攪拌混合槽內混合過程的數值模擬

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流體的流動密切相關。為了更好地了解和掌握料液的混合過程與混合時間，對槽內料液的流場和混合過程進行研究至關重要。攪拌槳形式對料液的混合過程影響較大［1－2］。本文針對兩種攪拌槳模型與其對應的混合槽，研究了水相和P507有機相的攪拌混合過程。

1 雙層攪拌槳混合過程的數值模擬

混合時間是通過測量某一監測點的示蹤劑濃度達到最終穩定值的95%所用的時間而求得。試驗研究了z＝116～140mm、總共13組層間距的混合時間。由不同的示蹤劑加入點位置和監測點位置得出的混合時間是不同的，所以，只有在相同的示蹤劑加入點位置和監測點位置處得出的混合時間才具有可比性［3］。

1．1 示蹤劑的加入

用NaCl作示蹤劑，通過FLUENT軟件中的“Adapt”→“Region”確定示蹤劑的加入點位置。根據坐標確定相應的示蹤劑加入點，然后以該點為中心定義一球體。定義兩個示蹤劑加入點，球體直徑為30mm，即表面加料點FA（x＝0，y＝110，z＝475，r＝15）和底部加料點FB（x＝0，y＝110，z＝－10，r＝15）。選擇3個監測點P1（x＝0，y＝－185，z＝475），P2（x＝0，y＝－185，z＝280）和P3（x＝0，y＝－185，z＝－10）。加料點和監測點位置如圖1所示。

圖1 加料點和監測點位置示意圖

1．2 初始條件的設置

確定好示蹤劑的加入點后，利用初始化功能中的打補丁功能（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，槽內其余位置的濃度值定義為0。當某一監測點測到的示蹤劑濃度值達到最終穩定濃度值的95%時，所用的時間即為該點處的混合時間。

1．3 混合和反應模型的設置

對混合過程的模擬除了要用到標準κ－ε模型之外，還要啟用物質傳遞模型（species model）、激活組分運輸項（species transport）來表示示蹤劑的擴散過程，觀察示蹤劑濃度隨時間的變化。不激活反應項（reactions），保證物料之間不會發生化學反應，只進行單純的混合。

1．4 收斂殘差與時間步長的設置

數值模擬計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置為10－5。時間步長取值不能太大，否則會導致計算結果不收斂，影響精確性。一般取小于轉速倒數的1／10［5］，如轉速為300r／min，則時間步長可以取0．000 2s。然后進行迭代，直到收斂。

1．5 結果與分析

圖2為攪拌槳層間距z為124mm和136 mm、底部FB加料時不同時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。可以清晰地觀察到，層間距不同時，示蹤劑在槽內的擴散速率是不同的：初始時示蹤劑在槽內的濃度分布是相同的；混合10s后，攪拌槳層間距為136mm的擴散范圍明顯更大，擴散速率更快，混合效果更好；混合40s后，攪拌槳層間距為124mm，示蹤劑還沒有完全擴散，攪拌槳層間距為136mm示蹤劑擴散完全，混合均勻。

圖2 層間距為124mm和136mm雙層槳攪拌不同時間示蹤劑濃度分布

表1給出了攪拌速度為300r／min條件下雙層槳不同層間距對底部FB加料、P2檢測時的混合時間的影響。

表1 攪拌槳層間距對混合時間的影響

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

2 三層攪拌槳混合過程的數值模擬

攪拌槽容積為246L，所用攪拌槳為三層結構。

進口處的壓力對混合過程影響很大，進口處負壓越大，攪拌槳的泵吸效果越好，越有利于料液進入混合室。特定的混合過程中，一整套的混合澄清設備除攪拌槳的插入深度是變化的之外，其他（攪拌槳的轉速，設備的形狀與尺寸，料液的濃度等）參數一般是固定不變的。實際生產中，攪拌槳的插入深度y的可調范圍是20～50mm。根據攪拌槳插入深度y（即攪拌槳底部到槽底的垂直距離）與進口負壓值之間的關系，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進口處負壓值見表2。

表2 不同y值條件下的進口負壓值

圖3給出了y＝22、28、30、40、50、80mm 時x＝0平面的壓力云圖。根據圖6和表2可直觀地看出進口負壓及分布范圍。當y＜30mm時，隨y增大，進口負壓值增大，負壓區域略有增大；當y＞30mm時，隨y增大，進口負壓值和負壓區域都有變小趨勢；y＝30mm時，對應的進口處負壓最大，為－442Pa，并且這個位置的負壓區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 混合設備的工程應用

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

經過一段時間的試運行，雙層槳的層間距為124mm時，上層料液的混合非常不充分，混合時間大約為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，并且分區流動現象較明顯，萃取劑多停留在上層，混合時間約為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，攪拌效果最好。

4 結論

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

［1］龔姚騰，曾令揮，肖順根．不同攪拌槳形式對稀土萃取槽內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．帶雙層槳的鎢礦堿煮浸出槽內流場仿真分析［J］．濕法冶金，2013，32（2）：101－104．

［3］侯拴弟，張政，王英深．渦輪槳攪拌槽流動場數值模擬［J］．化工學報，2001，52（3）：241－245．

［4］張國娟，閔健，高正明．渦輪槳攪拌槽內混合過程的數值模擬［J］．北京化工大學學報，2004，31（6）：24－27．

［5］楊鋒苓．擺動式攪拌流場與混合過程的數值模擬［D］．濟南：山東大學，2007．

［6］周國忠，王英深，施力田．攪拌槽內三維流動場的RNGκ－ε數值模擬［J］．北京化工大學學報，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攪拌的影響［J］．濕法冶金，2013，30（1）：61－63．