混合澄清槽優(yōu)化槳葉形式的數(shù)值模擬

徐旭升，武 斌，陳 葵，紀(jì)利俊，吳艷陽(yáng)，沈祖鈞

(華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237)

混合澄清槽具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、級(jí)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作彈性大等特點(diǎn)，被廣泛用于冶金、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的液-液萃取分離過(guò)程[1]。攪拌槳是混合澄清槽的重要部件之一，通過(guò)攪拌槳的旋轉(zhuǎn)攪拌可以產(chǎn)生不同的流場(chǎng)和分散相液滴滴徑分布。高效傳質(zhì)的條件是液-液兩相充分接觸，即分散相在混合槽中形成合理且較窄的液滴滴徑分布和均勻的流場(chǎng)分布[2]。在這種要求下，攪拌槳需要不產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的剪切作用，以免滴徑過(guò)小，聚并困難；以及產(chǎn)生的流動(dòng)死角盡可能少，使分散相液滴分布范圍廣。優(yōu)良的攪拌槳結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足良好的傳質(zhì)混合和適中剪切這兩方面要求。

需要多個(gè)理論級(jí)才能達(dá)到預(yù)期分離效果的液-液萃取，如相鄰稀土元素的萃取分離往往需要多級(jí)混合澄清槽，級(jí)間用泵送設(shè)備輸送液體以達(dá)到多級(jí)聯(lián)用。泵吸式攪拌槳(如閉式渦輪槳)除能產(chǎn)生混合和分散效果，其旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的抽吸力能夠減少級(jí)間泵送的能量消耗，從而減少設(shè)備與操作成本[3]。目前，帶有泵吸式槳的混合澄清器在實(shí)際生產(chǎn)中已有廣泛使用，如Krebs型混合澄清器，EC-D型混合澄清器和全逆流混合澄清槽等[4-6]。EC-D型混合澄清器在稀土萃取工業(yè)中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，采用大三角型槳葉時(shí)可以很好地實(shí)現(xiàn)液滴的均勻分散，但工業(yè)萃取槽規(guī)模較大且級(jí)間流體輸送距離遠(yuǎn)時(shí)抽吸作用不足；而傳統(tǒng)的閉式渦輪槳工業(yè)萃取槽級(jí)間抽吸能力充足，但液滴滴徑過(guò)小和分散不均勻問(wèn)題突出[7-8]。針對(duì)以上這些問(wèn)題，研究提出了改進(jìn)傳統(tǒng)泵吸式攪拌槳的結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)優(yōu)化前后的攪拌槳進(jìn)行模擬計(jì)算，并結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)，以期設(shè)計(jì)出一種兼顧傳質(zhì)混合、級(jí)間泵送和液-液兩相分布的攪拌槳，為提高工業(yè)生產(chǎn)中的萃取效率提供參考。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)針對(duì)的混合室材質(zhì)為有機(jī)玻璃，工作空間尺寸240 mm×240 mm×360 mm，頂部側(cè)面有一個(gè)尺寸為240 mm×15 mm的溢流出口?；旌鲜医Y(jié)構(gòu)如圖1所示。為減少攪拌時(shí)產(chǎn)生在液面的凹旋渦，以及防止空氣卷入混合室，在液面下30 mm處安裝篩型格柵。混合室進(jìn)料孔直徑為40 mm，中間由擋板分開，其余參數(shù)如圖1所示，單位均為mm。傳統(tǒng)型閉式渦輪槳和一種改進(jìn)型閉式渦輪槳結(jié)構(gòu)如圖2所示，直徑均為85 mm，下方導(dǎo)流筒直徑均為45 mm，高度均為21 mm，材料厚度均為3 mm，材質(zhì)均為304不銹鋼。不同之處在于，傳統(tǒng)型閉式渦輪槳葉片為長(zhǎng)方形直葉片，改進(jìn)型閉式渦輪槳葉片呈弧形，高度16 mm，進(jìn)口角為20°，包角72°，出口角26°。

圖1 混合室結(jié)構(gòu)示意

圖2 閉式渦輪槳結(jié)構(gòu)示意

煤油和去離子水在蠕動(dòng)泵控制下，以一定流速分別從潛室左右進(jìn)料孔被吸入裝置。攪拌槳的轉(zhuǎn)速由電機(jī)控制。在試驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速下，油相和水相在混合室中有短暫的停留攪拌，而后通過(guò)頂部側(cè)面的溢流口進(jìn)入澄清室進(jìn)行油水分離。試驗(yàn)中，通過(guò)相機(jī)拍攝混合槽中油水分布情況。由于煤油本身呈無(wú)色透明狀，為使液體易于區(qū)分，用蘇丹紅Ⅳ進(jìn)行染色。在混合室進(jìn)料口處，引出一測(cè)壓管，該管與混合室液面的高度位差即為抽吸壓頭。攪拌軸上裝有扭矩傳感器，通過(guò)測(cè)量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)攪拌軸上的力矩來(lái)計(jì)算攪拌功率。扭矩與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的乘積即為軸功率[9]。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖3所示。

a—外部靜止區(qū)域；b—改進(jìn)型內(nèi)部攪拌區(qū)域；c—傳統(tǒng)內(nèi)部攪拌區(qū)域。圖3 外部靜止區(qū)域及內(nèi)部攪拌區(qū)域的網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理。計(jì)算區(qū)域劃分為兩塊，即內(nèi)部攪拌區(qū)域和外部靜止區(qū)域。外部靜止區(qū)域結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，主體使用六面體網(wǎng)格劃分，部分不規(guī)則區(qū)域使用四面體網(wǎng)格劃分。內(nèi)部攪拌區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故用四面體網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精確度，采用尺寸函數(shù)(size function)對(duì)兩區(qū)域交界面，攪拌區(qū)域和進(jìn)料處進(jìn)行網(wǎng)格加密。

2.2 計(jì)算條件

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模擬油水兩相流動(dòng)情況選擇Eulerian多相流模型，模擬攪拌區(qū)域和靜止區(qū)域的相對(duì)運(yùn)動(dòng)選擇多重參考系法(multiple reference frame)。模擬分散相滴徑分布時(shí)選用群體平衡模型(population balance equation)，以均一離散法求解，對(duì)于分散相的聚并模型選擇湍流模型，而破碎模型選擇Luo模型。油相與水相之間的曳力系數(shù)表征選擇Schiller-Naumann-PB模型。在液-液體系中，升力和虛擬質(zhì)量力與曳力相比可以忽略。

油相入口邊界條件為速度邊界入口，入口速度為0.04 m/s，湍流參數(shù)描述選擇湍流強(qiáng)度I和水力學(xué)直徑DH，其中，I=9.874 5%，DH=20 mm；水相入口邊界條件為速度邊界入口，入口速度為0.36 m/s。湍流參數(shù)描述選擇湍流強(qiáng)度I和水力學(xué)直徑DH，其中，I=5.275%，DH=20 mm；溢流出口為壓力邊界出口；頂部自由液面為對(duì)稱邊界條件；外部靜止區(qū)域和內(nèi)部攪拌區(qū)域的連接面為交界面；其他所有面均為標(biāo)準(zhǔn)壁面。

數(shù)值求解選擇Phase Coupled SIMPLE耦合速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，欠松弛因子為默認(rèn)值，殘差設(shè)為10-5。監(jiān)控出口壓力、兩相的出口流量和每種滴徑液滴的數(shù)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了證明計(jì)算模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)改進(jìn)型閉式渦輪槳抽吸壓頭、攪拌功率及分散相相含率分布的計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行比較。

圖4、5分別為不同攪拌速度下抽吸壓頭和攪拌功率計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。由圖4、5看出，模擬值和試驗(yàn)值具有相同變化趨勢(shì)，且數(shù)值接近。說(shuō)明使用的計(jì)算流體力學(xué)模型和算法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合槽內(nèi)流場(chǎng)的變化情況。

圖4 抽吸壓頭模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖5 攪拌功率模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖6為200 r/min和600 r/min攪拌速度下的油相分布?？梢钥闯?，模擬和試驗(yàn)的分散相分布情況較為接近。低轉(zhuǎn)速下，上層氣-液接觸面附近油相含率較高；高轉(zhuǎn)速下，油相分布均勻，僅有攪拌軸附近出現(xiàn)油相含率較高的情況：表明模擬計(jì)算時(shí)采用的模型和方法能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混合槽內(nèi)分散相的分布情況。

試驗(yàn)觀察的分布形態(tài)：a1—200 r/min； b1—600 r/min。分散相相含率模擬值：a2—200 r/min； b2—600 r/min。圖6 不同攪拌速度下的油相分布

3.2 抽吸壓頭及攪拌功率

圖7、8分別為不同攪拌速度下，改進(jìn)型閉式渦輪槳和傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的抽吸壓頭和攪拌功率的計(jì)算值對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯焊倪M(jìn)型閉式渦輪槳的抽吸壓頭與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的抽吸壓頭數(shù)值幾乎相等，只有在高攪拌速度條件下才略高于傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的抽吸壓頭，兩者均隨攪拌速度增大而提高，且?guī)缀醭手本€關(guān)系。

圖7 2種類型閉式渦輪槳抽吸壓頭對(duì)比

由圖8看出，改進(jìn)型閉式渦輪槳在降低功率方面有很大優(yōu)勢(shì)。隨攪拌速度增大，改進(jìn)型閉式渦輪槳降低功率也越顯著，在600 r/min條件下，功率降低32.4%。值得注意的是，當(dāng)攪拌速度超過(guò)400 r/min時(shí)，2種閉式渦輪槳的功率升高得都非?？欤@一規(guī)律對(duì)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與操作有一定幫助。結(jié)合圖7、8得出，多級(jí)混合澄清槽在應(yīng)用時(shí)，受到抽吸壓頭和攪拌功率制約，在產(chǎn)生抽吸壓頭接近情況下，改進(jìn)型閉式渦輪槳具有降低功率的優(yōu)勢(shì)。

圖8 2種類型閉式渦輪槳功率對(duì)比

2種類型閉式渦輪槳攪拌功率產(chǎn)生差異的原因主要有2方面：1)在攪拌速度、攪拌槳半徑及流量都相同條件下，采用長(zhǎng)方形直葉片的傳統(tǒng)型閉式渦輪槳產(chǎn)生的出口絕對(duì)速度大于采用后彎式葉片的改進(jìn)型閉式渦輪槳，而流動(dòng)能量損耗與速度的平方成正比，造成長(zhǎng)方形直葉片的傳統(tǒng)型閉式渦輪槳能量損耗大；2)長(zhǎng)方形直葉片產(chǎn)生的動(dòng)能大于后彎式葉片，雖然液體的動(dòng)能能夠在槳間流動(dòng)中部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，但在轉(zhuǎn)化過(guò)程中造成較多的能量損耗[10]。

以圖7、8中傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的單位體積功率與抽吸壓頭數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改變改進(jìn)型閉式渦輪槳的攪拌速度，使之消耗的單位體積功率與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳相同，比較抽吸壓頭的大小，結(jié)果如圖9所示。在單位體積功率消耗量相同條件下，改進(jìn)型閉式渦輪槳的抽吸壓頭高于傳統(tǒng)型閉式渦輪槳，且消耗的功率越大，兩者差距也越大。較低功率水平時(shí)，增加單位體積功率輸入對(duì)抽吸壓頭數(shù)值提升效果明顯；較高功率水平時(shí)，繼續(xù)提高功率輸入，不如低功率情況下提升明顯，尤其是傳統(tǒng)型閉式渦輪槳。綜上所述，改進(jìn)型閉式渦輪槳應(yīng)用于多級(jí)混合澄清槽對(duì)于保障液體在級(jí)間的輸送更為有利。

圖9 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳功率與抽吸壓頭之間的關(guān)系

3.3 Sauter平均滴徑分布

圖10為不同攪拌速度下，改進(jìn)型閉式渦輪槳和傳統(tǒng)型閉式渦輪槳Sauter(d32)平均滴徑的對(duì)比。

圖10 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳平均滴徑對(duì)比

由圖中10看出：相較于改進(jìn)型閉式渦輪槳，傳統(tǒng)型閉式渦輪槳剪切生成的Sauter平均滴徑更小，說(shuō)明其剪切作用更強(qiáng)，有更多的能量用于液滴破碎；隨攪拌速度增大，2種攪拌槳產(chǎn)生的液滴平均滴徑都減小，且差距也縮小。細(xì)小的液滴有助于提高傳質(zhì)效率，但液滴過(guò)于細(xì)小則會(huì)導(dǎo)致乳化，不利于后續(xù)澄清。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)體系不同選擇合適的攪拌槳。改進(jìn)型閉式渦輪槳適用于界面張力較小的體系，其攪拌產(chǎn)生的液滴平均滴徑不會(huì)過(guò)小，在保證傳質(zhì)效率的同時(shí)，也有相對(duì)較快的聚并過(guò)程，從而減小澄清室的面積，節(jié)省設(shè)備規(guī)模和場(chǎng)地空間。

3.4 分散相相含率分布

圖11為攪拌速度600 r/min條件下，改進(jìn)型閉式渦輪槳與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的油相局部體積分?jǐn)?shù)。由于基本槳型均為閉式渦輪槳，兩者的油相局部體積分?jǐn)?shù)分布圖基本相同，在大部分區(qū)域油相占比為0.05～0.15，接近進(jìn)口處油水體積比，說(shuō)明混合效果均較好。在混合槽上半部，2種槳型均出現(xiàn)了攪拌軸附近油相相含率偏大，液面處油相相含率高達(dá)1的情況。對(duì)比2種槳型，傳統(tǒng)型閉式渦輪槳油相相含率分布要略優(yōu)于改進(jìn)型閉式渦輪槳。分析上述現(xiàn)象，閉式渦輪槳在槳葉處能產(chǎn)生高剪切速率，促進(jìn)油相的快速分散，達(dá)到局部均勻混合的結(jié)果。但是由于結(jié)構(gòu)的限制，閉式渦輪槳往往只能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的切向環(huán)流，對(duì)軸向的擾動(dòng)不足，使得混合槽的上半部分成為軸向環(huán)流的弱循環(huán)區(qū)域，密度較小的油相容易上浮，出現(xiàn)油水分層。而環(huán)流的速度與閉式渦輪槳出口處的速度有關(guān)，傳統(tǒng)型閉式渦輪槳出口處速度應(yīng)大于改進(jìn)型閉式渦輪槳，所以油相相含率分布要優(yōu)于改進(jìn)型閉式渦輪槳。

圖11 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的油相局部體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

3.5 速度場(chǎng)

圖12、13為攪拌速度600 r/min條件下，改進(jìn)型閉式渦輪槳與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的軸向和切向速度矢量圖。分析對(duì)比兩張軸向矢量圖，在閉式渦輪槳的進(jìn)口處，潛室中的液體被快速吸入，經(jīng)過(guò)葉輪的高速剪切，又以較快的速度從葉片間排出，進(jìn)入軸向循環(huán)，說(shuō)明閉式渦輪槳能在進(jìn)口處產(chǎn)生低壓，具有很強(qiáng)的抽吸能力。而改進(jìn)型閉式渦輪槳的進(jìn)口處液體速度流量更大，產(chǎn)生的抽吸壓頭也就越大。在軸向循環(huán)中，兩種閉式渦輪槳均產(chǎn)生單一回路的循環(huán)，這與槳的安裝位置有關(guān)[11-12]。高流速主要集中在下半部的攪拌區(qū)域，越往上流速越小，尤其是中間靠近攪拌軸的區(qū)域，這將影響混合效果。分析兩張切向矢量圖，兩種閉式渦輪槳都形成了均勻的切向環(huán)流，槳葉區(qū)速度極大，離槳葉區(qū)越遠(yuǎn)速度越小，環(huán)流死角處依然有擾動(dòng)。傳統(tǒng)型閉式渦輪槳出口處的最大切向速度優(yōu)于改進(jìn)型閉式渦輪槳，也說(shuō)明了其引起的擾動(dòng)更大，更有利于油相分散，但產(chǎn)生過(guò)于細(xì)小的液滴，滴徑分布的不均勻性更加突出。

圖12 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的軸向速度對(duì)比

圖13 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型閉式渦輪槳的切向速度對(duì)比

4 結(jié)論

基于CFD-PBE模型分別對(duì)以傳統(tǒng)和一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的閉式渦輪槳為攪拌槳的混合槽進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論如下：

1)改進(jìn)型閉式渦輪槳在不減小抽吸壓頭的條件下，可以有效地降低攪拌功率輸入，節(jié)省操作費(fèi)用；

2)在攪拌功率水平相同的條件下，混合室采用改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的閉式渦輪槳，其抽吸能力得到有效提高；

3)傳統(tǒng)型閉式渦輪槳可以產(chǎn)生更加細(xì)小的液滴，提高傳質(zhì)效率，但不利于后續(xù)澄清操作，而改進(jìn)型閉式渦輪槳產(chǎn)生的液滴稍大，在保證傳質(zhì)效率的同時(shí)，也有較快地聚并過(guò)程；

4)改進(jìn)型閉式渦輪槳和傳統(tǒng)型閉式渦輪槳大部分區(qū)域油相相含率分布均勻，混合效果良好，但都存在上半部油相分布集中，出現(xiàn)油水分層的問(wèn)題。