羟乙基纤维素溶液冷冻传热性能的模拟分析

曾娟 张建树(石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆 石河子 832003)

0 引言

羟乙基纤维素(HEC)是天然纤维素进行醚化改性处理后得到的产物，是由棉、麻等经碱化、醚化使用一环氧乙烷作为醚化剂等过程制备而成的非离子型纤维素醚类，具有良好的结构特征和优异的相容性[1]。

晶胶层析技术的载体材料是晶胶介质，晶胶材料需具有很好的弹性性能，强的还原能力，和一定的化学稳定性，可以重复利用[2]。羟乙基纤维素可以作为晶胶介质用作层析分离，它的结构中存在10～100 微米的超大孔隙，并相互连通，可以让微生物细胞和细胞碎片顺利通过。

结晶制孔法是最主要的晶胶制备方法，其制备原理：在聚合物单体与交联剂形成的水溶剂在低温冷冻时，水相变结晶，由于结晶具有排他性，造成聚合物和交联剂堆积在晶体四周，使溶液中单体的浓度升高，导致结晶温度下降，聚合反应完成后，床柱骨架基本形成，升高体系温度，层析柱内的冰晶融化前所占据的空间就形成超大孔隙[3]。本文将使用羟乙基纤维素作为晶胶介质，探索羟乙基纤维素溶液降温过程的温场变化及其规律。

1 计算流体力学(CFD)

计算流体力学通过各种计算流体力学相关软件对流体力学问题进行计算并处理。直观的使用图和表来描述计算结果，处理解决流体力学问题时主要将连续的多个物理量进行有规则的网格划分，划分后的网格形成有限的离散单元，再根据流体力学的基本方程列出有限体积的离散单元物理量的各个物理量方程组，最后通过迭代的运算方式对这些代数方程组进行求解，从而得到所求变量的数值。

2 研究内容与方法

本次模拟研究对象为高100mm、直径10mm、壁厚1mm 的柱床。柱床外壁材质为石英管，内部分为两部分：上部分为高20mm 残余空气；下部为高80mm 的5%羟乙基纤维素-水溶液。以半径为5mm，轴向高度为80mm 的层析柱内羟乙基纤维素原料溶液的降温情况为研究对象，其进出口都呈封闭状态。该圆柱晶胶层析柱呈对称分布，通过ICEM 软件建立四分之一圆柱并对其进行网格划分。

在Fluent 软件中，根据表1 的物性参数条件，同时以恒温壁为边界条件，对层析柱进行单相液相模拟。使用CFD 后处理软件CFD-post 提取不同时刻，不同位置温度随时间的变化情况。以及不同壁面的温度云图。

表1 羟乙基纤维素95%-水5%物性参数

图1 羟乙基纤维素原溶液不同时刻在下底面的温度云图

3 结果与讨论

对羟乙基纤维素原料溶液进行降温模拟，按照模拟步骤进行，将边界温度设置成278.15K，内部温度设置成298.15K，输入羟乙基纤维素5%-水95%的物性参数，使用Fluent 后处理软件CFD-post，提取不同时刻50s，150s，250s 的计算数据进行分析得到如下的温度云图。

从图1 中可以看出，在前50s 时，底面的温度从中心280.7K降到壁面278.1K，变化范围是2.6K，在150s 时中心到壁面的温度从278.2K 降到278.1K，温度变化只有0.1K，在250s 时变化仍然是0.1K，可以得到在0～50s 的范围温度降低速率最大，后期层析柱内液体流动缓慢，液体分布均匀，温度趋于稳定。

从图2 中可以看出，不同时刻侧面上的温度变化很小，变化范围只有零点几K，但从图中可以看出液体存在对流情况，因为流体的热导率小，通过热传导传递的热量少，因此流体内的温度梯度小。

分别取半径方向上的点(0.001,0.005,0)、(0.0025,0.005,0)、(0.004,0.005,0)和y 轴方向上的点(0.001，,0.005,0)、(0.001,0.04,0)、(0.001,0.075，0)将这六个点分别作图。

从图3(a)中可以看出沿半径方向上，内部点的起始温度始终高于靠近壁面点的起始温度，还可以得出中心点的降温速率大于边界点。在前50s 的降温速率最大，50～125s 之间的降温速率逐渐减小，后125s 内的温度趋于稳定，降低到278.15℃。

从图3(b)中可以看出沿y 轴方向上，靠近上下底面的点的温度变化趋势大致相同，y 轴中心点的起始温度低于靠近上下底面点的起始温度，降温速率同样在前50s 时最大，50～125s时逐渐减小，125s 后由于液体均匀分度，没有温度梯度，温度同样降低到设定的边界温度值。

图2 羟乙基纤维素原溶液在不同时刻的侧面温度云图

图3 (a)羟乙基纤维素原溶液中沿半径方向上不同点的温度变化(b)羟乙基纤维素原溶液中沿y轴方向上不同点的温度变化

4 结语

结晶致孔法在恒温冷冻的条件下，冷冻初期床柱的传热温差大，反应液内的温度梯度明显，温度场分布不均匀，床柱的边缘，温度较低，相反在床柱的中央，温度较高。本实验运用CFD模拟得到羟乙基纤维素原溶液降温过程的温场变化及其规律。在本实验研究的基础上，可进一步探索如何控制层析柱内的温度变化，以得到具有优异性能的羟乙基纤维素晶胶介质，为未来的晶胶层析技术提供理论参考。