离心萃取器转筒入口半径对筒内流场的影响

范智，白志山，徐艳，杨晓勇

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237）

环隙式离心萃取器是一种高效的液-液萃取设备。它的结构简单、紧凑，集传质和分离于一体，有存留量小、停留时间短、适应的流比范围宽、达到传质平衡速度快、传质级效率高等优点，在化工、核能、石油、制药等领域有着重要的应用[1-4]。

近年来，随着环隙式离心萃取器在工程应用越来越广，许多学者对其展开了深入研究。Li等[5]用CFD计算流体动力学方法模拟了环隙式离心萃取器内气-液-液三相流动，采用Euler-Euler的多相流模型研究了不同操作条件下气-液-液三相的流动模拟。Patra等[6]通过k-ε模型模拟了转筒直径为15～375mm环隙式离心萃取器转速为20～175r/s时的单相流场，并与之前相关文献的实验对比，发现转筒内流动为强制湍流涡流，随着转筒转速的增加，能量耗散增加。Padial-Collins等[7]使用多相模拟方法模拟了环隙式离心萃取器液-液两相分离的过程，发现两相的混合黏度比每一相的混合黏度对分离效果的影响要大。

本文采用PIV流场测试技术，针对不同的转筒入口半径，对离心萃取器转筒内流场进行测试，分析其流场变化规律，为离心萃取器的进一步优化和设计提供一定的理论依据。

1 实验装置与PIV测试系统

如图1所示为离心萃取器转筒结构，底部中心位置设有入口，取距离底部11mm位置作为测试截面，具体模型参数见表1。

图1 离心萃取器转筒

表1 模型参数

图2 不同入口半径的转筒模型

本文讨论环隙式离心萃取器转筒入口半径对筒内流场的影响，可变参数为转筒入口半径，图2所示为入口半径R′分别为7mm、10mm和13mm的3组转筒模型。

PIV粒子图像测速法，是20世纪80年代发展起来的一种瞬态的流场测试技术[8]。其基本原理[9]是在流场中投入适当且跟随性好的示踪粒子，通过示踪粒子的速度代表其所在流场内相应位置处流体的速度。实验测试系统包括脉冲激光发生器、时间控制同步器、CCD相机、图像采集分析系统等。图3所示为实验装置及测试系统示意图。

按实验流程图连接实验装置，将溶液进入缸中至特定值，并将适量的示踪粒子（聚二缩三丙二醇二丙烯酸酯）加入溶液中，搅拌均匀使粒子在溶液中呈悬浮状态。启动环隙式离心萃取器开关，将转速调节至预定值。流场稳定后，开启计算机、PIV同步器、CCD相机、激光冷却器、激光器。打开Insight5.0软件，对实验流场进行标定，得到图像与拍摄流场的比例因子，使用PIV系统拍照。用Insight5.0对图像进行后处理，获得流场内矢量分布。调整拍摄位置和实验模型，重复以上操作。

图3 实验装置及测试系统

2 实验结果

2.1 测试截面的速度分布

图4所示在测试截面Z=11mm处相对地面的速度分布，转筒入口半径R′分别为7mm、10mm、13mm。由图4可知，转筒内流场的流线满足Taylor-Proudman定理，流体从转筒底部入口逆时针螺旋进入转筒，在中心处流体转速为零，在中心处规律性不明显，随着半径逐渐增大，转速也逐渐变大，形成强制涡，在转筒壁处达到最大值。当入口半径为10mm时，其边界处速度比入口半径为7mm和13mm的速度相对更大。

图5表示在测试截面处相对转筒的速度分布。可以看到，转筒高速旋转时形成吸力，流体从转筒中心处吸入形成一个涡，在离心力的作用下很快甩至每个分离腔内，在每个分离腔内形成涡流。从图中流线可以看出，当入口半径为10mm时，转筒内流场在每个分离腔内都形成了涡流，同时在中间部位也形成了涡流；当入口半径为7mm时，每个分离腔内未形成明显涡流；当入口半径为13mm时，可能由于入口半径太大，转筒内产生的涡流较为分散。

图4 速度分布（相对地面）

图5 速度分布（相对转筒）

2.2 切向速度分布

图6为转筒在测试截面相对转筒的切向速度云图，图7为转筒在测试截面相对转筒的切向速度沿半径的分布。当入口半径为10mm时，其切向速度绝对值最大，分离效果最好；当入口半径为7mm时，切向速度整体相对较小，但与半径为10mm相比，趋势基本相同；当入口半径为13mm时，由图6可以看出，出现了多个正负速度区域，涡流复杂，可能是由于入口半径过大，流体被吸入转筒时，不再存在规律。

2.3 径向速度分布

图6 切向速度云图（相对转筒）

图7 切向速度沿半径的分布（相对转筒）

图8 径向速度云图（相对转筒）

图9 径向速度沿半径的分布（相对转筒）

图8为转筒在测试截面相对转筒的径向速度云图，图9为转筒在测试截面相对转筒的径向速度沿半径的分布。由两图可以看出，当入口半径为10mm时，径向速度正负值都较大，说明流体相对于转筒有往边壁移动的趋势；入口半径为7mm时，径向速度较小，无明显的相对运动；当半径为13mm时，边壁处几乎没有速度变化。

3 结论

（1）以地面为参考系时，转筒内流场的流线满足Taylor-Proudman定理，流体的转速随着转筒半径的增大而增大；以转筒为参考系时，转筒高速旋转形成吸力，流体从转筒中心处吸入形成一个涡，在离心力的作用下很快甩至每个分离腔内，在每个分离腔内形成涡流。

（2）在测试截面处，当入口半径为10mm时，转筒内流场的切向速度的绝对值比入口半径为7mm和13mm的要大，液体更容易流向转筒边壁，分离效果更好。

（3）入口半径为10mm的转筒模型与入口半径为7mm和13mm相比，其径向速度相对于转筒为正值时，基本处于最大值，其吸入效率最高，液体进入转筒入口后能快速被甩至边壁处，更有利于分离。

[1]Nakahara M，Nomura K.Extraction and stripping of actinide elements w ith changes in supply flow rate and nitric acid concentration using centrifugal contactors in single cycle solvent extraction system[J].ChemicalEngineeringScience，2011，66（4）：740-746.

[2]Xu JQ，Duan W H，Zhou X Z，et al.Extraction of phenol in wastewater w ith annular centrifugal contactors[J].Journalof HazardousMaterials，2006，131（1）：98-102.

[3]Meikrantz D H，Macaluso L L，Flim W D，et al.A new annular centrifugal contactor for pharmaceutical processes[J].Chemical EngineeringCommunications，2002，189（12）：1629-1639.

[4]Zhou J，DuanW，Zhou X，etal.Application of annular centrifugal contactors in the extraction flowsheet for producing high purity yttrium[J].Hydrometallurgy，2007，85（2）：154-162.

[5]LiS，DuanW，Chen J，etal.CFD Simulation of gas-liquid-liquid three-phase flow in an annular centrifugal contactor[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch，2012，51（34）：11245-11253.

[6]Patra J，Joshi JB，Pandey N K，etal.Hydrodynam ic study of flow in the rotor region of annular centrifugal contactors using CFD simulation[J].ChemicalEngineeringCommunications，2013，200（4）：471-493

[7]Padial‐Collins N T，Zhang D Z，Zou Q，et al.Centrifugal contactors：Separation of an aqueous and an organic stream in the rotor zone(LA-UR-05-7800)[J].SeparationScienceandTechnology，2006，41（6）：1001-1023.

[8]盛森芝，徐月亭，袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展[J].力学与实践，2002，24（5）：1-14.

[9]杨敏官，刘栋，顾海飞，等.盐析液固两相流场的PIV测量方法[J].江苏大学学报：自然科学版，2007，28（4）：324-327.