逄啟壽，曾文星

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

在稀土萃取工業(yè)中，混合澄清槽以其獨(dú)特性能和簡單結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用［1］。在混合槽中對兩相流體進(jìn)行混合攪拌［2］，攪拌槳的形狀和安裝位置有一定影響［3－5］。但在稀土萃取實(shí)際生產(chǎn)過程中，攪拌槳的尺寸一般情況下是不變的，而攪拌槳在槽內(nèi)的安裝位置則可以調(diào)整［6］，在設(shè)備安裝過程中也經(jīng)常會遇到安裝位置問題［7－8］。為此，運(yùn)用流體動力學(xué)Fluent軟件，根據(jù)攪拌槳對進(jìn)口處產(chǎn)生的負(fù)壓大小和湍流能量分布情況，對攪拌槳在槽內(nèi)不同深度下的攪拌混合特性進(jìn)行分析，得出不同深度下的攪拌特性，從而確定攪拌槳的最佳深度，為實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 混合槽及攪拌槳模型

在稀土萃取工業(yè)中，3層攪拌槳混合澄清槽最典型的混合室容積有100、246、400、750L4種，攪拌槳的尺寸各不相同。此種3層攪拌槳相對于2層和單層攪拌槳來說具有混合時(shí)間短、攪拌效果好的優(yōu)點(diǎn)。大量試驗(yàn)研究表明，此種3層攪拌槳的底層槳葉距前室料液出口的距離應(yīng)該控制在30～50mm之間。如果小于30mm，則萃取槽上半部分的湍流強(qiáng)度很小，上半部分的混合相對較慢，混合時(shí)間變長，混合效率大大降低；如果大于50mm，則攪拌槳底部的抽吸力變得很小，不利于混合液體從前室進(jìn)入混合室，也會影響攪拌效果。試驗(yàn)通過軟件仿真得出此種4葉半開啟渦輪3層攪拌槳底層槳葉距離前室料液出口在30～50mm范圍內(nèi)的最佳位置。

容積為400L的混合澄清槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合槽攪拌槳模型圖

混合澄清槽邊長為690mm、有效液面高度為840mm，無擋板。攪拌槳為3層葉輪結(jié)構(gòu)，上2層為平直槳葉，長210mm，第1層寬80mm、第2層寬90mm，厚8mm；第3層為4葉半開啟渦輪，槳葉直徑210mm、寬100mm；各槳葉跨距均為140mm，攪拌軸轉(zhuǎn)速為300r／min。

2 兩相混合液物性參數(shù)

以水相和有機(jī)相（酸性磷類萃取劑P507）的混合液為工作介質(zhì)。兩相物性參數(shù)見表1。

表1 兩相介質(zhì)物性參數(shù)

3 漿葉插入深度對攪拌的影響

3．1 對壓力的影響

利用Gambit軟件進(jìn)行前期建模，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分區(qū)域，最后設(shè)置好邊界條件，把模型導(dǎo)入Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算。建模時(shí)，取攪拌槳底部到混合槽底部的距離y的30組數(shù)據(jù)，得到如表2所示的30組結(jié)果。

表2 仿真模擬結(jié)果

為使混合液體從前室進(jìn)入混合室并進(jìn)行混合攪拌，進(jìn)口處的壓力必須保持負(fù)值才能產(chǎn)生抽吸力，并且負(fù)值越大越好。由表2數(shù)據(jù)可知：y為30 mm和43mm為進(jìn)口負(fù)壓極值點(diǎn)，兩點(diǎn)的負(fù)壓值分別為－3．98和－3．76MPa。兩點(diǎn)的靜壓力云圖如圖2、3所示。按負(fù)值越大越好的原則，y為30mm為壓力最佳點(diǎn)。

圖2 y＝30mm處的靜壓力云圖

圖3 y＝43mm處的靜壓力云圖

3．2 湍流能量分布

y為30mm和43mm2個(gè)最佳極值點(diǎn)的湍流能量分布如圖4、5所示，其中縱坐標(biāo)為湍流能量，橫坐標(biāo)為攪拌槳的橫向分布位置，零點(diǎn)為攪拌槳的軸中心。

圖4 x＝0、y＝30mm處的湍流能量分布

圖5 x＝0、y＝43mm處的湍流能量分布

可以看出：攪拌槳葉片邊緣的湍流能量最大，向槽壁和攪拌槳中心減??；兩點(diǎn)的槳葉邊緣和槽壁的湍流能量相近；但y為30mm時(shí)，在軸中心的湍流能量要明顯大于y為43mm時(shí)軸中心的湍流能量，此時(shí)混合效果更好。因此，y＝30mm為最佳。

4 結(jié)論

模擬仿真分析結(jié)果表明：根據(jù)進(jìn)口所需的負(fù)壓值分析，y為30mm為最佳極值點(diǎn)，此點(diǎn)對進(jìn)口混合液的抽吸效果最好；根據(jù)攪拌湍流能量分析，y為30mm時(shí)，湍流能量分布最優(yōu)。因此，y為30mm是攪拌槳安裝的最佳位置。

用同樣方法可以得出，容積為100L的混合槽的攪拌槳最佳安裝位置y＝42mm，246L混合槽攪拌槳的最佳安裝位置y＝39mm，750L混合槽攪拌槳的最佳安裝位置y＝33mm。此研究結(jié)果可供三層攪拌槳的現(xiàn)場安裝時(shí)參考。

［1］Suzukawa K，Mochizukib S，Osakac H．Effect of the Attack Angle on the Roll and Trailing Vortex Structures in an Agitated Vesselwith a Paddle Impeller［J］．Chemical Engineering Science，2006，61（9）：2791－2798．

［2］曾令輝．稀土萃取攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究與優(yōu)化［D］．贛州：江西理工大學(xué)，2008．

［3］周國忠，施力田，王英?。?dāng)嚢璨蹆?nèi)近槳區(qū)流動場的數(shù)值研究［J］．高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2002，16（1）：17－22．

［4］孫會，潘家禎，崔寧，等．帶有內(nèi)外組合槳的攪拌設(shè)備內(nèi)流場的數(shù)值研究［J］．高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，19（3）：315－319．

［5］Jaced K H，Mahmud T，Zhu J M．Numerical Simulation of Turbulent Batch Mixing in a Vessel Agi－tated by A Rushton Turbine［J］．Chemical Engineering and Processing，2006，45（2）：99－112．

［6］孫會，潘家禎．帶有新型內(nèi)外組合槳的攪拌設(shè)備內(nèi)流場的數(shù)值研究［J］．化工學(xué)報(bào)，2006，57（1）：13－20．

［7］張國娟，閔健，高正明，等．翼形槳攪拌槽內(nèi)混合過程的數(shù)值模擬［J］．高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，19（2）：169－174．

［8］Sakakura K，Shiojima T，Yamamoto S．Numerical Simulation of Double Helical Ribbon Agitators Using Three－dimensional DEM Simulation［J］．Japan Society of Mechanical Engineers，2005，703（71）：766－772．