離心萃取器轉筒入口半徑對筒內流場的影響

范智，白志山，徐艷，楊曉勇

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海200237）

環隙式離心萃取器是一種高效的液-液萃取設備。它的結構簡單、緊湊，集傳質和分離于一體，有存留量小、停留時間短、適應的流比范圍寬、達到傳質平衡速度快、傳質級效率高等優點，在化工、核能、石油、制藥等領域有著重要的應用[1-4]。

近年來，隨著環隙式離心萃取器在工程應用越來越廣，許多學者對其展開了深入研究。Li等[5]用CFD計算流體動力學方法模擬了環隙式離心萃取器內氣-液-液三相流動，采用Euler-Euler的多相流模型研究了不同操作條件下氣-液-液三相的流動模擬。Patra等[6]通過k-ε模型模擬了轉筒直徑為15～375mm環隙式離心萃取器轉速為20～175r/s時的單相流場，并與之前相關文獻的實驗對比，發現轉筒內流動為強制湍流渦流，隨著轉筒轉速的增加，能量耗散增加。Padial-Collins等[7]使用多相模擬方法模擬了環隙式離心萃取器液-液兩相分離的過程，發現兩相的混合黏度比每一相的混合黏度對分離效果的影響要大。

本文采用PIV流場測試技術，針對不同的轉筒入口半徑，對離心萃取器轉筒內流場進行測試，分析其流場變化規律，為離心萃取器的進一步優化和設計提供一定的理論依據。

1 實驗裝置與PIV測試系統

如圖1所示為離心萃取器轉筒結構，底部中心位置設有入口，取距離底部11mm位置作為測試截面，具體模型參數見表1。

圖1 離心萃取器轉筒

表1 模型參數

圖2 不同入口半徑的轉筒模型

本文討論環隙式離心萃取器轉筒入口半徑對筒內流場的影響，可變參數為轉筒入口半徑，圖2所示為入口半徑R′分別為7mm、10mm和13mm的3組轉筒模型。

PIV粒子圖像測速法，是20世紀80年代發展起來的一種瞬態的流場測試技術[8]。其基本原理[9]是在流場中投入適當且跟隨性好的示蹤粒子，通過示蹤粒子的速度代表其所在流場內相應位置處流體的速度。實驗測試系統包括脈沖激光發生器、時間控制同步器、CCD相機、圖像采集分析系統等。圖3所示為實驗裝置及測試系統示意圖。

按實驗流程圖連接實驗裝置，將溶液進入缸中至特定值，并將適量的示蹤粒子（聚二縮三丙二醇二丙烯酸酯）加入溶液中，攪拌均勻使粒子在溶液中呈懸浮狀態。啟動環隙式離心萃取器開關，將轉速調節至預定值。流場穩定后，開啟計算機、PIV同步器、CCD相機、激光冷卻器、激光器。打開Insight5.0軟件，對實驗流場進行標定，得到圖像與拍攝流場的比例因子，使用PIV系統拍照。用Insight5.0對圖像進行后處理，獲得流場內矢量分布。調整拍攝位置和實驗模型，重復以上操作。

圖3 實驗裝置及測試系統

2 實驗結果

2.1 測試截面的速度分布

圖4所示在測試截面Z=11mm處相對地面的速度分布，轉筒入口半徑R′分別為7mm、10mm、13mm。由圖4可知，轉筒內流場的流線滿足Taylor-Proudman定理，流體從轉筒底部入口逆時針螺旋進入轉筒，在中心處流體轉速為零，在中心處規律性不明顯，隨著半徑逐漸增大，轉速也逐漸變大，形成強制渦，在轉筒壁處達到最大值。當入口半徑為10mm時，其邊界處速度比入口半徑為7mm和13mm的速度相對更大。

圖5表示在測試截面處相對轉筒的速度分布。可以看到，轉筒高速旋轉時形成吸力，流體從轉筒中心處吸入形成一個渦，在離心力的作用下很快甩至每個分離腔內，在每個分離腔內形成渦流。從圖中流線可以看出，當入口半徑為10mm時，轉筒內流場在每個分離腔內都形成了渦流，同時在中間部位也形成了渦流；當入口半徑為7mm時，每個分離腔內未形成明顯渦流；當入口半徑為13mm時，可能由于入口半徑太大，轉筒內產生的渦流較為分散。

圖4 速度分布（相對地面）

圖5 速度分布（相對轉筒）

2.2 切向速度分布

圖6為轉筒在測試截面相對轉筒的切向速度云圖，圖7為轉筒在測試截面相對轉筒的切向速度沿半徑的分布。當入口半徑為10mm時，其切向速度絕對值最大，分離效果最好；當入口半徑為7mm時，切向速度整體相對較小，但與半徑為10mm相比，趨勢基本相同；當入口半徑為13mm時，由圖6可以看出，出現了多個正負速度區域，渦流復雜，可能是由于入口半徑過大，流體被吸入轉筒時，不再存在規律。

2.3 徑向速度分布

圖6 切向速度云圖（相對轉筒）

圖7 切向速度沿半徑的分布（相對轉筒）

圖8 徑向速度云圖（相對轉筒）

圖9 徑向速度沿半徑的分布（相對轉筒）

圖8為轉筒在測試截面相對轉筒的徑向速度云圖，圖9為轉筒在測試截面相對轉筒的徑向速度沿半徑的分布。由兩圖可以看出，當入口半徑為10mm時，徑向速度正負值都較大，說明流體相對于轉筒有往邊壁移動的趨勢；入口半徑為7mm時，徑向速度較小，無明顯的相對運動；當半徑為13mm時，邊壁處幾乎沒有速度變化。

3 結論

（1）以地面為參考系時，轉筒內流場的流線滿足Taylor-Proudman定理，流體的轉速隨著轉筒半徑的增大而增大；以轉筒為參考系時，轉筒高速旋轉形成吸力，流體從轉筒中心處吸入形成一個渦，在離心力的作用下很快甩至每個分離腔內，在每個分離腔內形成渦流。

（2）在測試截面處，當入口半徑為10mm時，轉筒內流場的切向速度的絕對值比入口半徑為7mm和13mm的要大，液體更容易流向轉筒邊壁，分離效果更好。

（3）入口半徑為10mm的轉筒模型與入口半徑為7mm和13mm相比，其徑向速度相對于轉筒為正值時，基本處于最大值，其吸入效率最高，液體進入轉筒入口后能快速被甩至邊壁處，更有利于分離。

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