石 振，段曉霞，陳 猛，蔡衛(wèi)濱

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

雙氧水是一種綠色的化工產(chǎn)品，應(yīng)用前景廣闊[1-3]。雙氧水生產(chǎn)通常采用蒽醌法，蒽醌經(jīng)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(xù)相由塔頂流入，經(jīng)過降液管流下，在塔板上做橫向流動，繼續(xù)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(jīng)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(yè)中，分散相和連續(xù)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(nèi)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(dǎo)意義。

圖1 篩板萃取塔原理意圖

計算流體動力學(xué)技術(shù)[5]簡稱“CFD”是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示對流動、對流等現(xiàn)象進行精確系統(tǒng)的分析，把在時間域和空間域上連續(xù)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(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)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(jié)約時間減少資金投入。

1 模擬部分

表1 計算域結(jié)構(gòu)

本文采用CFD進行二維兩相流模擬，水為連續(xù)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(qū)域，其結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，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(xué)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(biāo)準(zhǔn)差分，采用和一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合相為SIMPLE算法，殘差設(shè)定為10-3，并監(jiān)視出口流量。用gambit對計算區(qū)域進行前處理進行網(wǎng)格劃分，采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格劃分為13506個，計算域的物理模型及網(wǎng)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(wǎng)格

2 實驗結(jié)果與討論

篩板萃取塔兩相流動的CFD模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。從連續(xù)相的流動看，都存在比較大的漩渦，這是降低塔內(nèi)傳質(zhì)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(xù)相產(chǎn)生的漩渦，油相也相應(yīng)產(chǎn)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(yán)重，這會減少油水接觸時間，降低傳質(zhì)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(jié)構(gòu)對單相流動的影響，結(jié)果表明，通過對降液管開孔傾斜放置以及在右側(cè)加入擋板，可以有效改善連續(xù)相的流動。基于此結(jié)果，本文以速度Y進行兩相流動模擬，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯@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(jié)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(xù)相產(chǎn)生的漩渦，油相也相應(yīng)產(chǎn)生漩渦，并且向塔中間的集中，降低傳質(zhì)效率。

通過對降液管開孔傾斜放置以及在右側(cè)加入擋板，可以有效改善連續(xù)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。