符 康，黃文虎

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019）

混合澄清槽作為使用最早、應(yīng)用最普遍的逐級(jí)接觸式萃取設(shè)備之一，具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、放大簡(jiǎn)單及操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在冶金、石油、化工、核工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。

混合澄清槽主要由混合室和澄清室兩部分組成，混合澄清槽在其運(yùn)行過(guò)程中，兩相混合與澄清的速率匹配是需要著重考慮的問(wèn)題［4］。傳統(tǒng)的混合澄清槽通常只包含一個(gè)混合槽，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，但兩相進(jìn)入混合槽內(nèi)行程較短，混合時(shí)間不足，兩相混合液尚未達(dá)到傳質(zhì)平衡便進(jìn)入到澄清室，萃取分離效率低［5］。雙混合澄清槽是一種較新的混合澄清槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有兩個(gè)混合室，可增加混合相在混合室的自然行程，改善物料在混合室中的停留時(shí)間分布，有利于相際間的傳質(zhì)過(guò)程。本文以工程中實(shí)際應(yīng)用的雙混合澄清槽為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)兩相混合過(guò)程進(jìn)行仿真研究［6-8］，可為混合澄清槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支撐。

1 計(jì)算模型

1.1 雙混合槽結(jié)構(gòu)

雙混合澄清槽由主混合槽、副混合槽和澄清槽組成，如圖1所示。主混槽和副混槽即為雙混合槽，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主混槽中部靠下固定有中部開(kāi)孔的隔板1，隔板1上部為主混槽混合室，混合室中心安裝有攪拌裝置，其下層槳為泵吸式槳葉，上層槳為斜向下的旋槳式槳葉。隔板1下部為主混槽潛室，潛室由中部的隔板2分隔為兩部分，左側(cè)為水相區(qū)域，右側(cè)為有機(jī)相區(qū)域，兩相區(qū)域分別設(shè)有入口管。主混槽與副混槽之間設(shè)有連通管，混合相經(jīng)連通管沿隔板3順下流入副混槽底部，副混槽中心安裝有攪拌裝置，其上下層槳均為斜向上的旋槳式槳葉。主混槽和副混槽均為圓柱型攪拌槽體，兩個(gè)槽具有相同的直徑和高度，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙混合槽主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 雙混和澄清槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙混和槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 前處理

本文采用多重參考系法（MRF）對(duì)雙混合槽的攪拌槳葉區(qū)域進(jìn)行處理，將整個(gè)流體計(jì)算域劃分為4個(gè)旋轉(zhuǎn)域和1個(gè)靜止域［9］。采用Fluent Meshing軟件對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格數(shù)量為122萬(wàn)，主混槽下層泵吸式槳葉的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 主混槽下層泵吸式攪拌槳葉網(wǎng)格模型

1.3 CFD數(shù)值模擬

采用ANSYSFluent軟件對(duì)雙混合槽進(jìn)行液液雙相流仿真計(jì)算，第一液相采用水相溶液，密度為1 100 kg/m3，粘度為0.000 1 Pa·s。第二液相采用有機(jī)相溶液，密度為850 kg/m3，粘度為0.015 Pa·s。紊流域采用Realizable k-epsilon模型，多相流模型采用Euler-Euler模型。設(shè)置主副混合槽的旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速分別為68 r/min和79 r/min，槽體、擋板、隔板、旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的攪拌軸及攪拌槳、靜止域內(nèi)的攪拌軸的表面均為無(wú)滑移壁面，靜止域與旋轉(zhuǎn)域的交界面共享拓?fù)洹?/p>

流場(chǎng)初始化設(shè)置如下：在主混槽潛室左側(cè)設(shè)置為水相溶液，潛室右側(cè)設(shè)置為有機(jī)相溶液。設(shè)定入口邊界條件類型為mass flow inlet，水相入口質(zhì)量流量為183.3 kg/s，有機(jī)相入口質(zhì)量流量為141.7 kg/s。設(shè)定出口邊界條件類型為outflow。對(duì)雙混合槽計(jì)算流域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，迭代計(jì)算9 000次。

2 計(jì)算結(jié)果

本文主要對(duì)雙混合槽的泵吸能力、攪拌力矩和混合特性進(jìn)行仿真研究［10］。

2.1 泵吸能力

雙混合槽計(jì)算流域XY平面的壓力云圖如圖4所示，槽內(nèi)最大負(fù)壓出現(xiàn)在主混槽下層泵吸式槳葉附件靠近潛室出口的位置，最大負(fù)壓值為16 186 Pa（絕對(duì)值），泵吸效果明顯。在泵吸作用的影響下，槽內(nèi)壓強(qiáng)分布非常均勻，主混槽潛室內(nèi)均為負(fù)壓，主混槽混合室內(nèi)均為正壓，副混槽內(nèi)大部分計(jì)算流域?yàn)檎龎?，雙混合槽內(nèi)最大正壓僅為2 440 Pa，正壓值越小，負(fù)壓值越大，泵吸能力越強(qiáng)，越有利于兩相混合。通過(guò)仿真計(jì)算，表明該雙混合槽結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的泵吸能力。

圖4 雙混合槽計(jì)算流域壓力云圖

2.2 攪拌力矩

通過(guò)仿真計(jì)算，監(jiān)測(cè)了雙混合槽各攪拌槳在前200次迭代計(jì)算下的力矩值，如圖5所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，主混槽下層泵吸式攪拌槳的力矩值從初始時(shí)刻開(kāi)始不斷增大，至迭代計(jì)算5步左右達(dá)到峰值，隨后逐漸減小，至迭代計(jì)算100步左右達(dá)到穩(wěn)定值2 050 N·m。主混槽上層槳葉、副混槽上下層槳葉的力矩值均是從初始時(shí)刻開(kāi)始迅速增大，至迭代計(jì)算100步左右達(dá)到穩(wěn)定值，主混槽上層槳葉的力矩穩(wěn)定值為972 N·m，副混槽下層槳葉的力矩穩(wěn)定值為737 N·m，副混槽上層槳葉的力矩穩(wěn)定值為755 N·m。

圖5 雙混合槽各攪拌槳力矩曲線

在仿真迭代計(jì)算過(guò)程中，主混槽下層泵吸式攪拌槳出現(xiàn)了力矩峰值，其余攪拌槳無(wú)力矩峰值，這是因?yàn)樵诔跏紩r(shí)刻泵吸式攪拌槳將主混槽潛室內(nèi)的兩相液體泵吸至混合室內(nèi)，需要承受非常大的液體阻力，故出現(xiàn)了瞬時(shí)較大的力矩，而其余攪拌槳未承受大突變的液體阻力，故未出現(xiàn)峰值力矩。此外，兩相混合液從主混槽流入副混槽是先進(jìn)入副混槽底部，因有機(jī)相比水相輕，故副混槽的下層槳葉力矩值略低于上層槳葉力矩值。

根據(jù)主副混合槽的攪拌轉(zhuǎn)速和仿真計(jì)算的攪拌槳力矩值，按照公式P＝Tw可計(jì)算得出主混槽攪拌槳功率為21.5 kW，副混槽攪拌槳功率為12.3 kW，見(jiàn)表2。通過(guò)仿真計(jì)算監(jiān)測(cè)攪拌槳的扭矩值進(jìn)而得到攪拌功率的方法，同樣適用于其他類型攪拌槽的攪拌功率的確定。

表2 雙混合槽各攪拌槳的力矩值和功率計(jì)算值

2.3 混合特性

通過(guò)仿真計(jì)算，監(jiān)測(cè)了雙混合槽在不同迭代計(jì)算步下的液液兩相混合情況，如圖6所示。初始時(shí)刻，在主混槽潛室的左右兩側(cè)分別通入水相溶液和有機(jī)相溶液，主混槽混合室和副混槽均為水相溶液，如圖6（a）所示。

圖6 不同迭代計(jì)算步下雙混合槽內(nèi)有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)分布情況

迭代計(jì)算1 000步后，主混槽混合室內(nèi)有機(jī)相濃度逐漸增大，有機(jī)相經(jīng)副混槽的擋板順流向下進(jìn)入副混槽底部，副混槽其他流域的有機(jī)相分布仍不明顯。迭代計(jì)算2 000步后，主混槽混合室和副混槽內(nèi)有機(jī)相濃度明顯增大，有機(jī)相在副混槽內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)散，副混槽內(nèi)已不存在有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)為0的區(qū)域。迭代計(jì)算4 000步后，主混槽混合室和副混槽隔板通道內(nèi)的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)接近0.4，有機(jī)相在副混槽隔板兩側(cè)的分布仍有明顯的差別。迭代計(jì)算6 000步后，主混槽混合室內(nèi)有機(jī)相濃度分布逐漸穩(wěn)定，有機(jī)相在副混槽隔板兩側(cè)的分布差距逐漸減小。迭代計(jì)算9 000步后，副混槽隔板左右兩側(cè)的有機(jī)相濃度幾乎無(wú)差別，除主混槽潛室外，整個(gè)計(jì)算流域的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)非常接近0.5，說(shuō)明此時(shí)兩相在雙混槽內(nèi)已初步達(dá)到了均勻混合的狀態(tài)。

為更深入研究雙混合槽的液液兩相混合情況，計(jì)算監(jiān)測(cè)了雙混合槽內(nèi)8個(gè)位置點(diǎn)以及雙混槽出口在9 000次迭代計(jì)算下的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)。雙混合槽內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：P1（-5.5，1，0）、P2（-3，1，0）、P3（-5.5，3.3，0）、P4（-3，3.3，0）、P5（-1，3.3，0）、P6（1，3.3，0）、P7（-1，1，0）、P8（1，1，0），如圖7所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)和雙混槽出口的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖8和圖9所示。

圖7 雙混合槽內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布

圖8 雙混合槽內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)變化情況

圖9 雙混槽出口平均有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)變化情況

通過(guò)圖8可以看出，主混槽內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)隨迭代計(jì)算次數(shù)的變化規(guī)律基本相同，即從初始時(shí)刻至迭代計(jì)算4 000步，有機(jī)相濃度快速增大，4 000步后增長(zhǎng)速度逐漸變緩，6 000步后逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3由于遠(yuǎn)離主副混合槽的連接通道，且處于槽內(nèi)高處，其有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)明顯小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P4。

由圖8和圖9可知，副混槽內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P5、P6、P7、P8以及雙混槽出口的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)隨迭代計(jì)算次數(shù)的變化情況幾乎完全一致，因兩相溶液需經(jīng)過(guò)主混槽初次混合后再經(jīng)連接通道進(jìn)入副混槽內(nèi)，故副混槽內(nèi)有機(jī)相濃度的變化明顯遲滯于主混槽，在迭代計(jì)算400次之前，這些位置的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)均為0。又例如在迭代計(jì)算1 000步時(shí)，副混槽內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)僅為0.05左右，而主混槽內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)了0.15，這與圖6（b）的仿真結(jié)果保持了一致。

3 結(jié)論

本文對(duì)雙混合澄清槽的混合過(guò)程進(jìn)行液液雙相流仿真研究，得出以下結(jié)論。

1.雙混合槽內(nèi)最大正壓值為2 440 Pa，最大負(fù)壓值為16 186 Pa，正壓值小且負(fù)壓值大，該雙混合槽結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的泵吸能力。

2.主混槽下層泵吸式攪拌在初始時(shí)刻存在峰值力矩，各攪拌槳所受力矩值均隨迭代計(jì)算次數(shù)增加逐步趨于穩(wěn)定。通過(guò)仿真計(jì)算監(jiān)測(cè)攪拌槳的扭矩值進(jìn)而得到攪拌功率的方法，同樣適用于其他類型攪拌槽的攪拌功率的確定。

3.雙混合槽內(nèi)各監(jiān)測(cè)位置的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)隨迭代計(jì)算次數(shù)的增加呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，即先快速增加，后緩慢增加，最后逐漸穩(wěn)定接近于0.5。副混槽和雙混槽出口有機(jī)相濃度的變化明顯遲滯于主混槽，定性分析和定量分析對(duì)仿真結(jié)果的解釋具有一致性。