稀土萃取攪拌槽內(nèi)混合過程的數(shù)值模擬

吳旭龍， 孫后環(huán)， 年 順， 華廣勝

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211800)

攪拌混合設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、食品、冶金等行業(yè)，其主要目的就是將物料進(jìn)行混合，這其中涉及到了動(dòng)能、熱量、質(zhì)量的傳遞和物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，其攪拌槽內(nèi)物料的混合效果及功率消耗是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1-3]。攪拌槽內(nèi)槳葉結(jié)構(gòu)是影響流場分布的一個(gè)非常重要的因素[4]。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，可以利用 CFD 數(shù)值模擬的方法來獲得攪拌槽內(nèi)不同槳葉結(jié)構(gòu)的混合過程。本文利用CFD技術(shù)對(duì)稀土萃取攪拌槽內(nèi)不同槳葉結(jié)構(gòu)的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)混合時(shí)間及功率消耗的分析，對(duì)攪拌設(shè)備的研發(fā)和優(yōu)化進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1 混合過程模擬

混合室內(nèi)的料液混合過程指通過攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)槽內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)，使料液與P507進(jìn)行有效混合，混合的快慢程度用混合時(shí)間來表示，混合時(shí)間為兩種完全互溶，但是物理、化學(xué)等性質(zhì)有差異的流體，達(dá)到所規(guī)定的均勻混合程度所需要的時(shí)間。本文利用示蹤劑法即加入與物料顏色不同的NaCl(第三相)作為示蹤劑，通過觀察示蹤劑在混合室內(nèi)的顏色變化過程即在攪拌槽內(nèi)的宏觀擴(kuò)散過程，在攪拌槽內(nèi)設(shè)置合理的監(jiān)測點(diǎn)，通過監(jiān)測點(diǎn)處的第三相濃度值計(jì)算混合時(shí)間，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)處第三相的穩(wěn)定濃度值為混合室內(nèi)最終濃度的±5%時(shí)[5]，把最終達(dá)到該濃度值的監(jiān)測點(diǎn)所需要的時(shí)間定義為最終混合時(shí)間。其中不同監(jiān)測點(diǎn)處的NaCl達(dá)到穩(wěn)定濃度所需時(shí)間不同，混合室內(nèi)整體混合時(shí)間為達(dá)到穩(wěn)定值的最大混合時(shí)間。

在Fluent中將定常流動(dòng)改為非定常流動(dòng)，先在穩(wěn)態(tài)下求解動(dòng)量方程得到流場情況，將穩(wěn)定的流場作為初始值帶入非穩(wěn)定求解方程中，鎖定速度、湍動(dòng)能等方程，計(jì)算時(shí)單獨(dú)求解濃度組分運(yùn)輸方程，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)濃度的變化進(jìn)行監(jiān)測就可以得到混合時(shí)間。

1.1 示蹤劑的加入與監(jiān)測

本文以贛州某公司所制造的箱式混合澄清槽為模擬對(duì)象，考慮到底端進(jìn)料口的位置和料液在混合室內(nèi)的初始流動(dòng)情況，將靠近混合室底端，在槳葉與槽壁之間的位置作為示蹤劑初始加入位置G(x=160，y=-420，z=0)，同時(shí)在混合室底端，兩槳葉之間，混合室頂端分別選取3個(gè)具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)，便于更清楚的觀察示蹤劑在混合室內(nèi)的擴(kuò)散情況。各監(jiān)測點(diǎn)具體坐標(biāo)：監(jiān)測點(diǎn)P1(x=-160，y=-420，z=0)在混合室底端與加料點(diǎn)對(duì)應(yīng)的另一側(cè)；監(jiān)測點(diǎn)P2(x=-160，y=-250，z=0)在上下兩層槳葉之間；監(jiān)測點(diǎn)P3(x=-160，y=-50，z=0)位于上層槳葉與液面之間?；旌鲜矣覀?cè)為加料點(diǎn)，左側(cè)為監(jiān)測點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于液面中心處，具體分布見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)與加料點(diǎn)位置示意圖

示蹤劑通常情況選取與工作介質(zhì)互溶的NaCl或KCl[6]，本次模擬采用NaCl作為示蹤劑，其相關(guān)屬性如表1所示。

示蹤劑的加入是根據(jù)之前設(shè)置好的投料點(diǎn)坐標(biāo)作為球心，將半徑為15 mm的球體所包含區(qū)域濃度值定義為1，混合室內(nèi)其他區(qū)域的濃度定義為0，利用Fluent中初始化(initialization)打補(bǔ)丁的功能(Patch)以補(bǔ)丁方式加入到計(jì)算過程中。

表1 NaCl屬性表

1.2 求解模型設(shè)置

在本次數(shù)值計(jì)算過程中，首先在求解器將定常流動(dòng)改為非定常流動(dòng)，開啟組分運(yùn)輸模型，將第三相(NaCl)作為運(yùn)輸相，采用體積混合法對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)行求解。在Surfice Monitor中選取之前設(shè)置的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作為濃度監(jiān)測點(diǎn)。在Region中定于半徑為15 mm的加料點(diǎn)。設(shè)置濃度計(jì)算殘差收斂值為10-5，同時(shí)設(shè)置好時(shí)間步數(shù)，步長不易設(shè)置過大否則會(huì)影響整個(gè)混合過程的把握程度，太小又會(huì)增加迭代時(shí)間，這里選用0.05 s，每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)最大迭代步數(shù)為20。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 示蹤劑的擴(kuò)散

本文模擬是在穩(wěn)定流場的基礎(chǔ)上，通過觀察示蹤劑在混合室內(nèi)的擴(kuò)散過程反應(yīng)料液混合規(guī)律。通過示蹤劑擴(kuò)散速率反應(yīng)混合時(shí)間，混合時(shí)間越短，混合速率越高。選取Z=0的中心截面作為觀察示蹤劑的擴(kuò)散過程，選取前6 s時(shí)間內(nèi)觀察NaCl擴(kuò)散云圖，因?yàn)槌^6 s以后NaCl基本擴(kuò)散完成，濃度差很小。比較四種不同葉片數(shù)的攪拌槳對(duì)混合過程的影響。t=0 s為加料點(diǎn)處初始濃度分布，圖2從左至右分別為t=0 s、2 s、4 s、6 s的示蹤劑擴(kuò)散過程。

通過對(duì)比分析四種不同槳葉結(jié)構(gòu)的攪拌槳在混合室內(nèi)示蹤劑擴(kuò)散云圖(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，示蹤劑的整體擴(kuò)散趨勢相同，與流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，在0 s時(shí)將料液加入底部循環(huán)流范圍，在2 s、4 s時(shí)可以看出示蹤劑向混合室頂部擴(kuò)散，說明混合室底部以軸向速度為主。在2 s時(shí)5葉片和6葉片攪拌槳的混合室內(nèi)示蹤劑擴(kuò)散范圍相比3葉片和4葉片更大，在t=6 s時(shí)5葉片和6葉片攪拌槳的混合室內(nèi)NaCl已基本擴(kuò)散完成，綜合四種結(jié)構(gòu)的NaCl在t=4 s時(shí)的擴(kuò)散云圖，得到NaCl擴(kuò)散速度由快到慢依次為5葉片>6葉片>4葉片>3葉片。

2.2 混合時(shí)間分析

混合室內(nèi)的料液充分混合，混合時(shí)間是評(píng)價(jià)攪拌混合效果的重要指標(biāo)。本節(jié)給出了四種不同槳葉結(jié)構(gòu)的混合室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)處NaCl的濃度隨時(shí)間變化過程，詳見圖3。

圖2 t=0 s、2 s、4 s、6 s時(shí)NaCl擴(kuò)散圖

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)濃度響應(yīng)曲線

通過圖3可以看出，不同葉片數(shù)量攪拌槳的混合室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)濃度隨時(shí)間變化的曲線整體波動(dòng)趨勢相同，主要是由于混合室內(nèi)流場情況相似。不同的監(jiān)測點(diǎn)受NaCl擴(kuò)散過程的影響所得到的濃度響應(yīng)曲線不同，即混合時(shí)間不同。監(jiān)測點(diǎn)P1在混合室底部，受旋轉(zhuǎn)槳葉的作用，可能首先監(jiān)測到NaCl達(dá)到峰值，但是受到混合室內(nèi)復(fù)雜的流場作用，可能迅速降低，監(jiān)測點(diǎn)P1不一定在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值。為了更加清晰的分析混合速率，下面給出四種不同葉片數(shù)量攪拌槳的混合室中各監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定濃度值的具體混合時(shí)間?；旌蠒r(shí)間的長短決定了混合效率的高低，把監(jiān)測點(diǎn)得到的最大混合時(shí)間作為混合室內(nèi)最終混合時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中各監(jiān)測點(diǎn)所得到的混合時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)5葉片攪拌槳的混合室內(nèi)達(dá)到均勻混合狀態(tài)的時(shí)間最短，4葉片與6葉片的混合室內(nèi)混合時(shí)間相差不大，當(dāng)葉片數(shù)量為3時(shí)，混合速率較低，所需混合時(shí)間較長。

3 混合效率計(jì)算

混合效率作為評(píng)價(jià)攪拌設(shè)備性能的重要指標(biāo)，同時(shí)也反映了攪拌槳性能的高低，一般情況用單位體積混合能Wr來表示[7]。單位體積混合能是綜合考慮了功耗和時(shí)間的對(duì)攪拌設(shè)備的影響,表示攪拌槳在一定的轉(zhuǎn)速內(nèi)將單位體積的物料攪拌混合至均勻狀態(tài)所需要的能量，Wr越小說明混合效率越高，攪拌設(shè)備性能越好。單位體積混合能Wr為單位體積攪拌功率Pr與最終混合時(shí)間θm的乘積，具體表達(dá)見式(1)。

Wr=Prθm

(1)

式中，Pr為單位體積攪拌功率，表達(dá)式見式(2)。

(2)

其中P表示攪拌功率，V表示混合室內(nèi)液體的有效體積。

表2 各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間 s

本文研究所用混合室為箱式混合澄清槽，混合室尺寸450 mm×450 mm×550 mm的長方體平底槽，有效液面高度為500 mm，所以混合室的有效體積為100 L，計(jì)算見式(3)。

V=0.45 m×0.45 m×0.50 m=0.101 25 m3

(3)

綜合考慮不同槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)混合時(shí)間及攪拌功率的影響，以混合效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌混合過程的影響。不同葉片數(shù)的攪拌槳在混合室的單位體積混合能如表3所示。

表3 單位體積混合能

通過表3可以看出不同葉片數(shù)量攪拌槳的混合室內(nèi)單位體積混合能，當(dāng)葉片數(shù)量為5時(shí)單位體積混合能較其他三種葉片小，表明此時(shí)混合室內(nèi)混合效率更高，其中當(dāng)葉片數(shù)為3片、4片、6片時(shí)單位體積混合能相差不大，相比5葉片的攪拌槳混合室內(nèi)混合效率更低，不利于工廠降耗節(jié)能。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件中的FLUENT對(duì)混合室內(nèi)料液混合過程進(jìn)行模擬分析，將NaCl作為示蹤劑以打補(bǔ)丁方式(Patch)加入混合相中，通過模擬NaCl在混合室內(nèi)擴(kuò)散的過程，分析了不同槳葉結(jié)構(gòu)的攪拌槳對(duì)混合速率和混合效率的影響，得出以下結(jié)論。

(1)NaCl在混合室內(nèi)的擴(kuò)散與流場中液體的流動(dòng)相似，不同的槳葉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致混合室內(nèi)擴(kuò)散速度不同，通過不同槳葉結(jié)構(gòu)的混合室中NaCl擴(kuò)散云圖得到擴(kuò)散速度依次為5葉片>6葉片>4葉片>3葉片。

(2)在相同的監(jiān)測點(diǎn)處5葉片攪拌槳的混合時(shí)間相比其他幾種葉片數(shù)的攪拌槳更小，混合速率更大，3葉片攪拌槳的混合時(shí)間最長。

(3)通過計(jì)算得到不同葉片數(shù)攪拌槳的混合室中單位體積混合能，分析對(duì)比得到混合效率最高的為5葉片攪拌槳，其中3葉片和4葉片的攪拌槳混合效率相當(dāng)。