P507-煤油體系物性測(cè)量及其在澄清槽內(nèi)的CFD模擬

葉思施，唐巧，喬軍帥，王運(yùn)東（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

P507-煤油體系物性測(cè)量及其在澄清槽內(nèi)的CFD模擬

葉思施，唐巧，喬軍帥，王運(yùn)東
（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

摘要：體系的界面張力對(duì)稀土萃取分離過程的澄清分相有著重要的影響。采用懸滴技術(shù)分別測(cè)量了不同P507-煤油體系與水以及不同稀土酸溶液在常溫常壓下的界面張力，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)不同P507-煤油體系進(jìn)行黏度測(cè)量，初步考察了有機(jī)相內(nèi)稀土負(fù)載量對(duì)黏度的影響。討論了煤油稀釋劑及氨水皂化對(duì)P507-煤油體系與水以及萃取不同稀土濃度酸溶液界面張力及黏度的影響，發(fā)現(xiàn)煤油體積增加，萃取體系與水和鹽酸的界面張力均呈上升趨勢(shì)，且在相同P507-煤油體積比下，皂化度增加會(huì)使得界面張力急劇減小。固定萃取劑濃度時(shí)，有機(jī)相內(nèi)稀土負(fù)載量增加在一定皂化度范圍內(nèi)對(duì)界面張力影響波動(dòng)不大，然而稀土濃度過低或者皂化度過高都會(huì)導(dǎo)致不同程度的乳化現(xiàn)象，且不同稀土元素以及元素?cái)?shù)量對(duì)界面張力影響并不非常明顯。此外，對(duì)不同P507-煤油體系在澄清室內(nèi)的分相性能進(jìn)行了模擬比較與討論，油相體積分?jǐn)?shù)分布表明界面張力越小，黏度越大，油水兩相澄清越困難。

關(guān)鍵詞：P507-煤油體系；界面張力；黏度；澄清室；流體力學(xué)模擬

2015-07-17收到初稿，2015-11-20收到修改稿。

聯(lián)系人：王運(yùn)東。第一作者：葉思施（1990—），女，博士研究生。

Received date: 2015-07-17.

引　言

稀土金屬是元素周期表中鑭系15種元素及鈧、釔共17種元素的總稱，因其獨(dú)特優(yōu)異的性質(zhì)，使之具有諸多其他元素所不具備的光、電、磁、熱等物理和化學(xué)特性，被視為重要的戰(zhàn)略資源?；谄涮匦裕⊥两饘?、稀土合金以及由此制成的稀土新材料，在電子、信息、通信、汽車、能源、航天航空等領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用。值得一提的是，稀土金屬是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源，其資源儲(chǔ)量、生產(chǎn)量、消費(fèi)量和出口量均占世界第一[1-5]。

稀土元素因各元素核外電子結(jié)構(gòu)類似，化學(xué)性質(zhì)相似，所以單一稀土元素分離困難。溶劑萃取技術(shù)是實(shí)現(xiàn)稀土元素分離的主要方法，其基本原理是利用萃取劑對(duì)不同稀土元素萃取能力的差異而實(shí)現(xiàn)元素分離。目前，工業(yè)上常用的萃取劑主要有酸性磷類萃取劑[1]，如P507、P204、P538等。本文所選用的P507萃取劑，因其密度較大（接近于水）、黏度大，不能直接用于萃取，為了改進(jìn)萃取過程的水力學(xué)特性，通常都要添加密度小、黏度低且能與萃取劑混溶的稀釋劑，常用煤油作為稀釋劑[6]。而且，P507在非極性溶劑中常以二聚體的形式存在，用于金屬萃取時(shí)萃取率不高，所以常需要預(yù)先進(jìn)行皂化。皂化時(shí)有機(jī)磷酸二聚體被打開，形成一種陰離子表面活性劑，可大大提高萃取率，但過度皂化會(huì)引起水相乳化[7]。

混合澄清槽是稀土分離過程中應(yīng)用最為廣泛的逐級(jí)接觸式萃取設(shè)備，其擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，如操作適應(yīng)性強(qiáng)，萃取級(jí)數(shù)增減容易，設(shè)備加工容易、操作簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用少和對(duì)廠房高度要求低等[8-11]。進(jìn)行萃取的兩相在混合槽內(nèi)經(jīng)攪拌混合后，必須在相應(yīng)的澄清槽內(nèi)進(jìn)行澄清分相，才能完成一定的萃取操作或?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的混合-澄清過程。針對(duì)澄清室，結(jié)合現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)情況，其存在以下幾點(diǎn)不足：①分相效率低，混合室內(nèi)的過度攪拌造成分散相的小液滴、萃取劑雜質(zhì)較多，乳化現(xiàn)象普遍，澄清分相困難；②試劑流失嚴(yán)重，積液量大，一次性投資成本高；③現(xiàn)工業(yè)所用混合澄清槽，設(shè)備的混合與澄清部分體積比約為1:3，可見適當(dāng)減小澄清室體積可大大改善成本投入[12-14]。

計(jì)算流體力學(xué)是20世紀(jì)50年代以來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而產(chǎn)生的一個(gè)介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的交叉學(xué)科，可通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法求解流體力學(xué)的控制方程，對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行模擬和分析。近年來，許多學(xué)者采用CFD模擬的方法對(duì)單元操作過程，如混合、燃燒、分離等進(jìn)行了模擬，探究實(shí)驗(yàn)中難以觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如體積分?jǐn)?shù)分布、速度流場(chǎng)、壓降等），并得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合的結(jié)果[15-19]。2011年，Roohollah等[14]對(duì)工業(yè)銅萃取設(shè)備的澄清部分進(jìn)行了研究，采用CFD模擬出澄清室內(nèi)流動(dòng)特性等，為工業(yè)銅萃取設(shè)備澄清室提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。2012年，Mohsen等[13]采用CFD模擬方法考察了擋板對(duì)澄清室分相性能的影響?？傊?，采用CFD模擬對(duì)混合澄清槽澄清室進(jìn)行流動(dòng)特性的模擬研究尚不完善，有待深入。

在稀土萃取分離過程中，多相流體系的界面張力對(duì)混合和澄清分相過程都有著重要的影響，這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)過程中都涉及液滴的形成、聚并以及破碎，而界面張力和黏度直接參與影響液滴的尺寸分布[20]，不同體系物性不同，則其在混合澄清槽內(nèi)的混合和澄清性能也大不相同。

綜上所述，關(guān)于P507-煤油體系中，稀釋劑煤油及皂化對(duì)萃取劑物性的影響，尤其是對(duì)流體流動(dòng)有直接影響的界面張力及黏度等物性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量及研究尚沒有報(bào)道。采用CFD對(duì)澄清槽內(nèi)分相過程進(jìn)行模擬的研究也大多基于簡(jiǎn)單體系，而與實(shí)際體系的聯(lián)系較少?；诖?，本文采用懸滴技術(shù)分別測(cè)量了不同P507-煤油體系與水，未皂化P507-煤油體系與鹽酸在常溫常壓下的界面張力，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)不同P507-煤油體系進(jìn)行黏度測(cè)量。討論了煤油稀釋劑及氨水皂化對(duì)P507-煤油體系界面張力及黏度的影響。此外，對(duì)不同P507-煤油體系在澄清室內(nèi)的分相性能進(jìn)行了模擬比較與討論。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)中采用懸滴法測(cè)量液-液兩相界面張力，所采用的視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x型號(hào)為OCAH200（德國(guó)Dataphysics公司）。

懸滴法測(cè)量表面張力原理[21]：借助于現(xiàn)代的完全數(shù)字、計(jì)算機(jī)化，由攝像機(jī)抓取一懸滴的圖像，并將整個(gè)圖像數(shù)字化。數(shù)字化后的圖像由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，測(cè)定輪廓的坐標(biāo)，通過將坐標(biāo)擬合到描述懸滴輪廓的Bashforth-Adams方程式，可得到毛細(xì)管常數(shù)。已知界面兩相密度差以及重力加速度情況下，便可計(jì)算出界面張力值。

萃取體系黏度的測(cè)量則是采用數(shù)顯黏度計(jì)（型號(hào)LVDV-Ⅱ+P，Brookfield Engineering Laboratories股份有限公司）。

旋轉(zhuǎn)法測(cè)黏度原理[22]：儀器由同步電機(jī)以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，連接刻度圓盤，通過游絲和轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子未受到液體的阻力，則游絲、指針與刻度盤同速旋轉(zhuǎn)，指針在刻度盤上指出的讀數(shù)為“0”。反之，若轉(zhuǎn)子受到液體的黏滯阻力，則游絲產(chǎn)生扭矩，與黏滯阻力抗衡最后達(dá)到平衡，此時(shí)在刻度盤上指示一定的讀數(shù)（即游絲的扭轉(zhuǎn)角），將讀數(shù)乘上特定系數(shù)即可獲得所測(cè)液體黏度。

EDTA滴定方法：該方法適用于稀土氧化物中95%～100%稀土總量的測(cè)定。本文中稀土酸溶液濃度均由該法確定。準(zhǔn)確稱取待測(cè)稀土酸溶液1～5 ml 于25 ml錐形瓶中，加入10 ml六亞甲基四銨緩沖溶液，加入3滴二甲酚橙指示劑，用EDTA（乙二胺四乙酸二鈉）標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由紫紅變?yōu)榱咙S色，即為滴定終點(diǎn)。稀土溶液濃度可由式（1）計(jì)算。

式中，CRE為稀土濃度，mol·L?1；CEDTA為EDTA濃度，mol·L?1，此處為0.001007 mol·L?1；VEDTA為滴定過程中所消耗EDTA體積，ml；VRE為測(cè)量時(shí)稀土酸溶液的取樣體積，ml。

1.2實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)所用試劑有工業(yè)級(jí)P507、磺化煤油（物性參數(shù)見表1）、濃氨水、濃鹽酸、去離子水、乙醇、EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液、六亞甲基四銨、二甲酚橙。其中，濃氨水、濃鹽酸、乙醇、六亞甲基四銨、二甲酚橙均為分析純，EDTA標(biāo)準(zhǔn)液為滴定分析純，購(gòu)置于北京世紀(jì)科博有限公司。

圖1　混合澄清槽的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of mixer-settler

表1　磺化煤油參數(shù)Table 1　Parameters of sulfonated kerosene

有機(jī)相的制備：工業(yè)級(jí)P507與磺化煤油按體積比進(jìn)行混合攪拌，制備兩種P507濃度（其一為P507與煤油體積比為3:2，其二為配制P507濃度為0.072 mol·L?1）待用，待混合均勻后分別加入濃氨水進(jìn)行皂化，可制備未皂化及皂化度分別為10%、20%、30%、40%的有機(jī)相。

水相的制備：采用去離子水與濃鹽酸配制pH 為3的鹽酸溶液[2-3]，稀土酸溶液采用稀土氯化鹽（帶結(jié)晶水）與pH為3的鹽酸溶液配制。

由于測(cè)量實(shí)際體系時(shí)，要求萃取反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，將所有體系油水兩相比均固定為1:1，常溫常壓下在恒溫振蕩箱中完全反應(yīng)2 h。

1.3模擬方法

模擬研究所用幾何模型是基于實(shí)驗(yàn)所用混合澄清槽結(jié)構(gòu)（圖1）所建，其三維立體模型如圖2所示。

圖2　CFD模擬的幾何模型Fig.2　Geometrical model for settler

CFD模擬方法包括對(duì)一系列控制方程的求解，該研究采用ANSYS軟件FLUENT6.3進(jìn)行。本文中幾何模型采用混合網(wǎng)格，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，在出口處采用四面體網(wǎng)格，同時(shí)澄清室主體采用六面體網(wǎng)格，為更準(zhǔn)確描述入口處流體湍動(dòng)情況，其網(wǎng)格尺寸更為密集，網(wǎng)格總數(shù)約為421萬(wàn)個(gè)。

假設(shè)油水體系為不可壓縮流體，涉及兩相流動(dòng)，采用歐拉-歐拉多相流模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，液滴尺寸采用統(tǒng)一粒徑。求解時(shí)，獲得單相收斂結(jié)果后加入油相，求解分散相控制方程進(jìn)而獲得兩相收斂結(jié)果。針對(duì)計(jì)算域內(nèi)采用一級(jí)迎風(fēng)離散化方法，壓力與體積耦合。本模擬模型中采用速度入口，以壓力出口為邊界條件，殘差達(dá)到10?4，且所監(jiān)測(cè)參數(shù)均達(dá)到穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為模擬收斂。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)中所涉及的非實(shí)際萃取體系的密度見表2。

表2　常溫常壓下不同體系的密度Table 2　Density of different P507-kerosene system at room temperature and atmospheric pressure

2.1煤油與皂化對(duì)界面張力的影響

P507屬于酸性磷酸酯，未皂化的P507在稀釋劑煤油中以二聚體的形式存在，為了增加有機(jī)相的萃取容量，可采用濃氨水進(jìn)行皂化，皂化后的萃取劑外觀仍顯現(xiàn)出清亮透明，不析出水來，是一個(gè)油包水的分散體系，非常穩(wěn)定。萃取劑皂化度越高越易達(dá)到飽和，因?yàn)樵砘雀叩妮腿┲卸鄯肿迎h(huán)被打開，有效萃取劑增加。因本文中所涉及體系相互溶解度很低或不溶，故在測(cè)量時(shí)未考慮密度因溶解而產(chǎn)生的極微小變化，直接采用純液體的密度來進(jìn)行計(jì)算測(cè)量。

2.1.1煤油與皂化對(duì)P507-煤油體系與水界面張力的影響由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤油體積分?jǐn)?shù)的增加，P507-煤油體系與水的界面張力皆呈上升趨勢(shì)，且煤油體積分?jǐn)?shù)分別為40%和60%時(shí)，皂化萃取劑體系的界面張力受煤油體積影響較為平穩(wěn)。

同時(shí)，圖4也驗(yàn)證了不同皂化度下40%和60%煤油體系的界面張力曲線幾乎重合。圖4中給出了不同皂化度下，P507-煤油體系與水的界面張力變化，不難發(fā)現(xiàn)，隨著皂化度的升高，萃取體系界面張力均急劇下降。

圖3　不同煤油體積分?jǐn)?shù)下P507-煤油體系與水的界面張力Fig.3　Interfacial tensions of P507/kerosene-water systems with different volume fraction of kerosene

圖4　不同皂化度下P507-煤油體系與水的界面張力Fig.4　Interfacial tensions of P507/kerosene-water systems with different saponification rate

2.1.2煤油對(duì)未皂化P507-煤油體系與鹽酸界面張力的影響在實(shí)際皂化P507萃取稀土過程中，稀土溶液一般配成酸性，萃取過程中會(huì)發(fā)生氫離子與稀土離子的交換，銨根離子也會(huì)參與稀土離子的交換過程，測(cè)量界面張力會(huì)因油水兩相發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致界面模糊（圖5），兩相密度變化大，故暫時(shí)不能直接測(cè)量皂化P507-煤油體系與鹽酸的界面張力。

圖5　皂化P507-煤油體系在鹽酸中的液滴Fig.5　Droplet in saponified P507/kerosene-hydrochloric acid system

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤油體積分?jǐn)?shù)的增加，未皂化P507-煤油體系與鹽酸的界面張力呈上升趨勢(shì)，與萃取體系和水界面張力的規(guī)律一致。相同條件下，萃取體系與水的界面張力大于與鹽酸的界面張力，是因?yàn)辂}酸溶液中H+濃度高于去離子水，和萃取體系相互作用力相對(duì)較大而導(dǎo)致界面張力降低。

圖6　不同煤油體積分?jǐn)?shù)下未皂化P507-煤油體系與鹽酸和水的界面張力Fig.6　Interfacial tensions of unsaponified P507/kerosene-hydrochloric acid systems with different volume fraction of kerosene

2.2P507-煤油體系與稀土酸溶液的界面張力測(cè)量

雖然由于酸性溶液會(huì)與皂化P507-煤油體系發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致界面波動(dòng)無(wú)法測(cè)量，但考慮到澄清室內(nèi)分相澄清之前體系處于混合狀態(tài)，故假設(shè)混合均勻且達(dá)到萃取平衡狀態(tài)，此時(shí)可測(cè)量酸性溶液與P507-煤油體系的界面張力，同時(shí)也可以考察水相中負(fù)載稀土量、皂化度、不同稀土種類以及單稀土與多稀土對(duì)P507-煤油體系與稀土酸溶液界面張力的影響。為使得考察對(duì)象更具代表性，特選取鑭、釤、鉺分別代表輕、中、重稀土金屬。本實(shí)驗(yàn)中所涉及的實(shí)際萃取體系的密度見表3，部分體系在萃取過程中乳化嚴(yán)重，無(wú)法測(cè)量。

2.2.1水相中稀土負(fù)載量及皂化度對(duì)P507-煤油體系與稀土酸溶液界面張力的影響圖7給出了無(wú)機(jī)相中負(fù)載不同濃度稀土?xí)r，稀土負(fù)載量對(duì)P507-煤油體系與酸溶液的界面張力，在該圖中也考察了皂化度對(duì)界面張力的影響。由表3以及圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀土濃度較低時(shí)，皂化度超過一定數(shù)值會(huì)使得體系乳化嚴(yán)重，導(dǎo)致界面張力無(wú)法測(cè)量，而當(dāng)稀土濃度較高時(shí)，較高的皂化度也不一定會(huì)引起乳化現(xiàn)象。固定皂化度，考察稀土濃度對(duì)界面張力的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨著濃度的增大，界面張力在小范圍內(nèi)不斷增加，然而增幅不大。固定稀土濃度，改變?cè)砘?，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)增加皂化度會(huì)使得界面張力相應(yīng)增加（然而增幅較小），而當(dāng)超過一定數(shù)值，則會(huì)發(fā)生突變，這有可能是因?yàn)槲镄灾g息息相關(guān)，超過一定量的皂化會(huì)使得萃取劑的體系物性變化較大，進(jìn)而影響界面張力。

表3　常溫常壓下不同實(shí)際體系萃取平衡后的密度Table 3　Density of different organic and aqueous phases after extraction equilibrium at room temperature and atmospheric pressure

2.2.2輕中重稀土及稀土元素?cái)?shù)量對(duì)P507-煤油體系與稀土酸溶液界面張力的影響稀土元素分類可分為輕、中、重3種，本文分別以鑭、釤、鉺作為代表。同時(shí)也對(duì)單元素與三元素體系的界面張力進(jìn)行了區(qū)別和比較。

圖7　不同濃度稀土溶液及皂化度下P507-煤油體系與酸溶液的界面張力Fig.7　Interfacial tensions of P507/kerosene-hydrochloric acid systems with different concentration of La and saponification rate

圖8中給出了不同稀土種類及稀土數(shù)量下，P507-煤油體系與酸溶液的界面張力。由于釤、鉺及三元素溶液濃度較低，故采用低濃度鑭溶液來進(jìn)行比較，然而由于濃度較低時(shí)，鑭溶液乳化嚴(yán)重?zé)o法進(jìn)行測(cè)量，故同時(shí)加入了0.00761 mol·L?1鑭溶液進(jìn)行比較。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，在相同皂化度下，稀土種類對(duì)低濃度稀土溶液的界面張力影響不大，稀土元素因各元素核外電子結(jié)構(gòu)類似，化學(xué)性質(zhì)相似，這一點(diǎn)也體現(xiàn)在了界面張力上。正因?yàn)槿绱耍瑔卧嘏c三元素的界面張力區(qū)別也并不非常明顯，相較輕稀土金屬而言，中重稀土金屬在低濃度較高皂化度時(shí)并不發(fā)生明顯乳化現(xiàn)象。

圖8　不同稀土種類及稀土數(shù)量下，P507-煤油體系與酸溶液的界面張力Fig.8　Interfacial tensions of P507/kerosene-hydrochloric acid systems with different kinds and number of rare earths

2.3煤油與皂化對(duì)體系黏度的影響

本實(shí)驗(yàn)中所采用的工業(yè)級(jí)P507的黏度約為30.8 mPa·s。表4中給出了純P507在不同皂化度下的黏度范圍。

表4　不同皂化度下，P507的黏度范圍Table 4　Viscosity range of P507 with different saponification rate

圖9給出了不同煤油體積比下，P507-煤油體系的黏度。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，煤油黏度較小，增加煤油的體積分?jǐn)?shù)可以使萃取體系的黏度急劇下降。

圖9　不同煤油體積分?jǐn)?shù)下P507-煤油體系的黏度Fig.9　Viscosity of P507/kerosene systems with different volume fraction of kerosene

結(jié)合表4與圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P507體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，隨著皂化度的升高，黏度升高，且當(dāng)P507體積比較大時(shí)，黏度增加的幅度較大。這是因?yàn)樵赑507-煤油體系中，濃氨水皂化影響的主要是P507。當(dāng)P507體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，其黏度基本不受皂化度影響。

圖10　不同皂化度下P507-煤油體系的黏度Fig.10　Viscosity of P507/kerosene systems with different saponification rate

2.4有機(jī)相稀土負(fù)載量對(duì)體系黏度的影響

對(duì)萃取平衡后的體系，尤其是有機(jī)相的黏度進(jìn)行了考察。當(dāng)萃取完全后有機(jī)相內(nèi)會(huì)負(fù)載一定量的稀土，表5分別給出了不同稀土濃度酸溶液經(jīng)皂化20%的P507-煤油萃取體系（P507濃度為0.072 mol·L?1，油水兩相體積比為1:1）萃取后，有機(jī)相內(nèi)稀土負(fù)載量對(duì)黏度的影響，同時(shí)也考察了稀土元素種類對(duì)黏度的影響。

表5　不同稀土種類及負(fù)載量對(duì)有機(jī)相黏度的影響Table 5　Viscosity of P507-kerosen with different rare earths capacity and species

圖11　不同P507體積分?jǐn)?shù)下的澄清室內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.11　Contours of volume fraction of organic phase with different volume fraction of P507

由表5可以發(fā)現(xiàn)，在文中所給出的稀土濃度范圍內(nèi)，有機(jī)相稀土負(fù)載量以及稀土種類對(duì)體系黏度影響不大，相較而言，煤油與皂化對(duì)體系黏度影響更大。

2.5澄清室內(nèi)不同體系的分相性能

界面張力是分離過程中最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一[20]，是描述相對(duì)作用力的重要影響因素，界面張力也是分子間作用力的一種體現(xiàn)。黏度則是流體黏滯性的一種量度，流體的黏滯性作用，使得流體在流動(dòng)時(shí)受到摩擦阻力和壓差阻力，是流體流動(dòng)時(shí)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示，黏度越大則表示內(nèi)摩擦力越大。本文針對(duì)部分上述P507-煤油體系進(jìn)行了CFD模擬，固定入口油相體積分?jǐn)?shù)為0.075，圖11給出了不同P507體積比下，澄清室內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)的分布情況。

由圖11可知，增加煤油體積分?jǐn)?shù)，油相黏度下降，油水兩相界面張力增加，分散帶由寬分布變窄，且增加至一定量后對(duì)油相體積分?jǐn)?shù)分布影響趨于穩(wěn)定。

觀察圖12中不同P507體積比下的水相速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，增加煤油體積，黏滯力減小，水相返流明顯，且各種情況下皆在油相中有不同程度的夾帶，針對(duì)其返流現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)減少澄清過程中的湍動(dòng)，或?qū)⑼膭?dòng)限制在有限空間內(nèi)。

圖12　不同P507體積比下澄清室內(nèi)水相速度矢量圖Fig.12　Velocity vector diagram of aqueous phase with different volume fraction of P507

圖13　不同皂化度下澄清室內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布（P507體積比為60%）Fig.13　Contours of volume fraction of organic phase with different saponification rate

固定P507-煤油體積比為60%，考察不同皂化率下澄清室內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)分布，由圖13發(fā)現(xiàn)，固定P507-煤油體積比后，皂化度不同所引起的界面張力與黏度的變化對(duì)油相體積分?jǐn)?shù)分布并沒有明顯的影響。

圖14　不同皂化度下澄清室內(nèi)水相速度矢量圖（P507體積比為60%）Fig. 14　Velocity vector diagram of organic phase with different saponification rate

事實(shí)上，實(shí)際體系的流場(chǎng)必然會(huì)在不同程度上根據(jù)不同操作條件的平衡狀況而有差異。然而，從澄清室內(nèi)的水相速度矢量圖觀察到了和油相體積分?jǐn)?shù)分布類似的結(jié)果，即皂化度對(duì)體系物性的改變對(duì)澄清室內(nèi)的流場(chǎng)沒有非常大的影響。這可能是因?yàn)樵谠撃M體系中采取的水相為純水，忽略了反應(yīng)平衡對(duì)流場(chǎng)的作用。圖中可以明顯觀察到水相層存有兩個(gè)旋渦，這是因?yàn)閬砹髋龅降锥吮诿嫘纬煞盗?，返流與來流相遇形成大小兩個(gè)旋渦。

為了能夠更加直觀地表現(xiàn)出體系物性對(duì)分相性能的影響，圖15、圖16分別給出了不同P507體積比以及皂化度下，澄清室水相出口處油相夾帶量。

圖15　不同P507體積比下澄清室水相出口處油相夾帶量Fig.15　Entrainment in water outlet with different volume fraction of P507

圖16　不同皂化度下澄清室水相出口處油相夾帶量Fig.16　Entrainment in water outlet with different saponification rate

當(dāng)澄清室中體系為純P507時(shí)，水相出口處油相體積分?jǐn)?shù)為0.00455，夾帶量約占入口輸入的6%，而當(dāng)采用煤油作為稀釋劑改善萃取劑體系物性后，夾帶現(xiàn)象明顯得到改善。由圖15可以觀察到，煤油體積含量越高，水相出口處夾帶量越低，分相效果越好。然而體系的選擇主要由實(shí)際操作確定，并不能因?yàn)槠浞窒嘈Ч镁筒粰?quán)衡其萃取效果等，即分相過程應(yīng)與混合過程相輔相成。

固定P507體積分?jǐn)?shù)為60%，改變?cè)砘瓤梢园l(fā)現(xiàn)水相出口處夾帶量均處于同一量級(jí)，且隨著皂化度增加，夾帶量增加，這亦與皂化度增加使得黏度增加，界面張力減小，分相阻力增大相呼應(yīng)。

總體而言，真實(shí)體系的分相性能與簡(jiǎn)單體系的分相性能有明顯差別，模擬真實(shí)體系需要在簡(jiǎn)單體系的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)，然而在CFD模擬中采用真實(shí)體系進(jìn)行研究勢(shì)在必行。

3　結(jié)　論

本文對(duì)稀土溶劑萃取常用P507-煤油體系進(jìn)行了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量，給出了P507-煤油體系與水以及不同稀土酸溶液在常溫常壓下的界面張力，同時(shí)測(cè)定了各個(gè)體系的黏度，考察了煤油與皂化度對(duì)P507-煤油體系與水以及萃取不同稀土濃度酸溶液界面張力以及黏度的影響，指出隨著煤油體積增加，界面張力增加，黏度急劇下降。固定P507與煤油體積比，增加皂化度會(huì)使得界面張力急劇減小。有機(jī)相內(nèi)稀土負(fù)載量在一定范圍內(nèi)對(duì)界面張力和黏度的影響不大，且由于稀土性質(zhì)相似，不同稀土元素及元素?cái)?shù)量對(duì)界面張力影響并不明顯。由澄清室內(nèi)不同體系的CFD模擬可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際體系與簡(jiǎn)單體系的分相性能差距大，僅研究簡(jiǎn)單體系不足以描述實(shí)際工業(yè)分離過程。此外，本文并未對(duì)P507-煤油體系與稀土水溶液的界面張力進(jìn)行測(cè)量，針對(duì)這部分工作本課題組將會(huì)結(jié)合實(shí)際體系的實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)定一同開展。

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151142

中圖分類號(hào)：TQ 028.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）02—0458—11

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CBA01203）。

Corresponding author:WANG Yundong, wangyd@tsinghua.edu.cn supported by the National Basic Research Program of China (2012CBA01203).

Physical properties measurements and CFD simulations in settler of different P507-kerosene systems

YE Sishi, TANG Qiao, QIAO Junshuai, WANG Yundong
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:Interfacial tensions play an important role on settling in rare earth element separation process. The interfacial tensions of binary liquid-liquid systems (P507-kerosene / water) and (P507-kerosene / hydrochloric acid which contain rare earths) were measured by the pendant drop method. Viscosity of P507- kerosene with different proportions was obtained by rotational viscometer. The influence of the volume of kerosene, the saponification rate, the concentration of rare earths, the kinds of rare earths and number of rare earths on the interfacial tension and viscosity have been discussed that increase the volume of kerosene would raise the interfacial tensions and lower the viscosity, and the increase of saponification rate brought the decrease of interfacial tension and increase of viscosity. The varied concentration of rare earths did not show great impact on the interfacial tension within a certain degree of saponification rate. Too low concentration and too high saponification rate would raise emulsification, which would hinder the measurements. Different kinds and number of rare earths presented little difference on interfacial tensions for their similar properties. CFD simulations in settler with different P507-kerosene systems have been conducted and the results showed that the phase separation was tougher withlower interfacial tension and higher viscosity.

Key words:P507-kerosene systems; interfacial tension; viscosity; settler; CFD simulation