羥乙基纖維素溶液冷凍傳熱性能的模擬分析

曾娟 張建樹(石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆 石河子 832003)

0 引言

羥乙基纖維素(HEC)是天然纖維素進行醚化改性處理后得到的產物，是由棉、麻等經堿化、醚化使用一環氧乙烷作為醚化劑等過程制備而成的非離子型纖維素醚類，具有良好的結構特征和優異的相容性[1]。

晶膠層析技術的載體材料是晶膠介質，晶膠材料需具有很好的彈性性能，強的還原能力，和一定的化學穩定性，可以重復利用[2]。羥乙基纖維素可以作為晶膠介質用作層析分離，它的結構中存在10～100 微米的超大孔隙，并相互連通，可以讓微生物細胞和細胞碎片順利通過。

結晶制孔法是最主要的晶膠制備方法，其制備原理：在聚合物單體與交聯劑形成的水溶劑在低溫冷凍時，水相變結晶，由于結晶具有排他性，造成聚合物和交聯劑堆積在晶體四周，使溶液中單體的濃度升高，導致結晶溫度下降，聚合反應完成后，床柱骨架基本形成，升高體系溫度，層析柱內的冰晶融化前所占據的空間就形成超大孔隙[3]。本文將使用羥乙基纖維素作為晶膠介質，探索羥乙基纖維素溶液降溫過程的溫場變化及其規律。

1 計算流體力學(CFD)

計算流體力學通過各種計算流體力學相關軟件對流體力學問題進行計算并處理。直觀的使用圖和表來描述計算結果，處理解決流體力學問題時主要將連續的多個物理量進行有規則的網格劃分，劃分后的網格形成有限的離散單元，再根據流體力學的基本方程列出有限體積的離散單元物理量的各個物理量方程組，最后通過迭代的運算方式對這些代數方程組進行求解，從而得到所求變量的數值。

2 研究內容與方法

本次模擬研究對象為高100mm、直徑10mm、壁厚1mm 的柱床。柱床外壁材質為石英管，內部分為兩部分：上部分為高20mm 殘余空氣；下部為高80mm 的5%羥乙基纖維素-水溶液。以半徑為5mm，軸向高度為80mm 的層析柱內羥乙基纖維素原料溶液的降溫情況為研究對象，其進出口都呈封閉狀態。該圓柱晶膠層析柱呈對稱分布，通過ICEM 軟件建立四分之一圓柱并對其進行網格劃分。

在Fluent 軟件中，根據表1 的物性參數條件，同時以恒溫壁為邊界條件，對層析柱進行單相液相模擬。使用CFD 后處理軟件CFD-post 提取不同時刻，不同位置溫度隨時間的變化情況。以及不同壁面的溫度云圖。

表1 羥乙基纖維素95%-水5%物性參數

圖1 羥乙基纖維素原溶液不同時刻在下底面的溫度云圖

3 結果與討論

對羥乙基纖維素原料溶液進行降溫模擬，按照模擬步驟進行，將邊界溫度設置成278.15K，內部溫度設置成298.15K，輸入羥乙基纖維素5%-水95%的物性參數，使用Fluent 后處理軟件CFD-post，提取不同時刻50s，150s，250s 的計算數據進行分析得到如下的溫度云圖。

從圖1 中可以看出，在前50s 時，底面的溫度從中心280.7K降到壁面278.1K，變化范圍是2.6K，在150s 時中心到壁面的溫度從278.2K 降到278.1K，溫度變化只有0.1K，在250s 時變化仍然是0.1K，可以得到在0～50s 的范圍溫度降低速率最大，后期層析柱內液體流動緩慢，液體分布均勻，溫度趨于穩定。

從圖2 中可以看出，不同時刻側面上的溫度變化很小，變化范圍只有零點幾K，但從圖中可以看出液體存在對流情況，因為流體的熱導率小，通過熱傳導傳遞的熱量少，因此流體內的溫度梯度小。

分別取半徑方向上的點(0.001,0.005,0)、(0.0025,0.005,0)、(0.004,0.005,0)和y 軸方向上的點(0.001，,0.005,0)、(0.001,0.04,0)、(0.001,0.075，0)將這六個點分別作圖。

從圖3(a)中可以看出沿半徑方向上，內部點的起始溫度始終高于靠近壁面點的起始溫度，還可以得出中心點的降溫速率大于邊界點。在前50s 的降溫速率最大，50～125s 之間的降溫速率逐漸減小，后125s 內的溫度趨于穩定，降低到278.15℃。

從圖3(b)中可以看出沿y 軸方向上，靠近上下底面的點的溫度變化趨勢大致相同，y 軸中心點的起始溫度低于靠近上下底面點的起始溫度，降溫速率同樣在前50s 時最大，50～125s時逐漸減小，125s 后由于液體均勻分度，沒有溫度梯度，溫度同樣降低到設定的邊界溫度值。

圖2 羥乙基纖維素原溶液在不同時刻的側面溫度云圖

圖3 (a)羥乙基纖維素原溶液中沿半徑方向上不同點的溫度變化(b)羥乙基纖維素原溶液中沿y軸方向上不同點的溫度變化

4 結語

結晶致孔法在恒溫冷凍的條件下，冷凍初期床柱的傳熱溫差大，反應液內的溫度梯度明顯，溫度場分布不均勻，床柱的邊緣，溫度較低，相反在床柱的中央，溫度較高。本實驗運用CFD模擬得到羥乙基纖維素原溶液降溫過程的溫場變化及其規律。在本實驗研究的基礎上，可進一步探索如何控制層析柱內的溫度變化，以得到具有優異性能的羥乙基纖維素晶膠介質，為未來的晶膠層析技術提供理論參考。