稀有金属 2015,39(06),540-545 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.06.011
新型双搅拌高效澄清萃取槽中多相流体动力学的数值模拟
吕超 张子木 赵秋月 王淑婵 刘燕 张廷安
东北大学材料与冶金学院多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室
东北石油大学秦皇岛分校
摘 要：
采用k-ε湍流模型与Eulerian多相流模型耦合,选择Morsi-Alexander相间曳力模型,对高效澄清萃取槽中液-液两相流做了数值模拟。对不同条件下萃取槽水相出口中油相杂质含量做了详细考察。结果表明:在不同入口流量、不同澄清室搅拌转速、不同搅拌桨离底高度条件下物理实验与数值模拟所得到的水相出口油相杂质含量整体趋势保持一致。澄清室增加搅拌装置能有效降低水相出口油杂质含量,加速油、水两相的澄清分离。通过数值模拟确定了实验条件水油两相入口流量分别为40和80 L·h-1、搅拌转速10 r·min-1、澄清室内搅拌桨离底高度9 cm时水油两相达到了最佳的澄清分离效果。在其他条件一定的情况下,粘度越低,两相间界面张力越小,沉降分离效果越明显。而粘度越高,两相间界面张力越大,搅拌加速分离的效果越明显。
关键词：
双搅拌;高效萃取槽;实验条件;FLUENT模拟;
中图分类号： TQ051.83
收稿日期：2014-01-08
Numerical Simulation on Multiphase Fluid Dynamic in High Efficient Clarification and Extraction Tank with Double Stirring
Lü Chao Zhang Zimu Zhao Qiuyue Wang Shuchan Liu Yan Zhang Ting'an
Key Laboratory of Ecological Utilization of Multi-Metal Intergrown Ores of Education Ministry,School of Materials and Metallurgy of Northeastern University
Northeast Petroleum University at Qinhuangdao
Abstract：
The liquid-liquid two phases flow in the high efficient clarification and extraction tank was numerically simulated using standard k-ε turbulent model coupled with Eulerian multiphase flow model and the Morsi-Alexander drag model. The ratio of oil in the water phase of outlet was detailedly investigated in different conditions. The results demonstrated that the oil content in water phase outlet with different inlet flow rates,rotational speeds and impeller off-bottom distances showed good agreement between experiment and simulation. After adding stirring of impeller in clarification chamber,the oil content in water phase of outlet decreased,meanwhile the separation process for clarification was accelerated. The optimum inlet flow rates of water and oil were 40 and 80 L·h-1,respectively,the rotational speed was 10 r·min-1and the impeller off-bottom distance was 9 cm,and then the best clarification and separation effects could be obtained in this condition. Under the same conditions,the settling separation was more effective for fluids with lower viscosity and thus smaller interface tension. In contrast,for the fluids with higher viscosity and interface tension,the stirring separation was more efficient.
Keyword：
double-stirring; efficient extraction tank; experimental conditions; FLUENT simulation;
Received： 2014-01-08
混合澄清槽是最早使用而且目前仍广泛应用于石油、化工、冶金、核工业等领域的溶剂萃取设备。该装置结构简单、操作可靠、处理量大、能耗低、虽然设备笨重,但其良好的放大性能为塔式和离心萃取器所无可比拟,至今仍在稀土工业生产中被广泛应用[1,2,3,4,5]。最简单的混合澄清器是箱式混合澄清槽,但它具有占地面积大,料液和溶剂存留量大,溶剂夹带损失高,混合与澄清速率不匹配等缺点。箱式混合澄清槽在工业上应用至今,研究者对它作了不少改进以降低需用面积,使处理量和效率提高,国内外有关萃取槽分离过程的专利技术主要是通过改进澄清槽制作材料,改变澄清室结构(如分隔澄清室、加入挡板或回流通道等)等来强化两相分离过程[6,7,8]。但依然不能解决由于稀土萃取后水相与有机相分离过程中的推动力不足、两相分离时间过长以及澄清室与混合室体积比过大而导致的混合澄清槽总体积增大,而使生产过程中稀土存槽量大、生产效率降低等问题。
理想的萃取设备,是在保证萃取级效率的前提下,结构紧凑、使用可靠、容易放大、经济和安全。为此,本课题组对传统的混合澄清槽进行了改进,提出了“双搅拌新型高效分离萃取槽”,即在传统箱式萃取槽基础上,突破重力澄清分离的瓶颈,在缩小1倍体积的澄清室中增加了搅拌装置,利用重力澄清和搅拌澄清的耦合作用提高澄清分离效率。在搅拌作用下,新型双搅拌高效澄清萃取槽两相分离效果更佳,分离效率更高[9,10,11,12]。
采用k-ε湍流模型与Eulerian多相流模型耦合,选择Morsi-Alexander相间曳力模型,对高效澄清萃取槽中液-液两相流做了数值模拟,并对不同条件下萃取槽水相出口中油相杂质含量做了详细考察。
1数值模拟方法
1.1模型的建立
实验所用高效澄清萃取槽尺寸如下:混合室尺寸为200 mm×200 mm×300 mm,澄清室尺寸为250 mm×200 mm×300 mm,液面高度为210 mm,混合室搅拌桨采用开式45°桨,澄清室搅拌桨为六直叶圆盘涡轮桨,混合室搅拌转速为450 r·min-1。本文采用GAMBIT和MIXSIM软件绘制几何模型(图1)以及划分网格(图2),整体网格数量为667172个。
1.2模型的选择
采用标准k-ε(k是湍流脉动动能,ε是湍流脉动动能的耗散率)湍流模型[13]与Eulerian模型耦合对混合澄清萃取槽的液-液体系进行数值模拟[14,15],相间曳力选择Morsi-Alexander模型。使用滑移网格法[16]来处理桨叶的旋转区域,控制方程的传输项采用速度压力耦合的SIMPLE算法,离散格式采用二阶迎风格式,所有项的残差收敛标准均采用1×10-3。
1.3边界条件的设定
根据实验条件给定数值模拟所需边界条件:油相入口及水相入口设为速度入口,速度比为2∶1,初始时槽内油、水两相体积分数比为2∶1。出口设定为自由出口。油、水两相出口的流量比重为2∶1,保证混合萃取槽中质量守恒且油水体积分数比例稳定在2∶1。壁面设为无滑移边界条件,壁面粗糙度默认为0.5,边界湍流用标准壁面函数法处理。实验所需的操作参数如表1所示。
图1 高效澄清萃取槽示意图Fig.1 Schematic diagram of high efficient clarification and ex-traction tank
图2 网格示意图Fig.2 Schematic grid
表1 操作参数Table 1 Operating parameters
2结果与讨论
2.1实验及模拟结论对比
由水模型实验结果得到,澄清室内加入搅拌装置对油相出口的水杂质含量影响不大,但可大大降低水相出口的油杂质含量,对比水模型实验及数值模拟的水相出口的油含量变化,结果如图3所示,N为混合液中油相的体积分数。由图3(a)可知,澄清室内搅拌转速不同,水相出口油杂质含量也不同,但有搅拌时水相出口油杂质含量值明显低于澄清室无搅拌时水相出口的油杂质含量。由图3(b)可知,不同的入口流量情况下,澄清室有搅拌时水相出口油杂质含量明显低于澄清室无搅拌时水相出口油杂质含量,说明澄清室中加入搅拌装置可有效加速油水两相分离。由图3(c)可知,在入口流量不同、澄清室搅拌转速不同、搅拌桨离底高度不同的条件下,物理实验与数值模拟所得到的水相出口油相杂质含量整体趋势保持一致,误差较小,说明数值模拟所选模型及边界条件准确,可以通过数值模拟来进一步确定实验过程中的最佳操作条件。
2.2最佳实验条件的确定
混合澄清槽内液-液体系流量的变化、澄清室搅拌转速的变化、澄清室内搅拌桨离底高度的变化会影响油相、水相的萃取分离效果,直观地体现在水相出口的油相杂质含量变化。本文力求寻找实验条件下最佳入口流量、最佳搅拌转速、最佳搅拌桨离底距离,以达到既能提高萃取槽的生产能力,又能保证分离效果的目的。
本文选取3组不同的流量,即混合室水、油两相入口流量分别为30和60 L·h-1,40和80 L·h-1,50和100 L·h-1,观测水相出口油相杂质含量的变化情况。
2.2.1流量的影响
图4为不同流量下澄清萃取槽水相出口油杂质含量的变化。由图4可知,流速越大,水相出口油杂质含量越大,而26 s以后,水相入口流量分别为30,40 L·h-1时,水相出口的油杂质含量趋势变化不大,但却低于水相入口流量为50 L·h-1时水相出口的油杂质含量。本实验所设计的高效澄清萃取槽优势在于缩短了停留时间,流速选择越大越好,但水相入口流量为50 L·h-1,虽然停留时间缩短了四分之一,但水相出口油杂质含量却增加了一倍,并不可取。综合考虑,选择水、油两相入口流量为40和80 L·h-1条件较为合适。
2.2.2搅拌速度的影响
本文选取5组不同的搅拌转速,即澄清室内搅拌转速分别为0,10,20,30,40 r·min-1,观测水相出口油相杂质含量随时间的变化情况。由图5水相出口油杂质含量结果可知,10 s以前,澄清室内以沉降分离为主,油水两相分离效果差别不大。10 s以后,搅拌加速油水两相的分离,澄清室有搅拌时水相出口油杂质含量明显低于澄清室无搅拌时的结果。随着时间的增加,10,20,30 r·min-1搅拌时所得到水相出口油含量趋于稳定平衡,其中搅拌转速为10 r·min-1时油水两相分离效果最佳,而搅拌转速为40 r·min-1时,油水两相的分离效果明显降低,这是因为加速搅拌破坏了水油两相的分离趋势。
(a)Rotational speed(n);(b)Volume flow rate of water inlet(Q);(c)Impeller height from bottom(h)
图3 不同条件下物理实验和数值模拟水相出口油含量对比Fig.3 Oil contents(N)in water phase of outlet for experiment and simulation in different conditions
图4 不同入口流量下水相出口油含量随时间的变化Fig.4Oil contents in water phase outlet varying with time at different flows
2.2.3搅拌桨高度的影响
当水、油两相的入口流量分别为40和80 L·h-1,澄清室搅拌转速为10 r·min-1,澄清室搅拌桨离底高度分别为5,7,9cm时,模拟水相出口油杂质含量变化情况如图6所示。由图6观察可得:6 s之前重力沉降和搅拌都起到加速分离效果,澄清室搅拌桨距离底面5cm时水相出口油杂质含量较低。6 s以后,搅拌桨旋转带动附近流场变化,搅拌桨距底面越近,流场越明显。油水两相分离效果受流场变化影响,搅拌桨离底5 cm时,搅拌桨会对已经完成澄清分离的油水两相产生混合效果,不利于油水两相的分离。搅拌桨距底面9 cm处既保证了搅拌加速分离,又没有破坏重力沉降带来的分离效果,所以分离效果最为明显。
图5 不同搅拌转速下水相出口油含量随时间的变化Fig.5Oil contents in water phase outlet varying with time at different speeds
通过数值模拟得出的最佳实验条件进行模拟,即入口流量为40~80 L·h-1,搅拌桨搅拌转速为10 r·min-1,离底高度为9 cm,得到3组不同的液-液物性参数,如表2。图7为20 s时不同界面张力下澄清萃取槽水相出口的油杂质含量,可以看出,澄清室有搅拌时的结果优于无搅拌时的结果,搅拌能加速水油两相的分离,并且粘度越大,界面张力越大,沉降分离越困难,搅拌加速分离的效果越明显。
(a)0~10 s;(b)10~20 s
图6 不同离底高度下水相出口油含量随时间的变化Fig.6 Oil contents in water phase outlet varying with time(t)at different heights from bottom
表2 液-液物性参数Table 2 Physical parameters in liquid-liquid system
图7 不同界面张力下的水相出口油含量Fig.7 Oil contents in water phase outlet under different inter-facial tensions(σ)
3结论
1.澄清室增加搅拌能有效降低水相出口油杂质含量,能加速油、水两相的澄清分离。数值模拟得到水相出口油杂质含量与物理实验水相出口油杂质含量结果吻合良好,证明所选数值模型的正确性。
2.确定了实验最优工艺条件为水、油两相入口流量分别为40和80 L·h-1,搅拌转速10 r·min-1,澄清室内搅拌桨离底面高度9 cm。
3.比较不同物性参数下的澄清分离效果可知,粘度越低,界面张力越小,沉降分离效果更明显。而粘度越高,界面张力越大,搅拌加速分离的效果越明显。
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