攪拌混合槽內(nèi)混合過(guò)程的數(shù)值模擬

吳富姬

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

液體的混合效果與混合槽內(nèi)流體的流動(dòng)密切相關(guān)。為了更好地了解和掌握料液的混合過(guò)程與混合時(shí)間，對(duì)槽內(nèi)料液的流場(chǎng)和混合過(guò)程進(jìn)行研究至關(guān)重要。攪拌槳形式對(duì)料液的混合過(guò)程影響較大［1－2］。本文針對(duì)兩種攪拌槳模型與其對(duì)應(yīng)的混合槽，研究了水相和P507有機(jī)相的攪拌混合過(guò)程。

1 雙層攪拌槳混合過(guò)程的數(shù)值模擬

混合時(shí)間是通過(guò)測(cè)量某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示蹤劑濃度達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所用的時(shí)間而求得。試驗(yàn)研究了z＝116～140mm、總共13組層間距的混合時(shí)間。由不同的示蹤劑加入點(diǎn)位置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置得出的混合時(shí)間是不同的，所以，只有在相同的示蹤劑加入點(diǎn)位置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處得出的混合時(shí)間才具有可比性［3］。

1．1 示蹤劑的加入

用NaCl作示蹤劑，通過(guò)FLUENT軟件中的“Adapt”→“Region”確定示蹤劑的加入點(diǎn)位置。根據(jù)坐標(biāo)確定相應(yīng)的示蹤劑加入點(diǎn)，然后以該點(diǎn)為中心定義一球體。定義兩個(gè)示蹤劑加入點(diǎn)，球體直徑為30mm，即表面加料點(diǎn)FA（x＝0，y＝110，z＝475，r＝15）和底部加料點(diǎn)FB（x＝0，y＝110，z＝－10，r＝15）。選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1（x＝0，y＝－185，z＝475），P2（x＝0，y＝－185，z＝280）和P3（x＝0，y＝－185，z＝－10）。加料點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 加料點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1．2 初始條件的設(shè)置

確定好示蹤劑的加入點(diǎn)后，利用初始化功能中的打補(bǔ)丁功能（Patch）定義示蹤劑的初始濃度［4］。具體做法是：將定義的15mm球體的示蹤劑的初始濃度值定義為1，槽內(nèi)其余位置的濃度值定義為0。當(dāng)某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)到的示蹤劑濃度值達(dá)到最終穩(wěn)定濃度值的95%時(shí)，所用的時(shí)間即為該點(diǎn)處的混合時(shí)間。

1．3 混合和反應(yīng)模型的設(shè)置

對(duì)混合過(guò)程的模擬除了要用到標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型之外，還要啟用物質(zhì)傳遞模型（species model）、激活組分運(yùn)輸項(xiàng)（species transport）來(lái)表示示蹤劑的擴(kuò)散過(guò)程，觀察示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。不激活反應(yīng)項(xiàng)（reactions），保證物料之間不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只進(jìn)行單純的混合。

1．4 收斂殘差與時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置

數(shù)值模擬計(jì)算得到的值只是近似值，用殘差表示誤差，示蹤劑濃度的收斂殘差設(shè)置為10－5。時(shí)間步長(zhǎng)取值不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂，影響精確性。一般取小于轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1／10［5］，如轉(zhuǎn)速為300r／min，則時(shí)間步長(zhǎng)可以取0．000 2s。然后進(jìn)行迭代，直到收斂。

1．5 結(jié)果與分析

圖2為攪拌槳層間距z為124mm和136 mm、底部FB加料時(shí)不同時(shí)刻示蹤劑濃度分布情況，左圖攪拌槳層間距為124mm，右圖攪拌槳層間距為136mm?？梢郧逦赜^察到，層間距不同時(shí)，示蹤劑在槽內(nèi)的擴(kuò)散速率是不同的：初始時(shí)示蹤劑在槽內(nèi)的濃度分布是相同的；混合10s后，攪拌槳層間距為136mm的擴(kuò)散范圍明顯更大，擴(kuò)散速率更快，混合效果更好；混合40s后，攪拌槳層間距為124mm，示蹤劑還沒(méi)有完全擴(kuò)散，攪拌槳層間距為136mm示蹤劑擴(kuò)散完全，混合均勻。

圖2 層間距為124mm和136mm雙層槳攪拌不同時(shí)間示蹤劑濃度分布

表1給出了攪拌速度為300r／min條件下雙層槳不同層間距對(duì)底部FB加料、P2檢測(cè)時(shí)的混合時(shí)間的影響。

表1 攪拌槳層間距對(duì)混合時(shí)間的影響

從表1看出：層間距為136mm時(shí)，混合時(shí)間最短，由此說(shuō)明模擬所用雙層槳的最佳層間距是136mm。需要指出的是，混合時(shí)間只是在特定條件下的模擬值，除與轉(zhuǎn)速有關(guān)外還與模擬時(shí)所選的湍流模型、變量的離散方法等有關(guān)。用多重參考系法和標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型模擬的混合時(shí)間比試驗(yàn)值大20%左右，但是同等條件下的模擬結(jié)果還是能夠反映攪拌槳的混合速率［6］。

2 三層攪拌槳混合過(guò)程的數(shù)值模擬

攪拌槽容積為246L，所用攪拌槳為三層結(jié)構(gòu)。

進(jìn)口處的壓力對(duì)混合過(guò)程影響很大，進(jìn)口處負(fù)壓越大，攪拌槳的泵吸效果越好，越有利于料液進(jìn)入混合室。特定的混合過(guò)程中，一整套的混合澄清設(shè)備除攪拌槳的插入深度是變化的之外，其他（攪拌槳的轉(zhuǎn)速，設(shè)備的形狀與尺寸，料液的濃度等）參數(shù)一般是固定不變的。實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌槳的插入深度y的可調(diào)范圍是20～50mm。根據(jù)攪拌槳插入深度y（即攪拌槳底部到槽底的垂直距離）與進(jìn)口負(fù)壓值之間的關(guān)系，可以確定最大y值，即攪拌槳最佳插入深度［7］。

16組不同插入深度條件下的壓力場(chǎng)進(jìn)口處負(fù)壓值見(jiàn)表2。

表2 不同y值條件下的進(jìn)口負(fù)壓值

圖3給出了y＝22、28、30、40、50、80mm 時(shí)x＝0平面的壓力云圖。根據(jù)圖6和表2可直觀地看出進(jìn)口負(fù)壓及分布范圍。當(dāng)y＜30mm時(shí)，隨y增大，進(jìn)口負(fù)壓值增大，負(fù)壓區(qū)域略有增大；當(dāng)y＞30mm時(shí)，隨y增大，進(jìn)口負(fù)壓值和負(fù)壓區(qū)域都有變小趨勢(shì)；y＝30mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)口處負(fù)壓最大，為－442Pa，并且這個(gè)位置的負(fù)壓區(qū)域明顯比其他位置的更大，所以最佳插入深度是y＝30mm。

圖3 不同y值條件下x＝0平面的壓力云圖

3 混合設(shè)備的工程應(yīng)用

本研究涉及的攪拌槳和攪拌槽已在江銅四川稀土有限責(zé)任公司的稀土萃取車間得到應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行，雙層槳的層間距為124mm時(shí)，上層料液的混合非常不充分，混合時(shí)間大約為54s；層間距為148mm的攪拌槳混合效果也不理想，料液上層易形成漩渦，并且分區(qū)流動(dòng)現(xiàn)象較明顯，萃取劑多停留在上層，混合時(shí)間約為56s；層間距為136mm的攪拌槳攪拌效果最佳。

槳徑為180mm的三層槳在246L攪拌槽中插入深度為30mm時(shí)，攪拌效果最好。

4 結(jié)論

用NaCl作示蹤劑，研究了攪拌槳葉不同層間距對(duì)混合時(shí)間的影響。層間距為136mm時(shí)混合時(shí)間最短，上下兩層槳葉的干擾最小，混合效果最好。對(duì)于三層攪拌槳，插入深度為30mm時(shí)攪拌效果最好。

［1］龔姚騰，曾令揮，肖順根．不同攪拌槳形式對(duì)稀土萃取槽內(nèi)攪拌效果的影響模擬分析［J］．濕法冶金，2009，28（1）：49－52．

［2］劉飛飛，賀強(qiáng)．帶雙層槳的鎢礦堿煮浸出槽內(nèi)流場(chǎng)仿真分析［J］．濕法冶金，2013，32（2）：101－104．

［3］侯拴弟，張政，王英深．渦輪槳攪拌槽流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬［J］．化工學(xué)報(bào)，2001，52（3）：241－245．

［4］張國(guó)娟，閔健，高正明．渦輪槳攪拌槽內(nèi)混合過(guò)程的數(shù)值模擬［J］．北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31（6）：24－27．

［5］楊鋒苓．?dāng)[動(dòng)式攪拌流場(chǎng)與混合過(guò)程的數(shù)值模擬［D］．濟(jì)南：山東大學(xué)，2007．

［6］周國(guó)忠，王英深，施力田．?dāng)嚢璨蹆?nèi)三維流動(dòng)場(chǎng)的RNGκ－ε數(shù)值模擬［J］．北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29（2）：15－19．

［7］逄啟壽，曾文星．稀土萃取三層攪拌槳不同插入深度對(duì)攪拌的影響［J］．濕法冶金，2013，30（1）：61－63．