槽下層泵吸式槳葉附件靠近潛室出口的位置，最大負壓值為16 186 Pa（絕對值），泵吸效果明顯。在泵吸作用的影響下，槽內壓強分布非常均勻，主混槽潛室內均為負壓，主混槽混合室內均為正壓，副混槽內大部分計算流域為正壓，雙混合槽內最大正壓僅為2 440 Pa，正壓值越小，負壓值越大，泵吸能力越強，越有利于兩相混合。通過仿真計算，表明該雙混合槽結構具有很強的泵吸能力。

圖4 雙混合槽計算流域壓力云圖

2.2 攪拌力矩

通過仿真計算，監測了雙混合槽各攪拌槳在前200次迭代計算下的力矩值，如圖5所示。根據監測結果，主混槽下層泵吸式攪拌槳的力矩值從初始時刻開始不斷增大，至迭代計算5步左右達到峰值，隨后逐漸減小，至迭代計算100步左右達到穩定值2 050 N·m。主混槽上層槳葉、副混槽上下層槳葉的力矩值均是從初始時刻開始迅速增大，至迭代計算100步左右達到穩定值，主混槽上層槳葉的力矩穩定值為972 N·m，副混槽下層槳葉的力矩穩定值為737 N·m，副混槽上層槳葉的力矩穩定值為755 N·m。

圖5 雙混合槽各攪拌槳力矩曲線

在仿真迭代計算過程中，主混槽下層泵吸式攪拌槳出現了力矩峰值，其余攪拌槳無力矩峰值，這是因為在初始時刻泵吸式攪拌槳將主混槽潛室內的兩相液體泵吸至混合室內，需要承受非常大的液體阻力，故出現了瞬時較大的力矩，而其余攪拌槳未承受大突變的液體阻力，故未出現峰值力矩。此外，兩相混合液從主混槽流入副混槽是先進入副混槽底部，因有機相比水相輕，故副混槽的下層槳葉力矩值略低于上層槳葉力矩值。

根據主副混合槽的攪拌轉速和仿真計算的攪拌槳力矩值，按照公式P＝Tw可計算得出主混槽攪拌槳功率為21.5 kW，副混槽攪拌槳功率為12.3 kW，見表2。通過仿真計算監測攪拌槳的扭矩值進而得到攪拌功率的方法，同樣適用于其他類型攪拌槽的攪拌功率的確定。

表2 雙混合槽各攪拌槳的力矩值和功率計算值

2.3 混合特性

通過仿真計算，監測了雙混合槽在不同迭代計算步下的液液兩相混合情況，如圖6所示。初始時刻，在主混槽潛室的左右兩側分別通入水相溶液和有機相溶液，主混槽混合室和副混槽均為水相溶液，如圖6（a）所示。

圖6 不同迭代計算步下雙混合槽內有機相體積分數分布情況

迭代計算1 000步后，主混槽混合室內有機相濃度逐漸增大，有機相經副混槽的擋板順流向下進入副混槽底部，副混槽其他流域的有機相分布仍不明顯。迭代計算2 000步后，主混槽混合室和副混槽內有機相濃度明顯增大，有機相在副混槽內進一步擴散，副混槽內已不存在有機相體積分數為0的區域。迭代計算4 000步后，主混槽混合室和副混槽隔板通道內的有機相體積分數接近0.4，有機相在副混槽隔板兩側的分布仍有明顯的差別。迭代計算6 000步后，主混槽混合室內有機相濃度分布逐漸穩定，有機相在副混槽隔板兩側的分布差距逐漸減小。迭代計算9 000步后，副混槽隔板左右兩側的有機相濃度幾乎無差別，除主混槽潛室外，整個計算流域的有機相體積分數非常接近0.5，說明此時兩相在雙混槽內已初步達到了均勻混合的狀態。

為更深入研究雙混合槽的液液兩相混合情況，計算監測了雙混合槽內8個位置點以及雙混槽出口在9 000次迭代計算下的有機相體積分數。雙混合槽內8個監測點的坐標分別為：P1（-5.5，1，0）、P2（-3，1，0）、P3（-5.5，3.3，0）、P4（-3，3.3，0）、P5（-1，3.3，0）、P6（1，3.3，0）、P7（-1，1，0）、P8（1，1，0），如圖7所示，各監測點和雙混槽出口的有機相體積分數變化情況如圖8和圖9所示。

圖7 雙混合槽內8個監測點的位置分布

圖8 雙混合槽內8個監測點的有機相體積分數變化情況

圖9 雙混槽出口平均有機相體積分數變化情況

通過圖8可以看出，主混槽內4個監測點P1、P2、P3、P4的有機相體積分數隨迭代計算次數的變化規律基本相同，即從初始時刻至迭代計算4 000步，有機相濃度快速增大，4 000步后增長速度逐漸變緩，6 000步后逐漸趨于穩定。監測點P3由于遠離主副混合槽的連接通道，且處于槽內高處，其有機相體積分數明顯小于監測點P1、P2、P4。

由圖8和圖9可知，副混槽內4個監測點P5、P6、P7、P8以及雙混槽出口的有機相體積分數隨迭代計算次數的變化情況幾乎完全一致，因兩相溶液需經過主混槽初次混合后再經連接通道進入副混槽內，故副混槽內有機相濃度的變化明顯遲滯于主混槽，在迭代計算400次之前，這些位置的有機相體積分數均為0。又例如在迭代計算1 000步時，副混槽內4個監測點的有機相體積分數僅為0.05左右，而主混槽內4個監測點的有機相體積分數已經超過了0.15，這與圖6（b）的仿真結果保持了一致。

3 結論

本文對雙混合澄清槽的混合過程進行液液雙相流仿真研究，得出以下結論。

1.雙混合槽內最大正壓值為2 440 Pa，最大負壓值為16 186 Pa，正壓值小且負壓值大，該雙混合槽結構具有很強的泵吸能力。

2.主混槽下層泵吸式攪拌在初始時刻存在峰值力矩，各攪拌槳所受力矩值均隨迭代計算次數增加逐步趨于穩定。通過仿真計算監測攪拌槳的扭矩值進而得到攪拌功率的方法，同樣適用于其他類型攪拌槽的攪拌功率的確定。

3.雙混合槽內各監測位置的有機相體積分數隨迭代計算次數的增加呈現出規律性的變化，即先快速增加，后緩慢增加，最后逐漸穩定接近于0.5。副混槽和雙混槽出口有機相濃度的變化明顯遲滯于主混槽，定性分析和定量分析對仿真結果的解釋具有一致性。