基于ANSYS Workbench和FLUENT的超臨界二氧化碳萃取釜流場(chǎng)模擬及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)

郭建章，趙 鵬，王威強(qiáng)

（1青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

研究開(kāi)發(fā)

基于ANSYS Workbench和FLUENT的超臨界二氧化碳萃取釜流場(chǎng)模擬及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)

郭建章1，趙 鵬1，王威強(qiáng)2

（1青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

傳統(tǒng)超臨界萃取釜的不足主要表現(xiàn)在：萃取筐占據(jù)筒體容積，造成萃取釜空間利用率降低；萃取筐與筒體內(nèi)壁存在間隙，造成傳質(zhì)、傳熱效果不良。本文對(duì)萃取釜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，采用雙封頭結(jié)構(gòu)，封頭上設(shè)置篩網(wǎng)，采用徑向進(jìn)氣方式。利用ANSYS Workbench及FLUENT軟件，模擬了改進(jìn)結(jié)構(gòu)在空載和裝料兩種情況下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，對(duì)比分析了兩種情況下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。比較結(jié)果說(shuō)明，改進(jìn)后的萃取釜結(jié)構(gòu)不僅提高了萃取釜的空間利用率，而且改善了萃取釜的溫度場(chǎng)均勻性，萃取釜的流場(chǎng)均勻性也有提高。

ANSYS Workbench；FLUENT；萃取釜；流場(chǎng)模擬；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前，超臨界流體萃取技術(shù)在基礎(chǔ)理論研究、工藝試驗(yàn)、設(shè)備設(shè)計(jì)和工業(yè)化等方面均取得了較大的發(fā)展，廣泛地應(yīng)用于食品[1-3]、生物醫(yī)藥[4-5]、石油化工[6-7]等諸領(lǐng)域。二氧化碳因其特殊性質(zhì)使超臨界二氧化碳萃取成為獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的最有效方法之一，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注和研究[8]。

1 傳統(tǒng)萃取釜

萃取釜是超臨界二氧化碳萃取的主要設(shè)備，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)萃取釜一般為空心帶萃取筐容器（圖1）[9]。

萃取筐為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為金屬過(guò)濾網(wǎng)，起到隔離物料的作用，萃取筐外層為帶孔眼圓筒，起到剛性支持的作用。這種結(jié)構(gòu)能夠防止物料堵塞管路，又能方便裝卸物料，但顯然存在以下不足。

（1）萃取筐的使用減少了裝料量，降低了萃取釜空間利用率。以本文介紹的萃取釜（內(nèi)徑58 mm，釜體內(nèi)部高度 380 mm）為例，萃取筐尺寸為內(nèi)徑50mm，高度為340 mm，體積比為66.5%，即萃取筐的使用使得萃取釜的利用率降低了33.5%。

（2）萃取筐與萃取釜內(nèi)壁存在間隙，若密封不良，極其容易發(fā)生壁流現(xiàn)象，使得流場(chǎng)分布均勻性變差，影響萃取效果。同時(shí)，萃取筐的存在使得物料與設(shè)在萃取器釜體的夾套間的換熱效率降低，溫度場(chǎng)分布不均。

（3）由于萃取筐密封的存在，使得萃取筐不易裝卸，特別是密封圈發(fā)生溶脹后，萃取筐較難卸載。

圖1 傳統(tǒng)萃取筐結(jié)構(gòu)示意圖

2 萃取釜結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于上述問(wèn)題，本文作者對(duì)萃取釜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)（圖2、圖3）：在釜體頂端和底端設(shè)置同樣的快開(kāi)裝置，在兩端封頭上設(shè)置篩網(wǎng)，改軸向進(jìn)氣為徑向進(jìn)氣，并在封頭上設(shè)置流體通道。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）封頭篩網(wǎng)的設(shè)置，不僅能有效防止物料被吹出或落入管道堵塞管路，而且使得萃取釜的空間能夠得到100%利用。

（2）物料直接裝入釜體，與釜體壁直接接觸，有利于換熱，使得溫度場(chǎng)分布均勻。

（3）釜體兩端設(shè)置快開(kāi)裝置，方便裝卸物料。裝載物料時(shí)，僅需安置好底端快開(kāi)裝置，由頂端加入物料即可。卸載物料時(shí)，僅需打開(kāi)底端快開(kāi)裝置，物料由釜體內(nèi)自然落下。

（4）徑向進(jìn)氣和流通通道的設(shè)置，能夠有效降低軸向進(jìn)氣造成的速度場(chǎng)不均勻。

（5）篩網(wǎng)的尺寸小，易于更換，可根據(jù)物料粒度不同更換不同目數(shù)的篩網(wǎng)。

圖2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)封堵3D圖

3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)模擬

ANSYS作為較為流行的有限元分析軟件，新推出的13.0版本中Workbench工作環(huán)境具有很強(qiáng)的幾何建模能力和網(wǎng)格劃分能力，并能夠與FLUENT等CFD軟件完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CAD到CFD的協(xié)同工作。本文作者基于ANSYS Workbench工作環(huán)境，采用 FLUENT對(duì)改進(jìn)萃取釜的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，從而為超臨界流體萃取釜的改進(jìn)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)建模

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖6 空載時(shí)流體速度云圖

圖7 空載時(shí)進(jìn)口處流體速度云圖

圖8 空載時(shí)流體溫度云圖

圖9 空載時(shí)進(jìn)口處流體溫度云圖

圖10 裝載時(shí)流體速度云圖

圖11 裝載時(shí)進(jìn)口處流體速度云圖

圖12 裝載時(shí)流體溫度云圖

圖13 裝載時(shí)進(jìn)口處流體溫度云圖

3.1 Workbench建模及網(wǎng)格劃分

在Workbench中，用Geometry組件完成流體域部分的建模（圖4），流域的基本尺寸如下：萃取釜內(nèi)徑58 mm，中間段圓柱體長(zhǎng)度380 mm；進(jìn)出口管內(nèi)徑4 mm，進(jìn)出口管軸向距離412 mm；環(huán)形流道外徑65 mm，內(nèi)徑60 mm，高度10 mm；兩端圓柱直徑 50 mm，高度 12 mm（包含濾網(wǎng)厚度 2 mm）。對(duì)于該結(jié)構(gòu)須采用3D建模，因設(shè)備裝配產(chǎn)生的縫隙都予以忽略。

利用Mesh組件完成入口、出口、壁面定義與網(wǎng)格劃分（圖5），采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，并在進(jìn)出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密，生成節(jié)點(diǎn)數(shù) 48318，單元數(shù)98508，最大偏斜率0.848在可接受范圍。

3.2 FLUENT模擬

3.2.1 空載模擬

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定入口類型為壓力入口，給定入口壓力30 MPa，入口溫度313 K，設(shè)定湍流強(qiáng)度5%和水力直徑4 mm；設(shè)定出口采用壓力出口，給定出口壓力0，出口溫度313 K，設(shè)定湍流強(qiáng)度5%和水力直徑4 mm；設(shè)定壁溫323 K；設(shè)定濾網(wǎng)處截面類型為 porous-jump。湍流黏性采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用 SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度解耦。

為便于顯示流體速度的變化情況，在改進(jìn)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置作參考面，垂直于x軸，截取入口管剖面x=0、出口管剖面x=412 mm，距離釜體圓柱部分起始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm分別截取4個(gè)參考面；垂直于y軸，截取剖面y=0。

模擬得到空載情況的流體速度云圖和溫度云圖見(jiàn)圖6～圖9。由圖6、圖7中看出，在進(jìn)口處受到流道結(jié)構(gòu)的影響，流體速度在進(jìn)出口處發(fā)生顯變化，流體速度迅速衰減。流體速度在釜體內(nèi)變化不大，速度較為穩(wěn)定。由圖8、圖9中看出，流體溫升較小，明顯存在溫度梯度。

3.2.2 裝載物料模擬

設(shè)定中間圓柱段流體類型為Porous-Zone，其它設(shè)置與空載模擬設(shè)置相同。

模擬得到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的流體速度云圖和溫度云圖見(jiàn)圖10～圖13。由圖10、圖11中看出，在進(jìn)口處受到流道結(jié)構(gòu)的影響，流體在進(jìn)出口處速度變化明顯。流體在釜體內(nèi)的速度變化不大，速度較為穩(wěn)定。由圖12、圖13中看出，進(jìn)口處溫度變化劇烈，特別是在過(guò)濾網(wǎng)處，明顯存在溫度梯度。流體進(jìn)入釜體后，溫度穩(wěn)定，無(wú)明顯溫度梯度。

4 兩種情況模擬結(jié)果參數(shù)對(duì)比分析

為便于顯示各參數(shù)的變化情況，在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置作參考線。在距離釜體圓柱部分開(kāi)始端0 mm、100 mm、200 mm、300 mm的4個(gè)參考面上，沿z軸各取1條參考線。觀察并比較兩種情況下4條參考線上的速度分布和溫度分布（圖14～圖21）。

4.1 流速對(duì)比

圖14 0 mm處流速分布

圖15 100 mm處流速分布

圖16 200 mm處流速分布

由圖14～圖17中可看出，空載情況下流體流速較裝載情況下的流體流速大，兩者總體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。在空載情況下，隨著攀升高度增加，流體度總體減小。速度峰值先由雙峰偏向左側(cè)，并由雙峰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏?，隨后峰值又逐漸向右側(cè)轉(zhuǎn)移，在偏移過(guò)程中單峰又逐漸分裂為雙峰，流體流動(dòng)中存在明顯波動(dòng)。在裝載情況下，速度峰值初始時(shí)為不太明顯的雙峰，隨后峰值逐漸減小，左峰首先衰退，右峰隨即減小，最后雙峰消失，流速趨于平穩(wěn)。相比而言，裝載情況下的流體流動(dòng)較為平穩(wěn)，波動(dòng)較小，流體速度總體趨于平穩(wěn)。

4.2 溫度對(duì)比

由圖18～圖21中看出，空載情況下流體溫度較裝載情況下的流體溫度有明顯差距。在空載情況下，流體與釜體間的換熱效果不良，流體溫度偏低，但除了近壁面處溫度存在梯度，溫度較為平穩(wěn)，其值穩(wěn)定在315～316 K。相比下，裝載情況下的流體換熱效果良好，流體溫度在100 mm處已經(jīng)完全達(dá)到設(shè)定的壁溫，溫度分布十分均勻。這也證實(shí)了，萃取筐與釜體間的不良接觸必然會(huì)造成萃取釜內(nèi)溫度分布不均勻。

圖17 300 mm處流速分布

圖18 0 mm處溫度分布

圖19 100 mm處溫度分布

圖20 200 mm處溫度分布

圖21 300 mm處溫度分布

5 結(jié) 論

基于ANSYS Workbench和FLUENT模擬軟件，通過(guò)利用 FLUENT對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)載空載和裝載兩種情況下萃取釜內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到操作工況下萃取釜內(nèi)任意點(diǎn)的流速細(xì)節(jié)信息，而這些是難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法得到的。這不僅有利于對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估，也對(duì)研究開(kāi)發(fā)新型超臨界設(shè)備有重要指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)比分析模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論：①改進(jìn)結(jié)構(gòu)較萃取筐結(jié)構(gòu)提高了萃取釜的空間利用率；②改進(jìn)結(jié)構(gòu)的換熱效果良好，溫度場(chǎng)分布均勻；③改進(jìn)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布較均勻。

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Flow field simulation of supercritical carbon dioxide extractor based on ANSYS W orkbench and FLUENT and its structure im provement

GUO Jianzhang1，ZHAO Peng1，WANG Weiqiang2
（1School of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061，Shandong，China；2School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061，Shandong，China）

The shortcom ings of the traditional supercritical carbon dioxide extractor are as follows: low space utilization ratio of the extractor ow ing to the extraction basket occupying the cylinder volume; bad mass transfer and heat transfer ow ing to the gap between extraction basket and cylinder wall. Aiming at the shortcomings, the extractor structure was improved. Double head structure and radial inlet way were adopted, and a filter screen was set up on the head. Based on ANSYS Workbench and FLUENT, the flow field and temperature field of the improved extractor was simulated at both load and zero load. The simulation results were compared in different situations. The results showed that the improved structure promoted the space utilization ratio and improved the uniform ity of flow field and temperature field.

ANSYS Workbench；FLUENT；extractor；flow field simulation；structure improvement

TQ 052.4

A

1000–6613（2012）09–1914–06

2012-03-15；修改稿日期：2012-04-06。

及聯(lián)系人：郭建章(1969—)，男，副教授。E-mail guojzqd@163.com。