王 亮, 聶 林

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

稀土萃取攪拌槽內(nèi)兩相混合過程的數(shù)值計算

王 亮, 聶 林

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

應(yīng)用CFD流體仿真軟件對稀土萃取攪拌槽內(nèi)兩相料液的混合過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過攪拌混合過程中的非定常計算，得到了攪拌槽內(nèi)擋板寬度與混合時間及攪拌能耗之間的關(guān)系。利用該方法可以確定最佳擋板寬度，達(dá)到優(yōu)化槽體結(jié)構(gòu)，提高整體混合性能的目的。同時也為其他類型攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

擋板； 攪拌槽； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 混合效率

混合澄清槽已廣泛應(yīng)用于稀土萃取分離生產(chǎn)過程中，其攪拌槽內(nèi)物料的混合效果及功率消耗是影響萃取效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1-3]。由于攪拌槽內(nèi)物料流動和混合過程的復(fù)雜性，采用半經(jīng)驗的設(shè)計方法存在設(shè)計周期長，過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)難以最優(yōu)化等缺陷[4-6]。為此，許多學(xué)者采用CFD技術(shù)來研究攪拌槽的混合特性，并對現(xiàn)有攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出了適用于不同攪拌體系的新型攪拌槳。相對而言，關(guān)于攪拌槽槽體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究還比較少，僅指出了在擋板系數(shù)為0.35時攪拌槽的混合效果較好[7-8]，且并非適用于所有的攪拌工況。所以研究優(yōu)化攪拌槽的槽體結(jié)構(gòu)對攪拌槽設(shè)計以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗具有重要意義。

基于上述分析，本文利用CFD技術(shù)對稀土萃取攪拌槽的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)考察了不同擋板寬度對混合時間及功率消耗的影響，對今后攪拌設(shè)備的研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論指導(dǎo)。

1 物理模型和計算方法

攪拌槽幾何模型采用贛州某稀土公司的工業(yè)萃取槽。槽體是由PVC板焊接而成的箱式結(jié)構(gòu)，有效容積為100 L，外形尺寸為450 mm×450 mm×525 mm，槽壁上均布4塊擋板，寬度為Wb。攪拌槳采用雙層葉輪結(jié)構(gòu)，槳徑為140 mm，攪拌軸轉(zhuǎn)速為300 rpm。模擬介質(zhì)為水和萃取劑P507，其中第二相P507作為示蹤劑加入，通過監(jiān)測示蹤劑濃度的變化來確定混合時間。根據(jù)實際情況，選取槽體一側(cè)靠近料液入口處的F點為加料點，三個監(jiān)測點分別取槽體另一側(cè)靠近槽壁的P1、P2和P3。加料點和監(jiān)測點的具體位置如圖1所示。

圖1 加料點和監(jiān)測點位置示意圖

因加入示蹤劑后攪拌槽內(nèi)的濃度場呈現(xiàn)非對稱性，所以選取整個槽體作為計算域，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合技術(shù)，將整個計算域劃分為槳葉區(qū)域和槳外區(qū)域，槳葉區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且對該處網(wǎng)格進(jìn)行加密，以增加計算的精度，槽內(nèi)其他區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

采用CFD軟件的多重參考系法進(jìn)行模擬計算，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，先進(jìn)行單相攪拌模擬直至收斂，待流場穩(wěn)定后，將計算結(jié)果作為初始值，加入示蹤劑，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算，此時只需單獨求解示蹤劑濃度的運輸方程，鎖定動量和湍流變量傳遞方程，這樣可以加速收斂，提高求解效率。在圓柱坐標(biāo)系下濃度運輸方程的表達(dá)式為[9]：

(1)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 混合時間

混合時間是反映攪拌槽內(nèi)物料混合效果的一個重要參數(shù)，也是攪拌槽設(shè)計和放大的重要依據(jù)。文中選取了七種不同擋板寬度進(jìn)行模擬計算，研究擋板寬度對混合時間的影響，其中擋板寬度為0 mm(無擋板)和35 mm時，各監(jiān)測點的濃度監(jiān)測曲線如圖2所示。

圖2 兩種擋板條件下監(jiān)測點濃度隨時間的變化曲線

從圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，不同條件下相同監(jiān)測點模擬得到的濃度變化曲線趨勢近似，而且三個監(jiān)測點監(jiān)測到示蹤劑的先后順序是一致的，位于槽底的P3監(jiān)測點最先監(jiān)測到示蹤劑，而處于液面的P1監(jiān)測點最后才監(jiān)測到，這與相關(guān)文獻(xiàn)的試驗結(jié)果相符合。液面P1點的混合時間最長，是由于P1點離槽底加料點最遠(yuǎn)，示蹤劑首先被下層攪拌槳吸入槳葉區(qū)，在攪拌槳的旋轉(zhuǎn)過程中，一部分示蹤劑隨槳葉排出再沿槽壁向上流動，湍流動能衰減較快，到達(dá)液面P1處需要更長的時間。圖2中，P2和P3點的濃度變化幅度大，而P1點的濃度變化較為平緩，是因為P2和P3點都處于槳葉端的射流區(qū)，該處能量耗散比液面處更快，料液在該處質(zhì)量傳遞速率高，槳葉排出料液的同時，頂部和底部的料液會不斷的流入槳葉區(qū)來補充槳葉排出的料液，使得P2和P3點的濃度變化較大，而液面處離槳葉區(qū)較遠(yuǎn)，速度分布弱，導(dǎo)致P1點濃度變化幅度不大。

為了更加直觀的描述擋板寬度與混合時間的關(guān)系，對比七種擋板條件下各監(jiān)測點示蹤劑濃度達(dá)到最終穩(wěn)定值所需的混合時間如表1所示。

表1 不同擋板寬度下各監(jiān)測點的混合時間

從表1可以看出隨著擋板寬度的增加，三個監(jiān)測點的混合時間都逐漸縮短，其中擋板寬度為35 mm時，三個監(jiān)測點的混合時間均最少，較無擋板攪拌槽的混合時間降低了約16 s，說明擋板可以有效增強流場的擾動程度，使得攪拌槽內(nèi)料液的混合過程更加劇烈，從而縮短了混合時間。還可以發(fā)現(xiàn)，各擋板條件下，監(jiān)測點P3達(dá)到最終穩(wěn)定的時間最短，監(jiān)測點P1達(dá)到最終穩(wěn)定的時間最長，這表明混合時間與監(jiān)測點有關(guān)，而監(jiān)測點的選取具有較強主觀性，為了保證全槽內(nèi)料液的均勻混合，應(yīng)選取最長的監(jiān)測時間來表征攪拌槽的混合時間。

2.2 混合效率

混合效率是評定攪拌槽混合性能的重要指標(biāo)[10]，在攪拌混合計算中，常用單位體積混合能用Wr來表示。單位體積混合能是指攪拌單位體積的物料達(dá)到規(guī)定混合程度所需要的能量，它與攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌槳形狀、物料性質(zhì)、攪拌槽尺寸以及擋板等因素有關(guān)，其計算式為：

Wr=Pr·θm

(2)

攪拌功率P的計算公式為：

(3)

式中：M是攪拌槳所受的總力矩，單位N·m，M=M1+M2，M1為壓力梯度產(chǎn)生的力矩，M2為粘性切應(yīng)力產(chǎn)生的力矩；N為攪拌槳轉(zhuǎn)速，單位rpm。

計算中的混合時間θm和力矩值M可以通過數(shù)值模擬來獲得，表2為采用公式(2)和公式(3)計算得到的各擋板條件下的單位體積混合能。

表2 不同擋板寬度下攪拌槽的單位體積混合能

由計算結(jié)果可以看出，當(dāng)擋板寬度為30～40 mm時，攪拌槽內(nèi)料液所需的混合時間明顯縮短，其中擋板寬度為35 mm，混合時間縮短了15.2 s，單位體積混合能比無擋板攪拌槽降低了8.4%，并且達(dá)到各擋板條件下單位體積混合能的最小值，說明其混合效率是最高。從表2中還可以看出，當(dāng)擋板寬度大于40 mm時，混合時間有所縮短，但是單位體積混合能卻急劇增加。這是由于過寬的擋板與攪拌槳相互作用，增大了射流區(qū)域料液所受到的剪切強度，使得混合時間縮短，但是消耗了更多的能量。綜合對比擋板寬度從20 mm到50 mm，單位體積混合能的變化，可以發(fā)現(xiàn)，隨著擋板寬度的增加，單位體積混合能先逐漸減少，然后再慢慢增大。同時考慮混合時間和能量消耗，文中攪拌槽的最佳擋板寬度應(yīng)在30～40 mm之間選取。

3 結(jié)論

本文利用CFD技術(shù)數(shù)值模擬了稀土萃取攪拌槽內(nèi)兩相料液的混合過程，得到了7種擋板條件下攪拌槽的混合時間和混合能耗，詳細(xì)分析了擋板寬度與混合時間及混合能耗之間的關(guān)系，利用該方法優(yōu)化稀土萃取攪拌槽，可以幫助確定最佳的擋板寬度，從而達(dá)到優(yōu)化槽體結(jié)構(gòu)，提高萃取效率的目的。

此外，采用該方法對攪拌設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成本低、周期短，對工業(yè)上設(shè)計攪拌設(shè)備的最佳槽體結(jié)構(gòu)具有一定理論指導(dǎo)作用，對企業(yè)優(yōu)化現(xiàn)有攪拌設(shè)備、降低能耗也具有重要意義。

[1] 趙秋月，張廷安，劉燕等.高效澄清萃取槽內(nèi)攪拌對液液分離特性的影響[J].高校化工工程學(xué)報，2014，28(3)：530-534.

[2] Zhong C H，Cheng W，Yin Q，et al.Extraction separation of rare earth with a novel USE extractor[J].Journal of Rare Earths，2010，28(12)：504.

[3] 齊娜娜，吳桂英，王卉等.半圓管曲面渦輪攪拌槽內(nèi)混合特性的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報，2010，61(9)：2306-2313.

[4] 王曉瑾，彭炯，楊伶等.行星式攪拌釜內(nèi)固液混合時間的數(shù)值計算[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2012，29(3)：294-296.

[5] 王樂勤，杜紅霞，吳大轉(zhuǎn)等.多層槳式攪拌罐內(nèi)混合過程的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2007，28(3)：418-420.

[6] 程蕩，程景才，雍玉梅等.多相攪拌槽內(nèi)宏觀混合研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程，2011，39(6)：59-64.

[7] 張翠勛，楊鋒苓，連繼詠等.半圓管擋板攪拌槽內(nèi)的湍流流場[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2015，45(1)：76-81.

[8] 陳志平，章序文，林興華等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2004.

[9] 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，2003，54(7)：886-890.

[10] 鄧華軍.稀土萃取槽內(nèi)三維流場與混合過程的數(shù)值模擬及應(yīng)用[D].江西：江西理工大學(xué)，2013.

Numerical calculation of two-phase mixing process in rare earth extraction agitation tank

WANG Liang, NIE Lin

A three-dimensional numerical simulation is conducted by using the CFD fluid simulation software to simulate the mixing process of the two-phase mixture in rare earth extraction agitation tank. The relationship between baffle width and mixing time and energy consumption is obtained through the calculation of the unsteady flow in the mixing process. This method can be used to determine the optimum baffle width to optimize the tank structure. It can also improve the overall mixing performance. At the same time, it also provides a theoretical reference for the optimization design of other types of mixing equipment.

baffle; agitation tank; structure optimization; mixing efficiency

王 亮(1991—)，男，河南信陽人，碩士，主要從事稀土濕法冶金設(shè)備應(yīng)用研究。

2016-- 06-- 12

TF804.2

B

1672-- 6103(2017)02-- 0042-- 03