逄啟壽， 王 亮， 王海輝

(江西理工大學(xué), 江西 贛州 341000)

稀土萃取攪拌槽不同擋板的三維流場數(shù)值模擬

逄啟壽， 王 亮， 王海輝

(江西理工大學(xué), 江西 贛州 341000)

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法，分別對稀土萃取中豎式擋板和三角形擋板的攪拌槽內(nèi)三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬。選用多重參考系法和標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon雙方程模型進(jìn)行模擬，對兩種擋板的速度分布云圖、速度矢量圖和湍流動(dòng)能云圖進(jìn)行對比分析，為攪拌槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

擋板； 攪拌槽； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 數(shù)值模擬

混合澄清槽已經(jīng)廣泛應(yīng)用于稀土萃取分離生產(chǎn)過程中，攪拌槽的混合效果是影響萃取效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，而攪拌槽的混合效果在一定程度上跟攪拌槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)部流體流動(dòng)情況有關(guān)，所以攪拌槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究對改善攪拌槽內(nèi)流體混合效果有重要意義。鄧華軍[1]對稀土攪拌槽內(nèi)三維流場與混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬。侯拴弟[2]對軸流槳攪拌槽三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬。張偉山[3]對機(jī)械攪拌槽混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬。張翠勛等[4]對半圓管擋板攪拌槽內(nèi)的湍流流場進(jìn)行分析。楊鋒苓等[5]對非標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌槽內(nèi)湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬。擋板的加入可以有效消除攪拌槽內(nèi)形成的渦流，將回轉(zhuǎn)的切向流動(dòng)改為徑向和軸向流，增加了流體剪切強(qiáng)度，改善了攪拌效果[6]。不同擋板的攪拌槽性能和用途各不一樣，常用的有指形擋板和豎式擋板，三角形擋板等。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD仿真成為研究流場變化的有效方法[7]。

1 攪拌槽的幾何模型

本文以稀土萃取工業(yè)中的水平箱式混合澄清槽為研究對象，攪拌槽的原模型來自贛州有色冶金研究所。具體尺寸為：800 mm×800 mm×900 mm，容積為550L，有效液面高度為790 mm。攪拌槳為雙層葉輪結(jié)構(gòu)，上層為平直葉漿，底層為渦輪漿。攪拌軸直徑為50 mm，兩層槳跨距為180 mm，底部槳葉距離攪拌槽底面高度為30 mm，轉(zhuǎn)速為400 r/min。豎式擋板高800 mm，寬度為70 mm，厚度為40 mm。三角形擋板邊長為80 mm，內(nèi)角為60°。不同擋板的攪拌槽模型如圖1所示。

2 兩相流混合液的物理特性

在稀土萃取過程中以水相和有機(jī)相的混合液作為工作介質(zhì)，有機(jī)相選用萃取劑P507，兩種介質(zhì)相關(guān)參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

運(yùn)用三維建模軟件Solidworks建立攪拌槽的幾何模型，采用無縫對接技術(shù)將模型導(dǎo)入Fluent軟件的前處理軟件Gambit中，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將整個(gè)流體計(jì)算區(qū)域分為攪拌槳附近旋轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和槳外靜區(qū)域，并對動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，增加計(jì)算精度，更好地分析攪拌槳附近的流場情況。槳葉旋轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格間距為5 mm，槳外靜止區(qū)域?yàn)?2 mm。豎式擋板攪拌槽模型網(wǎng)格單元總數(shù)為2 416 467，三角形擋板攪拌槽模型網(wǎng)格單元總數(shù)為2 587 842。

本文采用多重參考系法(MRF)解決轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉與槽壁之間的相互作用問題。槳葉及附近的旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域設(shè)置為Moving Reference Frame，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為400 r/min，混合室其它區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域設(shè)置為Stationary。箱體的四周包括擋板和底面為WALL，攪拌槳葉以及攪拌軸在靜區(qū)域的部分為WALL，動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域的交界面合并為INTERFACE，以保證內(nèi)外區(qū)域的速度和壓力耦合，有效液面為SYMMETRY,底端進(jìn)料口設(shè)置為VELOCITY-INLET。

表1 水相和有機(jī)相的物性參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 速度場分析

圖2 不同檔板攪拌槽軸向速度矢量圖

利用Fluent軟件提供的圖形工具可以很方便得到流場情況。圖2是豎式擋板和三角形擋板在x=0時(shí)攪拌槽內(nèi)軸向速度矢量圖。圖3是豎式擋板和三角形擋板在x=0時(shí)攪拌槽內(nèi)軸向速度云圖。綜合豎式擋板和三角形擋板的速度矢量圖及速度云圖可以發(fā)現(xiàn)雙層攪拌槳在攪拌槽中旋轉(zhuǎn)對流體形成對稱的上下回流，促進(jìn)混合效果，在槳葉端處速度明顯較周圍大，以攪拌軸為中心，同一槳葉兩端的速度場近似對稱，這是由攪拌槳的對稱性和轉(zhuǎn)速的恒定性引起的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)三角形擋板的攪拌槽內(nèi)攪拌槳葉周圍的速度大于豎式擋板，并且在橫向的范圍也更寬，這樣更有利于攪拌槽內(nèi)兩相液體混合。

為了更加直觀地觀察豎式擋板和三角形檔板攪拌槽內(nèi)的速度分布情況，圖4是x=0 mm，y=30 mm處的速度分布圖，其中縱坐標(biāo)是速度大小，橫坐標(biāo)是攪拌槳橫向分布位置，零點(diǎn)為攪拌槳的軸中心。

圖3 不同擋板攪拌槽軸向速度云圖

圖4 不同檔板的攪拌槽內(nèi)速度分布圖

通過圖4可以看出兩種擋板的攪拌槽都是攪拌槳邊緣處速度最大，向攪拌槳中心減小，同時(shí)槳葉兩端速度相似對稱。隨著徑向位置的增加，流體的速度越來越小，但是可以很明顯看出當(dāng)距離攪拌軸中心大于200 mm以后，三角形擋板靠近槽壁處的速度明顯比豎式擋板大，這與之前通過兩種擋板攪拌槽內(nèi)速度場的分析情況相同，同時(shí)也可看出三角形擋板的攪拌槽軸中心的速度明顯比豎式擋板大。

3.2.2 湍流動(dòng)能分析

圖5 不同檔板的湍流動(dòng)能云圖

湍流動(dòng)能是表示流體速度的脈動(dòng)強(qiáng)度，是衡量攪拌混合槽性能的重要指標(biāo)，它受流體速度和湍流強(qiáng)度的影響，流體速度越大，湍流動(dòng)能越大，攪拌混合效果也就越好。圖5是不同檔板的攪拌槽內(nèi)在x=0平面上的湍流動(dòng)能分布云圖。從圖中可以看出湍流動(dòng)能主要分布在槳葉周圍及附近的攪拌區(qū)域，這是由于攪拌區(qū)域的流體在槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到很強(qiáng)的剪切力而產(chǎn)生較大的湍流動(dòng)能，對比兩種擋板的攪拌槽發(fā)現(xiàn)豎式擋板靠近槽壁處的湍流動(dòng)能較三角形擋板攪拌槽小，不利于流體的整體混合，同時(shí)豎式攪拌槽攪拌槳附近區(qū)域的湍流動(dòng)能比三角形小，而且范圍也更窄。

為了更加直觀地顯示出三角形擋板攪拌槽和豎式擋板攪拌槽內(nèi)湍流動(dòng)能變化情況，圖6是不同擋板攪拌槽內(nèi)同一橫截面上的攪拌槳葉端到槽壁的湍流動(dòng)能分布曲線圖，兩種攪拌槽內(nèi)湍流動(dòng)能變化情況整體相似，都是在攪拌槳葉端附近的湍流動(dòng)能最大，向著槽壁減弱。但是距離槽壁0.2 m以后明顯發(fā)現(xiàn)三角形擋板攪拌槽的湍流動(dòng)能大于豎式擋板，同時(shí)靠近槽壁處的湍流動(dòng)能相比豎式擋板也更大。從結(jié)構(gòu)上分析可以說明三角形擋板更有利于槽壁附近的兩相混合。

圖6 不同檔板的湍流動(dòng)能分布曲線圖

4 結(jié)論

本文利用CFD技術(shù)優(yōu)化稀土萃取攪拌槽的槽體結(jié)構(gòu)，對三角形擋板和豎式擋板的攪拌槽內(nèi)兩相混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析對比攪拌槽內(nèi)速度場和湍流動(dòng)能，得到如下結(jié)論：

(1)通過速度場分析可知，由于三角形擋板壁面與槽壁成一定的傾角，有利于加強(qiáng)攪拌槽內(nèi)流體對流擴(kuò)散以及軸向液體的對流運(yùn)動(dòng)，而豎式擋板與槽壁成90度放置，減緩了徑向速度和軸向速度，減少了流體在攪拌槽中上下對流擴(kuò)散。同時(shí)三角形擋板的攪拌槽靠近槽壁的流體速度明顯大于豎式擋板攪拌槽。

(2)通過湍流流動(dòng)能分析可知，雖然兩種擋板都能有效增強(qiáng)槽壁附近的湍動(dòng)能，較無擋板攪拌槽四個(gè)流動(dòng)死角對混合有很大促進(jìn)作用，但是豎式擋板攪拌槽內(nèi)靠近槽壁處的湍流動(dòng)能比三角形擋板攪拌槽小，所以三角形擋板攪拌槽更能使攪拌區(qū)域的流動(dòng)很好地連接起來，并且具有更寬的流動(dòng)區(qū)間，更有利于流體的整體流動(dòng)混合。

利用該方法可以優(yōu)化稀土萃取攪拌槽，輔助確定最佳的槽體擋板，設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備的最佳槽體結(jié)構(gòu)，降低企業(yè)能耗，而且投入成本低、周期短。

[1] 鄧華軍. 稀土萃取槽內(nèi)三維流場與混合過程的數(shù)值模擬及應(yīng)用[D]. 江西理工大學(xué), 2013.

[2] 侯拴弟, 張政, 王英琛等. 軸流槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬[J]. 化工學(xué)報(bào), 2000, 51(1):70-76.

[3] 張偉山. 機(jī)械攪拌槽混合過程的數(shù)值研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[4] 張翠勛, 楊鋒苓, 連繼詠. 半圓管擋板攪拌槽內(nèi)的湍流流場[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2015, 45(1):76-81.

[5] 楊鋒苓, 周慎杰, 王貴超等. 非標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌槽內(nèi)湍流流場的數(shù)值模擬[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2012(6):952-958.

[6] 陳志平, 章序文, 林興華. 攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心, 2004.

[7] 郭素娜, 孫立軍, 方艷等. 導(dǎo)流件和葉輪強(qiáng)作用渦輪流量計(jì)的CFD仿真方法[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2013, 40(10):1276-1280.

Numericalsimulationof3Dflowfieldwithdifferentbafflesinrareearthextractionagitationtank

PANG Qi-shou, WANG Liang, WANG Hai-hui

The numerical simulation of 3D flow field is carried out by using computational fluid dynamics (CFD) on vertical baffle and triangle baffle in rare earth extraction agitation tank. The multiple reference frame method and the standardk-epsilon double equation are used to simulate for the model. The velocity distribution diagram, velocity vector diagram and turbulent kinetic energy of the two baffles are compared and analyzed, which provides theoretical basis for structural design and optimization of agitation tank.

baffle; agitation tank; structure optimization; numerical simulation

TF804.2

B

1672-6103(2017)05-0037-04

逄啟壽(1963—),男, 山東濰坊人, 教授, 主要從事稀土濕法冶金設(shè)備應(yīng)用研究。

2017-01-16