潛室對稀土萃取槽混合室流場特性影響的模擬分析

（江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000）

0 引言

稀土有“工業味精”的美譽，在材料制備與加工中，添加稀土可提高產品性能，改善工藝條件[1]。萃取槽廣泛應用于稀土生產中，是萃取分離的關鍵設備，具有結構簡單、級效率高、處理能力大等優點[2,3]。隨著稀土萃取行業的發展，我國對萃取槽混合性能的研究集中在混合室攪拌槳的結構和尺寸[4]，對潛室研究較少，潛室能起到物料緩沖作用，增加兩相接觸時間，可提高混合效率。

由于實驗原料昂貴、過程復雜且耗時長等不足，借助計算機技術輔助研究越來被重視，逐步成為研究流體力學的重要手段[5,6]。梁瑛娜[7]運用CFD的方法，分析槳型與轉速對混合性能的影響。本文使用CFD軟件，分析四種不同潛室結構對混合室流場特性的影響，進行攪拌功率計算，以提高混合效率。

1 數值模擬方法

1.1 模型建立

以贛州某企業萃取槽為研究對象。本文主要研究潛室結構對混合室混合特性的影響。混合室長550mm，寬550mm，有效液面高660mm，潛室高100mm；攪拌槳上兩層為平直葉槳，底層為渦輪槳，槳葉直徑170mm，槳葉層間距110mm，攪拌槳插入深度為40mm。四種潛室結構如圖1所示。

圖1 四種潛室類型的混合槽結構圖

1.2 參數設置

以稀土料液和P507作為工作介質，模擬時料液用水代替，水為重相，P507為輕相，物料屬性如表1所示。

邊界條件設置：設定入口邊界條件為velocity inlet，出口邊界條件outflow，攪拌槳為運動壁面邊界，其他壁面為靜止邊界。根據式(1)得雷諾數Re為2882，處于湍流狀態，采用標準κ-ε模型與Mixture模型對混合室的混合過程進行數值模擬。其中水相注入速度為0.1m/s，有機相速度為0.2m/s，攪拌轉速為300r/min。

表1 物料屬性

1.3 方程計算

1）雷諾數Re：

d為槳葉直徑，m；n為轉速；ρ為密度，kg/m3；μ為動力粘度，Pa·s。

2）攪拌功率計算公式：

M為扭矩，N·m；n為攪拌槳轉速，r/min。

2 計算結果與討論

2.1 混合槽的速度場分析

由圖2可以看出，四種潛室結構的混合室內部流場出現中軸對稱分區現象，軸心附近軸向速度極小，不利于混合室混合。圖2(a)中，隔板式結構的混合室出現頂、中、底三個循環流；圖2(b)～2(d)三種結構存在頂部和底部兩個循環流；循環流分區間交界處軸向速度為0，阻礙分區之間傳質，不利于料液的混合，循環流的數量越少越好。

由圖2可以看出不同潛室結構拋出物料的流速不同，管式結構拋出的物料流速最快，而隔板式的拋出物料流速最慢。在一定范圍內流速越快，物料循環越劇烈，越容易混合，混合效果越好。從流速方面看，管式結構的混合效果最好，隔板式結構的混合效果最差。

2.2 混合槽的壓力場場分析

圖2 四種潛室結構的混合室中心截面速度矢量圖

圖3 四種潛室結構的混合室中心截面壓力云圖

圖3中，四種潛室結構的混合室中心截面壓力都是從攪拌槳中心到混合室壁對稱分布，壓力值由室壁向攪拌槳減小，越靠近攪拌槳壓力減小越快，在攪拌槳及抽吸孔附近出現負壓。負壓值影響混合室的抽吸能力，負壓越大，混合室的抽吸性能越好，越有利于料液混合。圖3(a)中，隔板式混合室的壁面周圍壓力最大，攪拌軸周圍負壓最小，攪拌槳的抽吸性能最差，不利于料液的混合；而圖3(b)～3(d)中三種結構壓力相差很小，負壓由大到小為無隔板式、管式和V字式，所以無隔板式與管道式結構的混合室抽吸性能較好，有利于混合室中料液混合。

2.3 速度曲線分析

圖4中，中心截面上的交線速度以攪拌軸為中心對稱，橫坐標0為攪拌軸中心，275mm表示槽壁，軸向速度指向z軸為正，徑向速度攪拌軸中心指向四周為正，切向速度逆時針方向為正。圖4中軸向速度最大為1m/s，切向速度最大為2.25m/s，徑向速度最大為0.5m/s，混合室底部的切向和軸向速度高于徑向速度，混合室底部以軸向流和切向流為主。

軸向速度越大，攪拌槳抽吸特性越好，越有利于料液混合。圖4(a)為四種結構軸向曲線圖，無隔板式、V字式和管式三種潛室結構的軸向速度曲線趨勢一致，軸向速度整體趨勢在0～50mm處附近緩慢上升，50～250mm軸向速度逐漸減小至0后反向增大，軸向速度的在近軸端和遠軸端方向相反。而隔板式結構的軸向速度在0～60mm增大，在60～140mm軸向速度先減小后反向增加，140～210mm中反向速度減小至0再正向增大，隔板式結構軸向速度是正值-負值-正值的交替，出現中層循環流。在0～50mm（抽吸孔）處，軸向速度值大小依次是管式、無隔板式、V字式及隔板式。

切向速度越大，物料旋轉速度越大，不利于物料的混合。圖4(b)中四種潛室結構的切向速度曲線一致性高，在70mm附近出現速度極值，因為槳葉旋轉使槳葉末端產生最大的切應力。最大切向速度值由大到小依次是無隔板式、V字式、隔板式及管式。

徑向速度越大，物料被拋向四周速度越大，越利于物料的混合。圖4(c)中無隔板式、V字式和管式的徑向速度曲線趨勢一致，且均為負值。在0～50mm處徑向速度接近為0，幾乎不做徑向運動；隔板式的速度在0～120mm內先正后負，速度方向先指向壁面后指向軸心，存在循環流，不利于料液混合。徑向速度值由大到小是管式、無隔板式、V字式、隔板式。

綜上三相速度分析，管式潛室結構的混合室中軸向速度最大，切向速度最小，徑向速度最大，混合效果最佳。

2.4 攪拌功率分析

攪拌功率反映了攪拌系統能耗的高低，是評價攪拌系統的重要參數。仿真計算通過仿真模擬得到數據，代入功率計算公式(2)求得計算結果如表2所示。

圖4 z=0.15m的截面與y=0m的中心截面的交線速度圖

從表2中可以看出，相同轉速下四種結構的攪拌功率相差較小，隔板式的攪拌功率最小，其抽吸壓力小，流速低，消耗能量少。其他三種結構的攪拌功率隨抽吸負壓值的增大而減小，為保證料液的連續性，抽吸負壓小的要耗費更多的能量完成抽吸。綜合抽吸流速和功率損耗兩方面考慮，管式結構最佳，其抽吸流速大于其他三種結構，且功率損耗不大。

表2 計算結果

3 結論

1）隔板式潛室在混合室中產生三個循環流，料液的流速慢，流動性差，不利于物料在混合室的混合；管

【】【】式潛室的混合室料液流最快，流動性好，有利于混合室的混合。

2）攪拌槳的負壓值越大，抽吸性能越好，有利于混合室的混合。無隔板式負壓最大、隔板式最小，管式混合室的負壓值略小于無隔板式負壓。

3）管式潛室的混合室流速大于其他結構，功率損耗卻相差不大，輸入相同能量時，具有較高的混合效率，隔板式的攪拌損耗功率最小，但其抽吸壓力和流速很低；綜合抽吸流速和功率損耗兩方面考慮，管式潛室結構最適合料液混合。

[1]徐光憲.稀土(第二版,下冊)[M].北京:冶金工業出版社,1995.286-312.

[2]王春花,黃桂文,等.雙混淺層澄清室的混合澄清器研究[J].稀土,2007,28(2):60-64.

[3]趙秋月,張廷安,劉燕,等.攪拌對箱式混合澄清槽流動性能的影響[J].東北大學學報自然科學版,2012,33(4):559-562.

[4]孫會,潘家禎.新型內外組合攪拌槳的開發及流場特性[J].機械工程學報,2007,43(11):58-62.

[5]周國忠,王英琛,施力田.用CFD研究攪拌槽內的混合過程[J].化工學報,2003,54(7):886-890.

[6]SHARMA A,WAN S B,PAREEK V,et al. CFD modeling of mixing behavior of biochar particles in a bubbling fluidized bed[J].Chem.Eng.Sci,2014,106:264-274.

[7]梁瑛娜,高殿榮.雙層直斜葉及其組合槳攪拌槽三維流場數值模擬[J].機械工程學報,2008,44(11):290-297.