萃取混合澄清槽混合过程的数值模拟.pdf

4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．‘m1 0 0 7 。7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 1 3 萃取混合澄清槽混合过程的数值模拟 逢启寿，谢明春 江西理工大学，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要应用F l u e n t 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 P 5 0 7 碡种液体 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 中围分类号T F 8 0 4 ．2 ；T F 8 4 5文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 1 2 0 1 2 1 0 6 0 0 4 4 0 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fM i x i n gP r o c e s si nM i x e r - s e t t l e r P A N GQ i s h o u ，X I EM i n g - c h u n J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，G a n z h o u3 4 1 0 0 0 J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h es t i r r i n ga n dm i 】【i n gp r o c e s si nm i x e r - s e t t l e rw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db ym e a n so fF l u e n t s o f t w a r ew i t ha q u e o u sp h a s ea n do r g a n i cp h a s e P 5 0 7 a st h es i m u l a t i o no b j e c t ，a n dt h eu p p e rt w ol a y e ro f s t i r r e ra d o p t e ds t r a i g h tb l a d ea n dt h e1 0 w e ra d o p t e dt u r b i n ei m p e l l e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tal o wp r e s s u r e a r e ai sf o r m e di nt h es t i r r i n ga x i sc e n t e r ，a sar e s u l to fw h i c ht h el i q u i di sp u m p e di n t ot h em i x i n gc h a m b e r a n df o r m sap e r i o d i cc i r c u l a rf l o w ，a n di m p e l l e rt o r q u e so fe a c hl a y e ri n c r e a s eg r a d u a l l yf r o mt o pt Ob o t t o m ． K e yw o r d s s t i r r i n gp a d d l e ；e x t r a c t i o n ；m l x e r - s e t t l e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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。 收稿日期2 0 1 I - 1 1 ．2 5 作者简介逢启寿 1 9 6 3 一 ．男，山东潍坊人。教授 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7 5 0L 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2 4 0m m 、宽1 l o m m 、厚8m m ，底层桨叶直径为2 4 0m m 、宽i i 0 m m ，各桨叶跨距均为2 8 0m m ，底层桨叶离底部距 离为3 0m m ；搅拌轴以2 8 0r ／m i n 的转速旋转。 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P 5 0 7 ，两种介质参数见表l 。 万方数据 2 0 1 2 年6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ] y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 混 A 口 室 营 一 图1混合室及前窒示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fm i x i n gc h a m b e r a n da n t e c h a m b e r 图2 搅拌桨模型 F i g ．2 M o d e lo fs t i r r i n gp a d d l e 表1 介质物性参数 T a b l e1 P h y s i c a lp a r a m e t e r so fe x t r a c t i n g m e d i u m 2 计算前处理 使用F l u e n t 前处理软件g a m b i t 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2 3 99 7 2 个网格和8 31 0 1 个节点 图3 。所划分的网格边界类型为箱体的四面底 面为W A L L ；桨叶以及轴的外表面为W A L L ；内部 旋转网格与外部网格交界面I N T E R F A C E ；液面为 S Y M M E T R Y ；底端为进口，设置为V E L O C I T Y I N L E T 。本文采用多重参考系法 M R F ，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 F i g ．3 S k e t c hm a po fg r i d d i n gd i v i s i o n 3 计算结果及分析 3 ．1 力矩分析 搅拌趋于稳定后，最底层、中间层和最上层桨叶 力矩分别为2 7 3N ／m 、1 8 7N ／m 和1 0 3N ／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 的结果不尽相同心] ，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。 3 ．3 速度分析 图5 为搅拌6 0S 后的底层叶轮和对角线面上 的速度矢量图。 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年6 期 图4x O 处剖面压力图 F i g ．4 P r e s s u r ec h a r to fx20s e c t i o n 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，这就是底层桨叶的产生的抽吸效果，但除 了近桨区，其他区域内流体随着搅拌桨的旋转而转 动，出现了“打旋”现象，对搅拌混合不利，因此在实 际工程应用中，搅拌桨的插入深度在允许范围内应 近可能地靠近混合室入口，以加强混合效果。 图5 底层叶轮和对角剖面上的速度矢量图 F i g ．5V e l o c i t yv e c t o ro fb o t t o mi m p e l l e ra n dd i a g o n a ls e c t i o n 4结论 数值分析[ J ] ．工业装备，2 0 0 8 ，3 1 3 1 7 4 1 7 8 ． 三层搅拌桨在混合槽的转动使流体形成了循环 E 3 3 苗一，潘家祯，牛国瑞多层桨搅拌槽内的宏观混合特性 流动，桨叶区速度及湍流强度较大；搅拌桨各层叶轮 F J ] 华东理工大学学报，2 0 0 6 ，3 2 3 3 5 7 - 3 6 0 ． 紫塑篓皇圭要下雯渐递增，上层、 苎 芋矍鲁竺卧1 篙嚣茹裟嚣籼研究驰化 为底层叶轮转矩的2 ／3 和1 1 3 。研究结果为搅拌桨 [ 5 ] 嘉未龙，崔i 义．机械搅拌混合池三维流场的数值模拟 的设计选择提供了参考依据。 研究口] ．中国给水排水，2 0 1 0 ，2 6 9 6 5 6 7 ． 参考文献 [ 1 ] 唐谟堂，曹刿．湿法冶金设备[ M ] ．长沙中南大学出版 万方数据