戴新銳 李春林 王仕博 徐建新 肖清泰
(1.冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心,2.冶金化工節(jié)能環(huán)保技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,3.鑫聯(lián)環(huán)??萍脊煞萦邢薰?
攪拌是過(guò)程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作。常見(jiàn)的攪拌方式有機(jī)械攪拌[1]、氣流攪拌[2]和外場(chǎng)攪拌[3]三種,分別利用機(jī)械動(dòng)力、壓縮空氣和超聲波/電磁力的作用進(jìn)行攪拌,其中最便捷高效的是機(jī)械攪拌。使用常規(guī)機(jī)械攪拌器勻速攪拌時(shí),攪拌槽中會(huì)形成在攪拌器槳葉的上下方不參與對(duì)流流動(dòng)的混合隔離區(qū)和混合較快的混沌區(qū)[4-5]?;煦缁旌鲜橇黧w運(yùn)動(dòng)非線性的拉伸、折疊,打破流場(chǎng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu),增加流體的混合效率的方式。工程上通常采用變速攪拌[6]、偏心攪拌[7-8]和剛?cè)針獢嚢鑋9-10]實(shí)現(xiàn)流體的混沌混合。
高黏度流體混合在常規(guī)攪拌器下剪切速率低,一直是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。對(duì)于攪拌槽內(nèi)的整個(gè)流場(chǎng)而言,混合效率取決于高低剪切區(qū)交換速率,兩區(qū)域的交換速度快則混合效果好,相反則混合效果差。行星式攪拌槳具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡與復(fù)合的攪拌性能,在工業(yè)上得到廣泛運(yùn)用。
蔣宇健等[11]研究了通過(guò)螺距變化得到不同類型螺旋類攪拌槳對(duì)軸向循環(huán)能力的影響。楊伶等[12]用粒子示蹤法研究了粉料在雙臂行星攪拌槽中流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,并對(duì)最高剪切速率做了探討。
上述行星槳研究,主要針對(duì)槳型及其相關(guān)工藝參數(shù)的改變,研究槳葉的運(yùn)動(dòng)軌跡及流場(chǎng)分布,但缺少定量的結(jié)果評(píng)價(jià),尤其缺乏在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。因此文章對(duì)偏心自轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)兩種攪拌方式結(jié)合實(shí)驗(yàn)與仿真的方法,探究高黏度流體攪拌過(guò)程,揭示了流體的混合特性,優(yōu)化了攪拌器結(jié)構(gòu)。
文章使用鋅粉—銻鹽法除鎘,由電化學(xué)原理可知,鋅粉從硫酸鋅溶液中置換出鎘的反應(yīng)式:
Zn+Cd2+=Zn2++Cd
(1)
此類氧化還原反應(yīng)視為無(wú)數(shù)微電池的總和。過(guò)量鋅粉形成微電池的陽(yáng)極,銻等活化劑形成微電池的陰極[13-15]。反應(yīng)過(guò)程主要有兩個(gè)步驟:一是金屬離子的擴(kuò)散,二是電化學(xué)反應(yīng)。置換反應(yīng)具體由前者控制,還是由后者控制,或是二者混合控制,根據(jù)公式(2)判定:
(2)
查表可得ΔE0=0.36 V,由于銻鹽的加入可以提升電極電位差,所以反應(yīng)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)電極電位差要大于0.36V。這意味著利用鋅粉—銻鹽凈化法除鎘時(shí),電化學(xué)反應(yīng)受擴(kuò)散控制,因而槽體內(nèi)的攪拌效率也影響著最后的凈化結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的攪拌裝置,如圖1所示。硫酸鋅浸出液的粘度為3 400 mPa·s,屬于高黏度流體。水浴加熱,實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃。采用兩種旋轉(zhuǎn)方式:(1)偏心自轉(zhuǎn):?jiǎn)我坏钠牟贾?,僅槳葉自轉(zhuǎn);(2)自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn),槳葉隨軸桿在全局公轉(zhuǎn),其自身槳葉發(fā)生自轉(zhuǎn)。
圖1 凈化實(shí)驗(yàn)裝置
采用的是6DT槳,槽體高H1為0.3 m,直徑D1為0.4 m,槳葉離底高度H2為0.1 m,槳葉直徑D2為0.16 m,偏心率ε為0.5,具體如圖2所示。工作介質(zhì)為甘油,其密度為ρ=1.261 3 g/cm3。全局采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,偏心自轉(zhuǎn)網(wǎng)格數(shù)為998 249,自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)網(wǎng)格數(shù)為2 602 449。將計(jì)算流體域劃分為包含攪拌槳的轉(zhuǎn)子區(qū)域和靜子區(qū)域。利用UDF編譯實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5 rad/s,方向順時(shí)針;自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10 rad/s,方向順時(shí)針。
圖2 攪拌器幾何模型尺寸
基于計(jì)算流體力學(xué)的三大守恒定律,得到柱坐標(biāo)系下流體力學(xué)基本方程的微分形式:
(1)連續(xù)性方程:
(3)
(2)運(yùn)動(dòng)方程:
(4)
(5)
(6)
式中:ρ為流體密度,kg/m3;v為流體速度,m/s;μ為動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù),kg/(m·s),對(duì)于不可壓縮流體divv=0。
兩種攪拌方式下,凈化液中Cd2+濃度和凈化率隨時(shí)間變化如圖3 所示。隨著加入過(guò)量鋅粉,槽內(nèi)反應(yīng)受制于擴(kuò)散控制,自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)下,溶液中Cd2+快速置換析出。在60 min時(shí),自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的凈化率達(dá)到96.9%,相對(duì)于偏心自轉(zhuǎn)效率提高了64%。因?yàn)楠?dú)特的轉(zhuǎn)動(dòng)方式使得槽內(nèi)重復(fù)性的擬序結(jié)構(gòu)被破壞,鋅粉顆粒與雜質(zhì)離子相互接觸碰撞幾率大大提高,從而顯著增大了反應(yīng)速率。
兩種攪拌方式下x-z截面動(dòng)量擴(kuò)散隨時(shí)間變化如圖4所示。偏心自轉(zhuǎn)短時(shí)間(0.056 s)內(nèi),攪拌槳上下兩側(cè)出現(xiàn)層流狀態(tài)的“混合隔離區(qū)”,隨著攪拌槳的動(dòng)量輸入,隔離區(qū)狀態(tài)打破,動(dòng)量向外輸出。3.6 s之后內(nèi)部流體混合出現(xiàn)“偽均勻”。
0.056 s時(shí),公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)量很好地傳遞至壁面,伴隨著槳葉自轉(zhuǎn),環(huán)流不再局限于同一平面。隨著攪拌過(guò)程的運(yùn)行,3.6 s時(shí),槳葉運(yùn)動(dòng)到右側(cè)壁面,附近流體受壓力差驅(qū)動(dòng),引發(fā)軸向流擾動(dòng)至整體流場(chǎng),軸向循環(huán)的增強(qiáng)促使高低剪切區(qū)交換速率提高,打破流體混合的“偽均勻”,強(qiáng)化了混合效果。
1.2 s時(shí),兩種攪拌方式下軸向速度對(duì)比,如圖5。L1的位置為r/R=-0.95,L2位置為r/R=0,如圖5所示。如圖5(a)L1位置,偏心自轉(zhuǎn)條件下的軸向速度均幾乎為零,短時(shí)間存在“死區(qū)”,速度梯度變化極小,而自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)在全局內(nèi)攪動(dòng),不同流體間發(fā)生速度滑移,使得流體邊界層附近均具有良好的軸向交換能力。如圖5(b)L2位置,自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)得益于軸桿公轉(zhuǎn),高低壓區(qū)形成剪切力引起明顯軸向流。克服了偏心自轉(zhuǎn)暫時(shí)的“死區(qū)”現(xiàn)象,平均軸向速度較偏心自轉(zhuǎn)提高了756.3%,流體混合更劇烈。
圖濃度及凈化率隨時(shí)間變化
圖4 x-z截面動(dòng)量擴(kuò)散隨時(shí)間變化
圖5 1.2 s時(shí),兩種攪拌方式下軸向速度對(duì)比
3.4 機(jī)理分析
自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)流團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖6所示。槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)為整體流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力,將動(dòng)量傳遞給流體,整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)形成三個(gè)大流團(tuán):少量3號(hào)流團(tuán)從槳葉前方出發(fā),沿著攪拌槽圓周進(jìn)行環(huán)流運(yùn)動(dòng);1號(hào)流團(tuán)由大量軸向流組成,高速的軸向流從槽底出發(fā),穿過(guò)整個(gè)流場(chǎng)到達(dá)槽頂后立即轉(zhuǎn)向沿軸向沉降并與3號(hào)流團(tuán)匯合;2號(hào)流團(tuán)由等量的徑向流與軸向流構(gòu)成,從槽底螺旋爬升至流場(chǎng)頂部,并在中心軸處沉降與另外兩股流團(tuán)相匯,形成徑向流在槳葉尾端富集。整體上流場(chǎng)內(nèi)部保持多股流團(tuán)運(yùn)動(dòng),在不同局部位置仍隨機(jī)發(fā)生融合與分離。
圖6 自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)流團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡
槳葉在自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式下,引起流場(chǎng)高低壓力區(qū)隨時(shí)間在不同空間位置發(fā)生變化,使得平滑的流體跡線發(fā)生折疊與拉伸,流體微粒的運(yùn)動(dòng)路徑變長(zhǎng)。伴隨著速度梯度區(qū)域的改變,凈化液中無(wú)論是宏觀固體微粒還是微觀離子,在空間上的碰撞機(jī)率都顯著增大,進(jìn)而短時(shí)間內(nèi),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的遍歷性,引發(fā)流場(chǎng)內(nèi)的混沌混合,使得凈化液內(nèi)的置換反應(yīng)更加徹底,大大提高了凈化速率,實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的工藝目標(biāo)。
文章對(duì)偏心自轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)兩種攪拌方式的混合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)比研究,得出了以下結(jié)論:
(1)在凈化實(shí)驗(yàn)60 min時(shí),自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的凈化率達(dá)到96.9%,相對(duì)于偏心自轉(zhuǎn)效率提高了64%。反應(yīng)速率大大提高,縮短了反應(yīng)時(shí)間。
(2)公轉(zhuǎn)使得槳葉全局?jǐn)噭?dòng),不同流體間發(fā)生速度滑移,流體邊界層附近均具有良好的徑向與軸向交換能力。
(3)自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)工況下,攪拌槽內(nèi)以全局軸向流為主,因而不同層流體發(fā)生頻繁的空間位移,混合更加劇烈。在相同能量輸入下,使得不同流體混合更迅速,節(jié)省時(shí)間。