基于ANSYS Workbench和FLUENT的超临界二氧化碳萃取釜流场模拟及其结构改进

郭建章，赵 鹏，王威强

（1青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061；2山东大学机械工程学院，山东 济南 250061）

研究开发

基于ANSYS Workbench和FLUENT的超临界二氧化碳萃取釜流场模拟及其结构改进

郭建章1，赵 鹏1，王威强2

（1青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061；2山东大学机械工程学院，山东 济南 250061）

传统超临界萃取釜的不足主要表现在：萃取筐占据筒体容积，造成萃取釜空间利用率降低；萃取筐与筒体内壁存在间隙，造成传质、传热效果不良。本文对萃取釜进行结构改造，采用双封头结构，封头上设置筛网，采用径向进气方式。利用ANSYS Workbench及FLUENT软件，模拟了改进结构在空载和装料两种情况下的温度场和流场，对比分析了两种情况下的温度场和流场。比较结果说明，改进后的萃取釜结构不仅提高了萃取釜的空间利用率，而且改善了萃取釜的温度场均匀性，萃取釜的流场均匀性也有提高。

ANSYS Workbench；FLUENT；萃取釜；流场模拟；结构改进

目前，超临界流体萃取技术在基础理论研究、工艺试验、设备设计和工业化等方面均取得了较大的发展，广泛地应用于食品[1-3]、生物医药[4-5]、石油化工[6-7]等诸领域。二氧化碳因其特殊性质使超临界二氧化碳萃取成为获得高品质产品的最有效方法之一，受到国内外研究者的广泛关注和研究[8]。

1 传统萃取釜

萃取釜是超临界二氧化碳萃取的主要设备，国内传统萃取釜一般为空心带萃取筐容器（图1）[9]。

萃取筐为双层结构，内层为金属过滤网，起到隔离物料的作用，萃取筐外层为带孔眼圆筒，起到刚性支持的作用。这种结构能够防止物料堵塞管路，又能方便装卸物料，但显然存在以下不足。

（1）萃取筐的使用减少了装料量，降低了萃取釜空间利用率。以本文介绍的萃取釜（内径58 mm，釜体内部高度 380 mm）为例，萃取筐尺寸为内径50mm，高度为340 mm，体积比为66.5%，即萃取筐的使用使得萃取釜的利用率降低了33.5%。

（2）萃取筐与萃取釜内壁存在间隙，若密封不良，极其容易发生壁流现象，使得流场分布均匀性变差，影响萃取效果。同时，萃取筐的存在使得物料与设在萃取器釜体的夹套间的换热效率降低，温度场分布不均。

（3）由于萃取筐密封的存在，使得萃取筐不易装卸，特别是密封圈发生溶胀后，萃取筐较难卸载。

图1 传统萃取筐结构示意图

2 萃取釜结构改进

基于上述问题，本文作者对萃取釜的内部结构作了改进（图2、图3）：在釜体顶端和底端设置同样的快开装置，在两端封头上设置筛网，改轴向进气为径向进气，并在封头上设置流体通道。改进的结构有如下优点。

（1）封头筛网的设置，不仅能有效防止物料被吹出或落入管道堵塞管路，而且使得萃取釜的空间能够得到100%利用。

（2）物料直接装入釜体，与釜体壁直接接触，有利于换热，使得温度场分布均匀。

（3）釜体两端设置快开装置，方便装卸物料。装载物料时，仅需安置好底端快开装置，由顶端加入物料即可。卸载物料时，仅需打开底端快开装置，物料由釜体内自然落下。

（4）径向进气和流通通道的设置，能够有效降低轴向进气造成的速度场不均匀。

（5）筛网的尺寸小，易于更换，可根据物料粒度不同更换不同目数的筛网。

图2 改进结构图

图3 改进结构封堵3D图

3 改进结构的流场模拟

ANSYS作为较为流行的有限元分析软件，新推出的13.0版本中Workbench工作环境具有很强的几何建模能力和网格划分能力，并能够与FLUENT等CFD软件完美结合，实现CAD到CFD的协同工作。本文作者基于ANSYS Workbench工作环境，采用 FLUENT对改进萃取釜的内部流场进行模拟分析，从而为超临界流体萃取釜的改进提供指导和依据。

图4 改进结构建模

图5 改进结构网格

图6 空载时流体速度云图

图7 空载时进口处流体速度云图

图8 空载时流体温度云图

图9 空载时进口处流体温度云图

图10 装载时流体速度云图

图11 装载时进口处流体速度云图

图12 装载时流体温度云图

图13 装载时进口处流体温度云图

3.1 Workbench建模及网格划分

在Workbench中，用Geometry组件完成流体域部分的建模（图4），流域的基本尺寸如下：萃取釜内径58 mm，中间段圆柱体长度380 mm；进出口管内径4 mm，进出口管轴向距离412 mm；环形流道外径65 mm，内径60 mm，高度10 mm；两端圆柱直径 50 mm，高度 12 mm（包含滤网厚度 2 mm）。对于该结构须采用3D建模，因设备装配产生的缝隙都予以忽略。

利用Mesh组件完成入口、出口、壁面定义与网格划分（图5），采用四面体非结构性网格，并在进出口处进行网格加密，生成节点数 48318，单元数98508，最大偏斜率0.848在可接受范围。

3.2 FLUENT模拟

3.2.1 空载模拟

根据实际情况，设定入口类型为压力入口，给定入口压力30 MPa，入口温度313 K，设定湍流强度5%和水力直径4 mm；设定出口采用压力出口，给定出口压力0，出口温度313 K，设定湍流强度5%和水力直径4 mm；设定壁温323 K；设定滤网处截面类型为 porous-jump。湍流黏性采用标准k-ε模型，采用 SIMPLE算法进行压力和速度解耦。

为便于显示流体速度的变化情况，在改进结构的适当位置作参考面，垂直于x轴，截取入口管剖面x=0、出口管剖面x=412 mm，距离釜体圆柱部分起始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm分别截取4个参考面；垂直于y轴，截取剖面y=0。

模拟得到空载情况的流体速度云图和温度云图见图6～图9。由图6、图7中看出，在进口处受到流道结构的影响，流体速度在进出口处发生显变化，流体速度迅速衰减。流体速度在釜体内变化不大，速度较为稳定。由图8、图9中看出，流体温升较小，明显存在温度梯度。

3.2.2 装载物料模拟

设定中间圆柱段流体类型为Porous-Zone，其它设置与空载模拟设置相同。

模拟得到改进结构的流体速度云图和温度云图见图10～图13。由图10、图11中看出，在进口处受到流道结构的影响，流体在进出口处速度变化明显。流体在釜体内的速度变化不大，速度较为稳定。由图12、图13中看出，进口处温度变化剧烈，特别是在过滤网处，明显存在温度梯度。流体进入釜体后，温度稳定，无明显温度梯度。

4 两种情况模拟结果参数对比分析

为便于显示各参数的变化情况，在结构的适当位置作参考线。在距离釜体圆柱部分开始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm的4个参考面上，沿z轴各取1条参考线。观察并比较两种情况下4条参考线上的速度分布和温度分布（图14～图21）。

4.1 流速对比

图14 0 mm处流速分布

图15 100 mm处流速分布

图16 200 mm处流速分布

由图14～图17中可看出，空载情况下流体流速较装载情况下的流体流速大，两者总体呈现平稳趋势。在空载情况下，随着攀升高度增加，流体度总体减小。速度峰值先由双峰偏向左侧，并由双峰逐渐转变为单峰，随后峰值又逐渐向右侧转移，在偏移过程中单峰又逐渐分裂为双峰，流体流动中存在明显波动。在装载情况下，速度峰值初始时为不太明显的双峰，随后峰值逐渐减小，左峰首先衰退，右峰随即减小，最后双峰消失，流速趋于平稳。相比而言，装载情况下的流体流动较为平稳，波动较小，流体速度总体趋于平稳。

4.2 温度对比

由图18～图21中看出，空载情况下流体温度较装载情况下的流体温度有明显差距。在空载情况下，流体与釜体间的换热效果不良，流体温度偏低，但除了近壁面处温度存在梯度，温度较为平稳，其值稳定在315～316 K。相比下，装载情况下的流体换热效果良好，流体温度在100 mm处已经完全达到设定的壁温，温度分布十分均匀。这也证实了，萃取筐与釜体间的不良接触必然会造成萃取釜内温度分布不均匀。

图17 300 mm处流速分布

图18 0 mm处温度分布

图19 100 mm处温度分布

图20 200 mm处温度分布

图21 300 mm处温度分布

5 结 论

基于ANSYS Workbench和FLUENT模拟软件，通过利用 FLUENT对改进结构载空载和装载两种情况下萃取釜内部流场进行模拟，得到操作工况下萃取釜内任意点的流速细节信息，而这些是难以通过实验方法得到的。这不仅有利于对设备结构进行优化设计和性能评估，也对研究开发新型超临界设备有重要指导意义。通过对比分析模拟结果，得到如下结论：①改进结构较萃取筐结构提高了萃取釜的空间利用率；②改进结构的换热效果良好，温度场分布均匀；③改进结构的流场分布较均匀。

[1] 麻成金，张永康，马美湖．微波和超临界CO2萃取杜仲籽油工艺研究[J]．食品科学，2006，27（6）：131-135．

[2] 刘玉梅，顾小红，汤坚．超临界萃取啤酒花浸膏及其萃余物中多酚化合物提取的研究[J]．食品科学，2006，27（9）：155-158．

[3] 王吉壮，杨晋，赵鹏．均匀设计优化超临界CO2提取含原花青素的葡萄籽油[J]．中国油脂，2009，34（7）：8-11．

[4] 林敬明，吴忠．超临界CO2流体萃取草豆蔻挥发油成分分析[J]．中药材，2000，23（2）：89-91．

[5] 谷玉洪，罗濛，徐飞等．超临界CO2提取蜂胶中总黄酮的工艺研究[J]．中草药，2006，37（3）：380-382．

[6] 王仁安，胡云翔，许志明．超临界流体萃取分馏法分离石油重质油[J]．石油学报：石油加工，1997，13（1）：53-59．

[7] 魏国峰，王硕．绿色分离技术及其在精细化工中的应用[J]．现代化工，2006，26（s2）：368-370．

[8] Guo Jianzhang, Zhao Peng, Wang Weiqiang. Process of Supercritical CO2Extraction and Improved Design of Extraction Equipment[J].Advanced Materials Research，2011，221：505-510．

[9] 李昶红，李薇，李旭红，等．超临界二氧化碳萃取中试装置的工艺改进[J]．化工进展，2004，23（11）：1248-1251．

Flow field simulation of supercritical carbon dioxide extractor based on ANSYS W orkbench and FLUENT and its structure im provement

GUO Jianzhang1，ZHAO Peng1，WANG Weiqiang2
（1School of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061，Shandong，China；2School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061，Shandong，China）

The shortcom ings of the traditional supercritical carbon dioxide extractor are as follows: low space utilization ratio of the extractor ow ing to the extraction basket occupying the cylinder volume; bad mass transfer and heat transfer ow ing to the gap between extraction basket and cylinder wall. Aiming at the shortcomings, the extractor structure was improved. Double head structure and radial inlet way were adopted, and a filter screen was set up on the head. Based on ANSYS Workbench and FLUENT, the flow field and temperature field of the improved extractor was simulated at both load and zero load. The simulation results were compared in different situations. The results showed that the improved structure promoted the space utilization ratio and improved the uniform ity of flow field and temperature field.

ANSYS Workbench；FLUENT；extractor；flow field simulation；structure improvement

TQ 052.4

A

1000–6613（2012）09–1914–06

2012-03-15；修改稿日期：2012-04-06。

及联系人：郭建章(1969—)，男，副教授。E-mail guojzqd@163.com。