雙氧水篩板萃取塔兩相流動CFD模擬探究

石 振，段曉霞，陳 猛，蔡衛濱

(1.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083；2.中國科學院過程工程研究所 中國科學院綠色過程與工程重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學 化學工程學院，北京 100190)

雙氧水是一種綠色的化工產品，應用前景廣闊[1-3]。雙氧水生產通常采用蒽醌法，蒽醌經氫化、氧化后，生成雙氧水，隨后通過篩板萃取塔，以水為萃取劑從工作液中萃取雙氧水。在篩板萃取塔中，水作為連續相由塔頂流入，經過降液管流下，在塔板上做橫向流動，繼續沿降液管流入到下一塊塔板上。工作液作為分散相由塔底進入，經塔板篩孔被分散成小液滴與水相接觸并萃取，隨后在上層塔板底下聚并[4]。在工業中，分散相和連續相流速比多在30～70∶1之間，完成萃取需要約三個理論級，但需要50塊左右的塔板，每塊塔板的效率僅有6%左右。研究塔內兩相流動情況，對改進篩板萃取塔的萃取效果，具有重要指導意義。

圖1 篩板萃取塔原理意圖

計算流體動力學技術[5]簡稱“CFD”是通過計算機數值計算和圖像顯示對流動、對流等現象進行精確系統的分析，把在時間域和空間域上連續的物理的量的場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值[7]，CFD模擬不受模型尺寸和人身安全的影響，節約時間減少資金投入。

1 模擬部分

表1 計算域結構

本文采用CFD進行二維兩相流模擬，水為連續相密度998.2 kg/m3，黏度10-3kg/m·s，工作液為分散相，密度865 kg/m3，黏度0.001154 kg/m·s。取兩塊塔板中間截面為計算區域，其結構尺寸如表1所示，采用fluent對篩板塔進行二維模擬，湍流模型選擇k-e方法和標準的壁面函數，邊界條件油和水入口處速度如表2所示，出口采用自由出口，油水入口處水力學直徑D為0.24 mm和0.06 mm，油水入口處湍流強度分別為3.57%和1%。壓力相差分方法為標準差分，采用和一階迎風格式，壓力速度耦合相為SIMPLE算法，殘差設定為10-3，并監視出口流量。用gambit對計算區域進行前處理進行網格劃分，采用四邊形網格，網格尺寸為5 mm，網格劃分為13506個，計算域的物理模型及網格如圖2所示。

表2 不同速度的入口邊界

圖2 計算域物理模型和網格

2 實驗結果與討論

篩板萃取塔兩相流動的CFD模擬結果如圖3、圖4所示。從連續相的流動看，都存在比較大的漩渦，這是降低塔內傳質性能的主要原因。在油相流量不變的情況下，隨著水相流量的減小，水相形成的渦流面積增大。從油相矢量圖看，由于連續相產生的漩渦，油相也相應產生漩渦，并且向塔中間的集中。隨著水相流量減小，分散相向塔中間的集中更嚴重，這會減少油水接觸時間，降低傳質效率。

圖3 水相速度矢量圖

圖4 油相速度矢量圖

王冰[8]研究了篩板萃取塔中，降液管結構對單相流動的影響，結果表明，通過對降液管開孔傾斜放置以及在右側加入擋板，可以有效改善連續相的流動。基于此結果，本文以速度Y進行兩相流動模擬，結果如圖5所示。可以看出，這些措施可以在一定程度上減小水相渦流，改善水相和油相的流動，但改進幅度有限。通過向篩板間填充填料，可能是提高篩板萃取塔效率的一個有效決方案。

圖5 水相與油相速度矢量圖

3 結論

在油相流量不變的情況下，隨著水相流量的減小，水相形成的渦流面積增大；由于連續相產生的漩渦，油相也相應產生漩渦，并且向塔中間的集中，降低傳質效率。

通過對降液管開孔傾斜放置以及在右側加入擋板，可以有效改善連續相的流動，這些措施可以在一定程度上減小水相渦流，改善水相和油相的流動，但改進幅度有限。通過向篩板間填充填料，可能是提高篩板萃取塔效率的一個有效決方案。