萃取槽前室结构对两相混合过程的影响

龚姚腾，黄 杰，徐 金，逄启寿

(江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

搅拌混合是精细化工、医药业、冶金和造纸等行业非常重要的操作之一[1-2]。多层搅拌桨较单层搅拌桨具有更高的混合效率，广泛应用于多个工业过程中。目前，针对多层搅拌桨已有许多试验和理论研究[3-7]，但研究内容大都以搅拌桨特性研究为主，对混合室结构研究的很少。针对不同萃取槽前室结构与搅拌桨形式，利用FLUENT软件模拟分析两相的混合过程，通过分析对比，选出最优结构，以期为混合室的开发设计提供参考依据。

1 数值分析模拟

1.1 模型结构及网格划分

试验所针对的简化模型是萃取槽含前室和搅拌桨的混合室，如图1所示。

混合室长度550 mm，宽度550 mm，高度972 mm，有效液面高度660 mm，前室高度100 mm，壁厚12 mm，内部无挡板；3层搅拌桨的上两层为平直叶桨，底层为涡轮桨，桨叶直径170 mm，桨叶宽度70 mm，桨叶层间距110 mm，搅拌桨插入深度40 mm。

萃取槽混合室混合过程模拟的变量为前室结构，所采用的3种前室结构如图2所示。

图1 萃取槽混合室结构

图2 3种前室结构

网格划分采用Workbench自带的component system(组件系统)中的Mesh(网格划分模块)，对3个含前室和搅拌桨的混合室自动划分网格，采用分区建模法，含桨叶的内部旋转区域与含前室的外部静止区域分开划分。同时，为提高对内部旋转区域的计算精度，采用局部加密策略对其内部网格进行加密。

1.2 示踪剂的监测与属性

选择靠近混合室底部的底层桨叶边缘附近为加入示踪剂位置S(x=180,y=0,z=-200)，在每层桨叶中点水平位置和两层桨叶间选取具有代表性的监测点，观察整个混合室内示踪剂浓度扩散情况。监测点具体坐标为：第1监测点P1(x=180,y=0,z=200)位于混合室底部底层桨中间；第2监测点P2(x=292,y=0,z=200)位于下两层桨叶之间；第3监测点P3(x=372,y=0,z=200)位于中层桨叶中间；第4监测点P4(x=457,y=0,z=200)位于上两层桨叶之间；第5监测点P5(x=552,y=0,z=200)位于顶层桨叶中间；第6监测点P6(x=700,y=0,z=200)位于顶层桨叶与液面之间。坐标原点位于前室底部的中心位置，坐标单位均为mm。混合室左侧为监测点，右侧为加料点，具体位置分布如图3所示。

图3 监测点与加料点位置示意

示踪剂选用能与工作介质互溶的NaCl[8]，其物理性质见表1。

表1 NaCl的物理性质

2 试验结果与讨论

示踪剂的加入点即为投料点。多相流Mixture模型和组分运输模型不能同时使用，故示踪剂以第三相介质加入。先模拟计算水与P507两相混合的流场，并将两相流体的稳定流场作为计算浓度场的初始条件，以打补丁的方式将NaCl添加到混合室中，参与浓度扩散的计算。通过观察第三相的颜色变化来了解示踪剂在整个混合室内的扩散过程，再通过检测在混合室内设置的监测点处第三相的浓度来求解混合时间。当所有监测点处第三相的稳定浓度达到最终浓度的±5%时，认为该时间为监测点处的混合时间[9]。受NaCl在混合室内扩散过程的影响，不同监测点处NaCl浓度达到稳定的时间不同，定义达到稳定值的最大混合时间为混合室的整体混合时间。

用示踪剂的扩散速率反映混合速率，通常用混合时间来评判，混合时间越短，则混合速率越快。以y=0中心截面为观测面，观察3种前室结构萃取槽混合室内示踪剂的扩散过程。由于混合10 s左右NaCl将布满整个混合室，10 s以后室内NaCl浓度差逐渐减小，扩散过程不明显，故截取前10 s内具有代表性的3个时刻的NaCl扩散云图，结果如图4所示。其中混合时间为0 s时为示踪剂的初始浓度分布，显示加料位置分布。3种结构的加料位置相同，故混合时间具有可比性。

2.1 示踪剂扩散状况

V字式和管式结构中，NaCl的扩散过程基本一致(如图4所示)。混合时间为0 s时，NaCl加入混合室，加入位置处在底部循环流范围内，前期NaCl主要在底部的二次循环流内成涡环状，并以较快速度轴向扩散；之后，NaCl在底层桨的旋转作用下，在混合室底部的循环流内周向扩散，同时在浓度差的驱使下穿过2个循环流的交界到达顶层循环流，并在顶层循环流内快速轴向扩散，随后周向扩散。这说明整个混合室内的流场都是以轴向速度为主，非常有利于物料混合。混合4 s以后，NaCl穿过循环流分区到达顶层循环流，说明分区现象阻碍了示踪剂在混合室内的扩散，不利于混合室内的整体混合。3种结构的浓度场靠近液面的轴心附近NaCl浓度均为0，说明此处轴向速度和切向速度都非常小，物料只是围绕搅拌轴旋转。

隔板混合室内示踪剂扩散过程与另2种结构不同。混合前4 s时间内，NaCl主要在底部小循环流内围绕搅拌轴周向扩散；在混合4 s时，NaCl已经在浓度差的驱使下扩散到中层循环流范围内，在中层循环流内轴向和周向扩散。由于顶层循环流和中层循环流的分区现象，使混合4 s后的扩散速度比较慢；混合10 s后布满整个混合室。

对比3种结构混合室在混合时间分别为0、4、10 s时的NaCl扩散云图可知：在前4 s内，隔板混合室内NaCl扩散速度最快，因为其底层小型循环流轴向循环强度较弱，NaCl快速周向扩散；4 s以后，隔板式混合室中，NaCl扩散速度较另外2种结构慢很多，说明隔板混合室内物料流动性较差。

2.2 不同结构混合室的混合时间

混合时间θt是评判搅拌效果的重要指标。混合时间是指2种以上完全互溶、但又在某些性质上(如物理或化学性质)存在差别的介质，在搅拌作用下达到规定混合水平所需时间。

图4 3种结构混合室在混合时间分别为0、4、10 s时的NaCl扩散云图

3种前室结构的萃取槽混合室在各个监测点的具体混合时间见表2。可以看出，混合时间越短，混合速率越高。

表2 各监测点混合时间计算结果 s

由表2看出：3种结构都是在监测点P1处混合时间最长，这是由于P1点靠近混合室底部进料口，未混合的有机相和水相不断涌入，较难混合均匀，NaCl浓度响应曲线波动剧烈；而出料口在液面附近，远离P1点，没有观察意义，因此混合时间忽略此点。混合室内中上部分物料混合均匀，即代表整室内的物料整体混合均匀，混合室最终混合时间为其他点中混合时间最长的点。

经对比看出：管式结构在各个监测点处的混合时间均比另外2种结构在相同监测点处的混合时间短，即混合速率最高；隔板式结构的混合时间是管式结构混合时间的2.5倍多，其混合速率远低于另外2种结构。

3种前室结构萃取槽混合室在各监测点处的NaCl浓度随时间的变化，即浓度响应曲线如图5所示。由于P1监测点靠近混合室底部，远离出料口，没有观察意义，因此只考察其他5个监测点处的NaCl浓度变化情况。可以看出，隔板式结构混合室监测点的NaCl浓度响应曲线与V字式和管式结构混合室的明显不同：前4s内，NaCl轴向扩散速度较快，这是由于底部涡流环比较小，强度弱，NaCl很快扩散到中层涡流环并开始轴向扩散，因此，P2和P3点都首先出现较大程度的浓度波动；但隔板式的混合室内物料流动性较差，因此，其最终混合时间远远长于另外2种结构浓度达到稳定值所需时间。V字式和管式结构的浓度响应曲线整体波动趋势相同，这主要是受混合室内物料流动规律的影响：前4 s内NaCl主要在底部循环流内扩散，因此位于底部涡环内的P2点最先出现浓度波动，并迅速达到浓度峰值；4 s后，轴向扩散到顶部主体循环流，因此P5点浓度达到峰值，随后浓度迅速降低，这是因为在顶部循环流内迅速周向扩散，与浓度扩散云图结果相一致。同一混合室内不同监测点的混合时间不同，浓度响应曲线也不同，这主要是受NaCl扩散过程的影响。

图5 3种前室结构混合室在各监测点的NaCl浓度响应曲线

2.3 混合效率的计算

混合效率反映搅拌效果，一般用单位体积混合能Wv描述[10]。单位体积混合能综合考虑功耗与时间对搅拌的影响，它表示搅拌桨在一定速度下将单位体积的物料搅拌混合达到需要的均匀程度所消耗的能量，Wv越小，则混合效率越高，搅拌设备性能越好。混合能计算公式为

(1)

混合室和搅拌桨结构参数均没有变化，其混合室有效体积均为0.2 m3。前室体积计算公式如下：

隔板式，

Vgb=(0.55-0.010 2)×0.55×0.1

=0.029 68(m3)；

(2)

V字式，

=0.010 79(m3)；

(3) 材料自身及试验系统引入的非线性会对试验结果产生影响，如何将其影响降至最小以及如何对各层板间的损伤大小进行检测与定量分析值得进一步探讨与研究。

(3)

管式，

Vg=π×0.0452×0.1=0.000 64(m3)。

(4)

考虑前室结构对混合时间和搅拌功率的综合影响，以混合效率为评价指标，对比分析3种前室结构对混合过程的影响。不同前室结构下的混合室单位体积混合能计算结果见表3。

表3 单位体积混合能计算结果

由表3看出：管式结构混合室的单位体积混合能最小，说明该结构混合效率最高；V字式结构的单位体积混合能相对较高，已经超过10 kJ/m3，混合效率较低；隔板式结构的单位体积混合能是管式结构的2.2倍，混合效率非常低。

3 结论

1)示踪剂NaCl扩散过程与混合室内物料的运动规律具有一致性，在隔板式结构混合室内的扩散过程与在另2种结构混合室中的明显不同。混合前4 s内，示踪剂在隔板混合室内扩散速度最快，但之后扩散速度远远小于在另2种结构混合室中的扩散速度。管式结构中示踪剂扩散速度大于V字式结构中示踪剂扩散速度。

2)管式结构混合室在各监测点的混合时间较短，混合速率较高；其次是V字式结构；隔板式结构混合时间是管式结构的2.5倍多，混合速率最低。

3)依据单位体积混合能，3种结构混合室的混合效率高低排序为管式结构>V字式结构>隔板式结构。从混合速率和混合效率两方面衡量，管式结构前室混合效果最佳，其次是V字式，隔板式混合室的混合速率和混合效率都远低于前2种结构混合室。

参考文献：

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