萃取混合澄清槽混合过程的数值模拟

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2012.06.013

萃取混合澄清槽混合过程的数值模拟

逄启寿，谢明春

（江西理工大学，江西赣州341000）

摘要：应用Fluent软件对混合澄清槽的搅拌混合过程进行模拟分析，以水相和有机相（P507）两种液体为模拟对象，搅拌器采用上两层为平直叶桨和下层为涡轮桨的三层组合桨。结果表明，搅拌轴中心即前室口上方产生低压区，从而使前室液体抽吸至混合室，并在混合室内形成了周期性的上下循环流动；各层叶轮转矩由上而下逐渐递增。

关键词：搅拌桨；萃取；混合澄清槽；数值模拟

中图分类号：TF804.2；TF845 文献标识码：A 文章编号：1007-7545（2012）06-0000-00

Numerical Simulation of Mixing Process in Mixer-settler

PANG Qi-shou, XIE Ming-chun

(Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

Abstract: The stirring and mixing process in mixer-settler were simulated and analyzed by means of Fluent software with aqueous phase and organic phase (P507) as the simulation object, and the upper two layer of stirrer adopted straight blade and the lower adopted turbine impeller. The results show that a low pressure area is formed in the stirring axis center, as a result of which the liquid is pumped into the mixing chamber and forms a periodic circular flow, and impeller torques of each layer increase gradually from top to bottom.

Key word s: stirring paddle; extraction; mixer-settler; numerical simulation

在稀土萃取过程中，箱式混合澄清槽在萃取工艺中占据着重要地位，其混合室内混合程度及混合时间影响着整个工艺过程的萃取级数和停留时间。为更好地实现稀土萃取的混合与传质，在混合阶段要求对两相流体进行搅拌，使两相液体按要求时间进行混合均匀，这就对搅拌桨及搅拌混合的各种参数提出了要求。作者通过对实际工程中应用的搅拌桨型在混合室内的混合过程进行模拟分析，以及对两相流体的流场分析，对了解两相流体的各种特性、为进一步设计改进搅拌桨提供理论基础。

1 混合搅拌模型及介质物性参数

1.1 混合室及搅拌桨模型

以实际工程模型为基础，混合澄清槽的混合室容积750 L（图1），无挡板。搅拌桨为三层叶轮结构（图2），上两层为平直叶桨叶，长240 mm、宽110 mm、厚8 mm，底层桨叶直径为240 mm、宽110 mm，各桨叶跨距均为280 mm，底层桨叶离底部距离为30 mm；搅拌轴以280 r/min的转速旋转。

图1 混合室及前室示意图

Fig.1 Sketch map of mixing chamber and antechamber

收稿日期：2011-11-28

作者简介：逄启寿（1963-），男，山东潍坊人，教授.

图2 搅拌桨模型

Fig.2 Model of stirring paddle

1.2 两相介质物性参数

以无机相和有机相的混合液为工作介质，无机相为水，有机相为P507，两种介质参数见表1。

表1 介质物性参数

Table 1 Physical parameters of extracting medium

介质

密度

/(kg·m-3)

黏度

/Pa·s

热导率

/(W·m-1·K-1)

比热容

/(J·kg-1·K-1)

水998 0.001 0.60 4 182

P507 945 0.036 0.12 1 200

2 计算前处理

使用Fluent前处理软件gambit生成计算几何体，网格创建采用结构化与非结构化相结合的方式，桨叶区采用四面体的非结构化网格，且对该处的网格进行加密，以增加计算精度，更好地捕捉桨叶附近的流动，槽内其它区域采用合理的分区方法建立结构化网格。共计239 972个网格和83 101个节点（图3）。所划分的网格边界类型为：箱体的四面底面为WALL；桨叶以及轴的外表面为W ALL；内部旋转网格与外部网格交界面INTERFACE；液面为SYMMETRY；底端为进口，设置为VELOCITY_INLET。本文采用多重参考系法（MRF），搅拌轴及近桨区为旋转区，槽内其他部分为静止区。

图3 网格划分示意图

Fig.3 Sketch map of gridding division

3 计算结果及分析

3.1 力矩分析

搅拌基本趋于稳定后，最底层、中间层和最上层桨叶力矩分别为273 N/m、187 N/m和103 N/m。可以看出，中间叶轮力矩约为底层叶轮力矩的2/3，上层叶轮力矩约为底层力矩的1/3，约为中间层力矩的1/2。这与文献中双层搅拌桨上下层叶轮力矩得出的结果不尽相同[2]，但都是底层桨叶转矩更大，文献[2]中的底层桨叶转矩约为上层叶轮转矩的2倍。因此，在选择设计多层搅拌桨时，底层叶轮的选择设计对提高整个搅拌桨的效率非常重要。

3.2 压力分析

随着搅拌混合时间的逐渐增加，搅拌轴中心处产生负压（图4），从而使两相流体从前室顺利流入混合室，底层叶轮的抽吸作用愈加明显，在设计选择底层叶轮时一定要考虑能够产生的抽吸作用，稀土萃取设备混合澄清槽中混合室的流体流向也要求液体能够从潜室流进混合室中。

图4 x=0处剖面压力图

Fig.4 Pressure chart of x=0 section

3.3速度分析

图5为搅拌60 s后的底层叶轮和对角线面上的速度矢量图。

图5 底层叶轮和对角剖面上的速度矢量图

Fig.5 Velocity vector of bottom impeller and diagonal section

从图5可以看出，三层搅拌桨在混合槽中的旋转对流体形成了对称的上下回流，加速了混合，促进了混合效果。同时在搅拌桨中间叶轮处产生明显的回流漩涡，形成涡流，增加流场湍动强度，促进两相液体的混合。在桨叶附近速度明显较周围速度大，桨叶附近随着搅拌的作用，流体一边向上流动，一边向下流动，这就是底