稀土萃取搅拌槽不同挡板的三维流场数值模拟

逄启寿， 王 亮， 王海辉

(江西理工大学, 江西 赣州 341000)

稀土萃取搅拌槽不同挡板的三维流场数值模拟

逄启寿， 王 亮， 王海辉

(江西理工大学, 江西 赣州 341000)

采用计算流体动力学(CFD)的方法，分别对稀土萃取中竖式挡板和三角形挡板的搅拌槽内三维流场进行数值模拟。选用多重参考系法和标准k-epsilon双方程模型进行模拟，对两种挡板的速度分布云图、速度矢量图和湍流动能云图进行对比分析，为搅拌槽的结构设计与优化提供理论依据。

挡板； 搅拌槽； 结构优化； 数值模拟

混合澄清槽已经广泛应用于稀土萃取分离生产过程中，搅拌槽的混合效果是影响萃取效率和产品质量的关键，而搅拌槽的混合效果在一定程度上跟搅拌槽结构设计及内部流体流动情况有关，所以搅拌槽的结构优化设计研究对改善搅拌槽内流体混合效果有重要意义。邓华军[1]对稀土搅拌槽内三维流场与混合过程进行数值模拟。侯拴弟[2]对轴流桨搅拌槽三维流场进行数值模拟。张伟山[3]对机械搅拌槽混合过程进行数值模拟。张翠勋等[4]对半圆管挡板搅拌槽内的湍流流场进行分析。杨锋苓等[5]对非标准挡板搅拌槽内湍流流场进行数值模拟。挡板的加入可以有效消除搅拌槽内形成的涡流，将回转的切向流动改为径向和轴向流，增加了流体剪切强度，改善了搅拌效果[6]。不同挡板的搅拌槽性能和用途各不一样，常用的有指形挡板和竖式挡板，三角形挡板等。随着计算流体力学(CFD)理论和计算机技术的发展，CFD仿真成为研究流场变化的有效方法[7]。

1 搅拌槽的几何模型

本文以稀土萃取工业中的水平箱式混合澄清槽为研究对象，搅拌槽的原模型来自赣州有色冶金研究所。具体尺寸为：800 mm×800 mm×900 mm，容积为550L，有效液面高度为790 mm。搅拌桨为双层叶轮结构，上层为平直叶浆，底层为涡轮浆。搅拌轴直径为50 mm，两层桨跨距为180 mm，底部桨叶距离搅拌槽底面高度为30 mm，转速为400 r/min。竖式挡板高800 mm，宽度为70 mm，厚度为40 mm。三角形挡板边长为80 mm，内角为60°。不同挡板的搅拌槽模型如图1所示。

2 两相流混合液的物理特性

在稀土萃取过程中以水相和有机相的混合液作为工作介质，有机相选用萃取剂P507，两种介质相关参数见表1。

3 数值模拟结果与分析

3.1 网格划分与边界条件设置

运用三维建模软件Solidworks建立搅拌槽的几何模型，采用无缝对接技术将模型导入Fluent软件的前处理软件Gambit中，采用非结构化网格技术对模型进行网格划分，将整个流体计算区域分为搅拌桨附近旋转动区域和桨外静区域，并对动区域进行网格加密，增加计算精度，更好地分析搅拌桨附近的流场情况。桨叶旋转动区域网格间距为5 mm，桨外静止区域为12 mm。竖式挡板搅拌槽模型网格单元总数为2 416 467，三角形挡板搅拌槽模型网格单元总数为2 587 842。

本文采用多重参考系法(MRF)解决转动的桨叶与槽壁之间的相互作用问题。桨叶及附近的旋转流体区域设置为Moving Reference Frame，并设置旋转速度为400 r/min，混合室其它区域为静止区域设置为Stationary。箱体的四周包括挡板和底面为WALL，搅拌桨叶以及搅拌轴在静区域的部分为WALL，动区域与静区域的交界面合并为INTERFACE，以保证内外区域的速度和压力耦合，有效液面为SYMMETRY,底端进料口设置为VELOCITY-INLET。

表1 水相和有机相的物性参数

3.2 计算结果及分析

3.2.1 速度场分析

图2 不同档板搅拌槽轴向速度矢量图

利用Fluent软件提供的图形工具可以很方便得到流场情况。图2是竖式挡板和三角形挡板在x=0时搅拌槽内轴向速度矢量图。图3是竖式挡板和三角形挡板在x=0时搅拌槽内轴向速度云图。综合竖式挡板和三角形挡板的速度矢量图及速度云图可以发现双层搅拌桨在搅拌槽中旋转对流体形成对称的上下回流，促进混合效果，在桨叶端处速度明显较周围大，以搅拌轴为中心，同一桨叶两端的速度场近似对称，这是由搅拌桨的对称性和转速的恒定性引起的。同时发现三角形挡板的搅拌槽内搅拌桨叶周围的速度大于竖式挡板，并且在横向的范围也更宽，这样更有利于搅拌槽内两相液体混合。

为了更加直观地观察竖式挡板和三角形档板搅拌槽内的速度分布情况，图4是x=0 mm，y=30 mm处的速度分布图，其中纵坐标是速度大小，横坐标是搅拌桨横向分布位置，零点为搅拌桨的轴中心。

图3 不同挡板搅拌槽轴向速度云图

图4 不同档板的搅拌槽内速度分布图

通过图4可以看出两种挡板的搅拌槽都是搅拌桨边缘处速度最大，向搅拌桨中心减小，同时桨叶两端速度相似对称。随着径向位置的增加，流体的速度越来越小，但是可以很明显看出当距离搅拌轴中心大于200 mm以后，三角形挡板靠近槽壁处的速度明显比竖式挡板大，这与之前通过两种挡板搅拌槽内速度场的分析情况相同，同时也可看出三角形挡板的搅拌槽轴中心的速度明显比竖式挡板大。

3.2.2 湍流动能分析

图5 不同档板的湍流动能云图

湍流动能是表示流体速度的脉动强度，是衡量搅拌混合槽性能的重要指标，它受流体速度和湍流强度的影响，流体速度越大，湍流动能越大，搅拌混合效果也就越好。图5是不同档板的搅拌槽内在x=0平面上的湍流动能分布云图。从图中可以看出湍流动能主要分布在桨叶周围及附近的搅拌区域，这是由于搅拌区域的流体在桨叶转动时受到很强的剪切力而产生较大的湍流动能，对比两种挡板的搅拌槽发现竖式挡板靠近槽壁处的湍流动能较三角形挡板搅拌槽小，不利于流体的整体混合，同时竖式搅拌槽搅拌桨附近区域的湍流动能比三角形小，而且范围也更窄。

为了更加直观地显示出三角形挡板搅拌槽和竖式挡板搅拌槽内湍流动能变化情况，图6是不同挡板搅拌槽内同一横截面上的搅拌桨叶端到槽壁的湍流动能分布曲线图，两种搅拌槽内湍流动能变化情况整体相似，都是在搅拌桨叶端附近的湍流动能最大，向着槽壁减弱。但是距离槽壁0.2 m以后明显发现三角形挡板搅拌槽的湍流动能大于竖式挡板，同时靠近槽壁处的湍流动能相比竖式挡板也更大。从结构上分析可以说明三角形挡板更有利于槽壁附近的两相混合。

图6 不同档板的湍流动能分布曲线图

4 结论

本文利用CFD技术优化稀土萃取搅拌槽的槽体结构，对三角形挡板和竖式挡板的搅拌槽内两相混合过程进行数值模拟，通过分析对比搅拌槽内速度场和湍流动能，得到如下结论：

(1)通过速度场分析可知，由于三角形挡板壁面与槽壁成一定的倾角，有利于加强搅拌槽内流体对流扩散以及轴向液体的对流运动，而竖式挡板与槽壁成90度放置，减缓了径向速度和轴向速度，减少了流体在搅拌槽中上下对流扩散。同时三角形挡板的搅拌槽靠近槽壁的流体速度明显大于竖式挡板搅拌槽。

(2)通过湍流流动能分析可知，虽然两种挡板都能有效增强槽壁附近的湍动能，较无挡板搅拌槽四个流动死角对混合有很大促进作用，但是竖式挡板搅拌槽内靠近槽壁处的湍流动能比三角形挡板搅拌槽小，所以三角形挡板搅拌槽更能使搅拌区域的流动很好地连接起来，并且具有更宽的流动区间，更有利于流体的整体流动混合。

利用该方法可以优化稀土萃取搅拌槽，辅助确定最佳的槽体挡板，设计搅拌设备的最佳槽体结构，降低企业能耗，而且投入成本低、周期短。

[1] 邓华军. 稀土萃取槽内三维流场与混合过程的数值模拟及应用[D]. 江西理工大学, 2013.

[2] 侯拴弟, 张政, 王英琛等. 轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟[J]. 化工学报, 2000, 51(1):70-76.

[3] 张伟山. 机械搅拌槽混合过程的数值研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2009.

[4] 张翠勋, 杨锋苓, 连继咏. 半圆管挡板搅拌槽内的湍流流场[J]. 山东大学学报:工学版, 2015, 45(1):76-81.

[5] 杨锋苓, 周慎杰, 王贵超等. 非标准挡板搅拌槽内湍流流场的数值模拟[J]. 高校化学工程学报, 2012(6):952-958.

[6] 陈志平, 章序文, 林兴华. 搅拌与混合设备设计选用手册[M]. 化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心, 2004.

[7] 郭素娜, 孙立军, 方艳等. 导流件和叶轮强作用涡轮流量计的CFD仿真方法[J]. 化工自动化及仪表, 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

逄启寿(1963—),男, 山东潍坊人, 教授, 主要从事稀土湿法冶金设备应用研究。

2017-01-16