萃取槽前室結構對兩相混合過程的影響

龔姚騰，黃 杰，徐 金，逄啟壽

(江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000)

攪拌混合是精細化工、醫藥業、冶金和造紙等行業非常重要的操作之一[1-2]。多層攪拌槳較單層攪拌槳具有更高的混合效率，廣泛應用于多個工業過程中。目前，針對多層攪拌槳已有許多試驗和理論研究[3-7]，但研究內容大都以攪拌槳特性研究為主，對混合室結構研究的很少。針對不同萃取槽前室結構與攪拌槳形式，利用FLUENT軟件模擬分析兩相的混合過程，通過分析對比，選出最優結構，以期為混合室的開發設計提供參考依據。

1 數值分析模擬

1.1 模型結構及網格劃分

試驗所針對的簡化模型是萃取槽含前室和攪拌槳的混合室，如圖1所示。

混合室長度550 mm，寬度550 mm，高度972 mm，有效液面高度660 mm，前室高度100 mm，壁厚12 mm，內部無擋板；3層攪拌槳的上兩層為平直葉槳，底層為渦輪槳，槳葉直徑170 mm，槳葉寬度70 mm，槳葉層間距110 mm，攪拌槳插入深度40 mm。

萃取槽混合室混合過程模擬的變量為前室結構，所采用的3種前室結構如圖2所示。

圖1 萃取槽混合室結構

圖2 3種前室結構

網格劃分采用Workbench自帶的component system(組件系統)中的Mesh(網格劃分模塊)，對3個含前室和攪拌槳的混合室自動劃分網格，采用分區建模法，含槳葉的內部旋轉區域與含前室的外部靜止區域分開劃分。同時，為提高對內部旋轉區域的計算精度，采用局部加密策略對其內部網格進行加密。

1.2 示蹤劑的監測與屬性

選擇靠近混合室底部的底層槳葉邊緣附近為加入示蹤劑位置S(x=180,y=0,z=-200)，在每層槳葉中點水平位置和兩層槳葉間選取具有代表性的監測點，觀察整個混合室內示蹤劑濃度擴散情況。監測點具體坐標為：第1監測點P1(x=180,y=0,z=200)位于混合室底部底層槳中間；第2監測點P2(x=292,y=0,z=200)位于下兩層槳葉之間；第3監測點P3(x=372,y=0,z=200)位于中層槳葉中間；第4監測點P4(x=457,y=0,z=200)位于上兩層槳葉之間；第5監測點P5(x=552,y=0,z=200)位于頂層槳葉中間；第6監測點P6(x=700,y=0,z=200)位于頂層槳葉與液面之間。坐標原點位于前室底部的中心位置，坐標單位均為mm。混合室左側為監測點，右側為加料點，具體位置分布如圖3所示。

圖3 監測點與加料點位置示意

示蹤劑選用能與工作介質互溶的NaCl[8]，其物理性質見表1。

表1 NaCl的物理性質

2 試驗結果與討論

示蹤劑的加入點即為投料點。多相流Mixture模型和組分運輸模型不能同時使用，故示蹤劑以第三相介質加入。先模擬計算水與P507兩相混合的流場，并將兩相流體的穩定流場作為計算濃度場的初始條件，以打補丁的方式將NaCl添加到混合室中，參與濃度擴散的計算。通過觀察第三相的顏色變化來了解示蹤劑在整個混合室內的擴散過程，再通過檢測在混合室內設置的監測點處第三相的濃度來求解混合時間。當所有監測點處第三相的穩定濃度達到最終濃度的±5%時，認為該時間為監測點處的混合時間[9]。受NaCl在混合室內擴散過程的影響，不同監測點處NaCl濃度達到穩定的時間不同，定義達到穩定值的最大混合時間為混合室的整體混合時間。

用示蹤劑的擴散速率反映混合速率，通常用混合時間來評判，混合時間越短，則混合速率越快。以y=0中心截面為觀測面，觀察3種前室結構萃取槽混合室內示蹤劑的擴散過程。由于混合10 s左右NaCl將布滿整個混合室，10 s以后室內NaCl濃度差逐漸減小，擴散過程不明顯，故截取前10 s內具有代表性的3個時刻的NaCl擴散云圖，結果如圖4所示。其中混合時間為0 s時為示蹤劑的初始濃度分布，顯示加料位置分布。3種結構的加料位置相同，故混合時間具有可比性。

2.1 示蹤劑擴散狀況

V字式和管式結構中，NaCl的擴散過程基本一致(如圖4所示)。混合時間為0 s時，NaCl加入混合室，加入位置處在底部循環流范圍內，前期NaCl主要在底部的二次循環流內成渦環狀，并以較快速度軸向擴散；之后，NaCl在底層槳的旋轉作用下，在混合室底部的循環流內周向擴散，同時在濃度差的驅使下穿過2個循環流的交界到達頂層循環流，并在頂層循環流內快速軸向擴散，隨后周向擴散。這說明整個混合室內的流場都是以軸向速度為主，非常有利于物料混合。混合4 s以后，NaCl穿過循環流分區到達頂層循環流，說明分區現象阻礙了示蹤劑在混合室內的擴散，不利于混合室內的整體混合。3種結構的濃度場靠近液面的軸心附近NaCl濃度均為0，說明此處軸向速度和切向速度都非常小，物料只是圍繞攪拌軸旋轉。

隔板混合室內示蹤劑擴散過程與另2種結構不同。混合前4 s時間內，NaCl主要在底部小循環流內圍繞攪拌軸周向擴散；在混合4 s時，NaCl已經在濃度差的驅使下擴散到中層循環流范圍內，在中層循環流內軸向和周向擴散。由于頂層循環流和中層循環流的分區現象，使混合4 s后的擴散速度比較慢；混合10 s后布滿整個混合室。

對比3種結構混合室在混合時間分別為0、4、10 s時的NaCl擴散云圖可知：在前4 s內，隔板混合室內NaCl擴散速度最快，因為其底層小型循環流軸向循環強度較弱，NaCl快速周向擴散；4 s以后，隔板式混合室中，NaCl擴散速度較另外2種結構慢很多，說明隔板混合室內物料流動性較差。

2.2 不同結構混合室的混合時間

混合時間θt是評判攪拌效果的重要指標。混合時間是指2種以上完全互溶、但又在某些性質上(如物理或化學性質)存在差別的介質，在攪拌作用下達到規定混合水平所需時間。

圖4 3種結構混合室在混合時間分別為0、4、10 s時的NaCl擴散云圖

3種前室結構的萃取槽混合室在各個監測點的具體混合時間見表2。可以看出，混合時間越短，混合速率越高。

表2 各監測點混合時間計算結果 s

由表2看出：3種結構都是在監測點P1處混合時間最長，這是由于P1點靠近混合室底部進料口，未混合的有機相和水相不斷涌入，較難混合均勻，NaCl濃度響應曲線波動劇烈；而出料口在液面附近，遠離P1點，沒有觀察意義，因此混合時間忽略此點。混合室內中上部分物料混合均勻，即代表整室內的物料整體混合均勻，混合室最終混合時間為其他點中混合時間最長的點。

經對比看出：管式結構在各個監測點處的混合時間均比另外2種結構在相同監測點處的混合時間短，即混合速率最高；隔板式結構的混合時間是管式結構混合時間的2.5倍多，其混合速率遠低于另外2種結構。

3種前室結構萃取槽混合室在各監測點處的NaCl濃度隨時間的變化，即濃度響應曲線如圖5所示。由于P1監測點靠近混合室底部，遠離出料口，沒有觀察意義，因此只考察其他5個監測點處的NaCl濃度變化情況。可以看出，隔板式結構混合室監測點的NaCl濃度響應曲線與V字式和管式結構混合室的明顯不同：前4s內，NaCl軸向擴散速度較快，這是由于底部渦流環比較小，強度弱，NaCl很快擴散到中層渦流環并開始軸向擴散，因此，P2和P3點都首先出現較大程度的濃度波動；但隔板式的混合室內物料流動性較差，因此，其最終混合時間遠遠長于另外2種結構濃度達到穩定值所需時間。V字式和管式結構的濃度響應曲線整體波動趨勢相同，這主要是受混合室內物料流動規律的影響：前4 s內NaCl主要在底部循環流內擴散，因此位于底部渦環內的P2點最先出現濃度波動，并迅速達到濃度峰值；4 s后，軸向擴散到頂部主體循環流，因此P5點濃度達到峰值，隨后濃度迅速降低，這是因為在頂部循環流內迅速周向擴散，與濃度擴散云圖結果相一致。同一混合室內不同監測點的混合時間不同，濃度響應曲線也不同，這主要是受NaCl擴散過程的影響。

圖5 3種前室結構混合室在各監測點的NaCl濃度響應曲線

2.3 混合效率的計算

混合效率反映攪拌效果，一般用單位體積混合能Wv描述[10]。單位體積混合能綜合考慮功耗與時間對攪拌的影響，它表示攪拌槳在一定速度下將單位體積的物料攪拌混合達到需要的均勻程度所消耗的能量，Wv越小，則混合效率越高，攪拌設備性能越好。混合能計算公式為

(1)

混合室和攪拌槳結構參數均沒有變化，其混合室有效體積均為0.2 m3。前室體積計算公式如下：

隔板式，

Vgb=(0.55-0.010 2)×0.55×0.1

=0.029 68(m3)；

(2)

V字式，

=0.010 79(m3)；

(3) 材料自身及試驗系統引入的非線性會對試驗結果產生影響，如何將其影響降至最小以及如何對各層板間的損傷大小進行檢測與定量分析值得進一步探討與研究。

(3)

管式，

Vg=π×0.0452×0.1=0.000 64(m3)。

(4)

考慮前室結構對混合時間和攪拌功率的綜合影響，以混合效率為評價指標，對比分析3種前室結構對混合過程的影響。不同前室結構下的混合室單位體積混合能計算結果見表3。

表3 單位體積混合能計算結果

由表3看出：管式結構混合室的單位體積混合能最小，說明該結構混合效率最高；V字式結構的單位體積混合能相對較高，已經超過10 kJ/m3，混合效率較低；隔板式結構的單位體積混合能是管式結構的2.2倍，混合效率非常低。

3 結論

1)示蹤劑NaCl擴散過程與混合室內物料的運動規律具有一致性，在隔板式結構混合室內的擴散過程與在另2種結構混合室中的明顯不同。混合前4 s內，示蹤劑在隔板混合室內擴散速度最快，但之后擴散速度遠遠小于在另2種結構混合室中的擴散速度。管式結構中示蹤劑擴散速度大于V字式結構中示蹤劑擴散速度。

2)管式結構混合室在各監測點的混合時間較短，混合速率較高；其次是V字式結構；隔板式結構混合時間是管式結構的2.5倍多，混合速率最低。

3)依據單位體積混合能，3種結構混合室的混合效率高低排序為管式結構>V字式結構>隔板式結構。從混合速率和混合效率兩方面衡量，管式結構前室混合效果最佳，其次是V字式，隔板式混合室的混合速率和混合效率都遠低于前2種結構混合室。

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