超聲耦合下的動(dòng)態(tài)過濾流場(chǎng)行為研究

王曉靜，王 璠，張 婷

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072）

在提純物料的過程中，首先要對(duì)物料進(jìn)行洗滌。在該過程中，通過攪拌增大固液接觸面積，可以提高洗滌效率。攪拌設(shè)備在化工、冶金、石油等多個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。尤其是在化工工業(yè)中，工藝過程中的物理傳質(zhì)、化學(xué)變化等都是以反應(yīng)物質(zhì)充分混合為前提的[1]。完成洗滌后要對(duì)物料進(jìn)行過濾，本過程采用動(dòng)態(tài)過濾的方法，既避免了傳統(tǒng)的濾餅過濾中處理難過濾物料濾餅堆積太厚的外干內(nèi)濕的“夾心”現(xiàn)象，又降低了濾餅層阻力，可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)連續(xù)的高速度過濾、洗滌。自20世紀(jì)50～60年代開發(fā)的錐籃離心機(jī)和振動(dòng)離心機(jī)[2-3]，到后來逐步發(fā)展成了歐洲型的旋葉壓濾機(jī)[4]，進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，充分顯示了旋葉壓濾機(jī)在動(dòng)態(tài)過濾中的應(yīng)用價(jià)值[5]。直至20世紀(jì)90年代，Yamaznki等對(duì)動(dòng)態(tài)過濾過程在層流和湍流狀態(tài)下分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，深化了其理論依據(jù)[6]。在動(dòng)態(tài)過濾的同時(shí)，對(duì)物料進(jìn)行超聲強(qiáng)化分離，國內(nèi)外對(duì)超聲在化工過程中的應(yīng)用做出了大量的研究，例如用聚砜超濾膜過濾蛋白胨，結(jié)果表明超聲能夠強(qiáng)化過濾過程[7]。

本研究綜合以上洗滌、動(dòng)態(tài)過濾和超聲耦合過程，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款多功能釜，同時(shí)具備混合萃取、再化漿洗滌和過濾分離3種操作功能，提高了傳質(zhì)和分離效果。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，CFD已可以完成過濾分離設(shè)備中復(fù)雜的流場(chǎng)分析[8]。利用Fluent軟件，通過設(shè)置反應(yīng)流體流動(dòng)過程中的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析出所需流場(chǎng)特征值，選擇適宜過濾的最佳操作條件，為工業(yè)生產(chǎn)提供重要依據(jù)。

1 多功能釜設(shè)備設(shè)計(jì)

多功能釜是全密閉條件下、超聲耦合的綜合動(dòng)態(tài)洗滌過濾設(shè)備。該設(shè)備是在有定向超聲波強(qiáng)化條件下，實(shí)現(xiàn)固液非均相的混合萃取-再化漿洗滌-過濾分離三個(gè)單元操作的設(shè)備。該多功能設(shè)備可以通過多次的自循環(huán)過程簡化工藝流程，進(jìn)而提高物料的提純效率。

因?yàn)樵撨^程中涉及到固液兩相的動(dòng)態(tài)過濾，設(shè)備設(shè)計(jì)參照動(dòng)態(tài)旋葉過濾機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)該設(shè)備的工藝要求，如圖1所示。首先，將固液兩相進(jìn)料，加入洗滌試劑后通過攪拌離心混合，加超聲加強(qiáng)混合過程。排液后反復(fù)加入洗滌試劑，再化漿，加超聲防止過濾介質(zhì)堵塞，反復(fù)洗滌后加壓過濾出料。

圖1 攪拌洗滌過濾釜設(shè)備工藝要求Fig.1 Technology requirements ofmixing washing filter reactor

該設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)包括：加壓濾室、攪拌裝置與軸封、定向超聲強(qiáng)化濾板、封閉加料卸料裝置等主要結(jié)構(gòu)。加壓濾室上部封頭安裝加料口、視鏡，底部是裝有超聲發(fā)生器列陣組的濾板，濾板上是精密過濾介質(zhì)組件，各部件之間的密封采用 O型氟橡膠圈。待物料反應(yīng)結(jié)束后，打開濾液出口，可選擇在濾液出口處抽真空或在設(shè)備頂部加壓的方法對(duì)物料進(jìn)行過濾并收集濾液。在筒體一側(cè)水平切向開孔接管，通過出料機(jī)構(gòu)完成濾渣排放。由實(shí)心軸帶動(dòng)攪拌槳完成混合反應(yīng)過程中均勻攪拌，同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)便利排出濾渣，設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 攪拌洗滌過濾釜實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Laboratory equipment chart of mixing washing filter kettle

2 超聲攪拌混合過程流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬分析

要研究流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬過程，首先進(jìn)行計(jì)算模型的選型，之后進(jìn)行Gambit建模，網(wǎng)格劃分以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。采用非穩(wěn)態(tài)時(shí)間步長迭代求解，可以得到不同時(shí)間步下的壓力分布，最終轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)迭代，分析超聲場(chǎng)的引入后不同參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響。

待分離溶液中富勒烯的固含量為9%，在常壓、70℃、轉(zhuǎn)速250 r/min的條件下進(jìn)行操作研究。分別改變超聲場(chǎng)的加入、溶液的黏度、超聲場(chǎng)的頻率和攪拌槳轉(zhuǎn)速，綜合分析超聲攪拌混合過程的最適宜操作條件。

在超聲場(chǎng)的作用過程中，超聲探頭壓力的變化呈現(xiàn)出正弦函數(shù)的趨勢(shì)，根據(jù)Fluent內(nèi)UDF模塊編譯相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式為 y=P sin（2πft），其中參數(shù)P=8 ×104Pa，f=20 kHz，t為運(yùn)行時(shí)間。

分離釜的示意結(jié)構(gòu)如圖3所示，釜內(nèi)徑 D=450 mm，筒體高度HL=400 mm，筒體的名義厚度取δn=6 mm。選定釜底面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，底面為x、y軸方向，垂直底面指向攪拌軸的方向?yàn)閦軸正方向。

圖3 旋轉(zhuǎn)葉輪攪拌槽Fig.3 Rotating impeller stirred tank

2.1 超聲場(chǎng)的加入對(duì)混合過程的影響

在常壓、70℃、轉(zhuǎn)速250 r/min的操作條件下，比較乙醚溶液（富勒烯固體顆粒含量為9%）不加超聲場(chǎng)（P=0）與附加超聲場(chǎng)[P=UDF（t），f=20 kHz]時(shí)對(duì)流體湍流強(qiáng)度的影響。結(jié)果見圖4。

圖 4 a）P=0和 b）P=UDF（t）時(shí)乙醚溶液湍流強(qiáng)度云圖Fig.4 Turbu lence intensity cloud map of ether solution[a）P=0 and b） P=UDF（t）]

由圖4a）和圖4b）比較可知，由于超聲場(chǎng)作用導(dǎo)致湍流脈動(dòng)速度有一定增大，因此對(duì)其湍流強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用，但對(duì)流體湍流場(chǎng)的分布幾乎沒有影響。

2.2 不同黏度的液體對(duì)混合過程的影響

常見液體的黏度范圍是0.200～1.500 cp，為了驗(yàn)證超聲場(chǎng)對(duì)于不同黏度液體混合過程的影響，將黏度0.233 cp的乙醚溶劑換做1.000 cp的純水。在保持常壓、70℃、轉(zhuǎn)速250 r/min的操作條件不變的情況下，比較水溶液（富勒烯固體顆粒含量為9%）不加超聲場(chǎng)（P=0）與附加超聲場(chǎng)[P=UDF（t），f=20 kHz]時(shí)對(duì)流體湍流場(chǎng)的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 a）P=0和 b）UDF（t）時(shí)水溶液湍流強(qiáng)度云圖Fig.5 The tu rbu lence intensity cloud map of solution[a）P=0 and b） P=UDF（t）]

由圖5a）和圖5b）比較可知，超聲場(chǎng)對(duì)水溶液的湍流場(chǎng)影響較大，不僅使湍流強(qiáng)度大幅度降低，在湍流場(chǎng)分布上也有較大改變。在未加超聲場(chǎng)（P=0）時(shí)水溶液湍流強(qiáng)度云圖中可知，由于直葉攪拌槳在轉(zhuǎn)動(dòng)中引起徑向流，且槳直徑較大，離筒內(nèi)壁較近，液體在撞擊內(nèi)壁后產(chǎn)生一定的循環(huán)流，故而產(chǎn)生了一定的湍流漩渦，導(dǎo)致湍流強(qiáng)度較大。超聲場(chǎng)P=UDF（t）的引入，增強(qiáng)了液相分子的脈動(dòng)速度，減小了漩渦作用。因此，湍流強(qiáng)度減小。

綜合比較圖4和圖5可知，超聲場(chǎng)對(duì)于水溶液湍流場(chǎng)影響比乙醚溶液大很多。進(jìn)而說明，液體黏度越大，超聲場(chǎng)的加入對(duì)于湍流場(chǎng)的影響也越大。

2.3 不同的超聲頻率對(duì)混合過程的影響

用乙醚溶液（富勒烯固含量為9%）進(jìn)行操作研究，保持常壓、70℃、轉(zhuǎn)速250 r/min的操作條件不變，對(duì)超聲探頭頻率進(jìn)行設(shè)置，高頻率f=20 kHz與低頻率f=200 Hz的正弦波對(duì)湍流影響如圖6a）和圖6b）所示。

由圖6中湍流強(qiáng)度比較可知：頻率越高液相分子振動(dòng)越迅速，平均動(dòng)能則越高，湍流強(qiáng)度也更大。然而，對(duì)于低頻率正弦波在高黏度液相中衰減比高頻率正弦波的衰減速度更快，因此，湍流強(qiáng)度分布更均勻。

圖6 a）f=20和 b）200 kHz時(shí)乙醚溶液湍流強(qiáng)度云圖Fig.6 Turbu lence intensity cloud map of ether solution[a） f=20 and b） f=200 kHz]

圖7 a）n=250和b）100 r/min乙醚溶液湍流強(qiáng)度云圖Fig.7 Turbulence intensity cloud map of ether solution[a） n=250 and b） n=100 r/min]

2.4 不同的攪拌槳轉(zhuǎn)速對(duì)混合過程的影響

用乙醚溶液（富勒烯固含量為9%）進(jìn)行操作研究，保持常壓、70 ℃、附加超聲場(chǎng)[P=UDF（t），f=20 kHz]的操作條件不變，改變攪拌槳的轉(zhuǎn)速，當(dāng) n=250 r/min與 n=100 r/min時(shí)對(duì)湍流影響如圖7a）和圖 7b）所示。

根據(jù)湍流強(qiáng)度定義為脈動(dòng)速度與平均速度的比值，隨著轉(zhuǎn)速的增大，平均速度增大，湍流強(qiáng)度減小。而轉(zhuǎn)速較低時(shí)產(chǎn)生的漩渦范圍較小，湍流分布更加均勻。

2.5 不同操作條件下固相顆粒分布

不同的操作條件對(duì)物料湍流強(qiáng)度影響各不相同，對(duì)于本研究超聲攪拌洗滌過程中，要滿足足夠的湍流度來增大固體顆粒與液相的接觸面積、增強(qiáng)傳質(zhì)效果。同時(shí)，還要保證固體顆粒分布盡量均勻。

用乙醚溶液（富勒烯固含量為9%）進(jìn)行操作研究，通過比較圖 8a）[常壓、70 ℃、轉(zhuǎn)速 250 r/min、不加超聲場(chǎng)（P=0）]、圖 8b）（常壓、70 ℃、轉(zhuǎn)速 250 r/min、附加頻率 f=20 kHz超聲場(chǎng)）、圖 8c）（常壓、70℃、轉(zhuǎn)速 250 r/min、附加頻率 f=200 Hz超聲場(chǎng)）、圖8d）為常壓、70℃、附加超聲場(chǎng)[P=UDF（t），f=20 kHz]、轉(zhuǎn)速 100 r/min，對(duì)以上 4 種操作條件下固相顆粒分布場(chǎng)進(jìn)行分析。

通過比較可知，在固含量恒定的情況下，超聲場(chǎng)的引入對(duì)固體顆粒在液相中的分布有較大的影響。高頻率較之低頻率會(huì)使固相分布更加不均勻。攪拌槳轉(zhuǎn)速較低時(shí)固相分布更加均勻。因此，為了增加湍流強(qiáng)度，還是要引入超聲場(chǎng)作用。但是，選擇低頻率超聲場(chǎng)、低轉(zhuǎn)速可以使固相分布更加均勻。

3 動(dòng)態(tài)過濾過程流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬分析

3.1 內(nèi)部流場(chǎng)分析

內(nèi)部流場(chǎng)主要分析攪拌槳與過濾介質(zhì)表面之間流域，考慮攪拌槳作用對(duì)流體速度場(chǎng)的影響。因此，參考上節(jié)攪拌混合洗滌過程的設(shè)備建模與模擬結(jié)果，對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分析。

如圖9顯示了動(dòng)態(tài)過濾系統(tǒng)軸向速度矢量剖面圖，圖中的箭頭方向代表了流體流動(dòng)方向。

由圖10局部矢量放大圖可知：由于攪拌槳旋轉(zhuǎn)作用，攪拌槳表面附近流體也被賦予一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度，引起循環(huán)流，在一定程度上有利于降低顆粒在過濾表面的沉積，從而減少濾餅形成，對(duì)過濾介質(zhì)的污染起到一定的保護(hù)作用。

3.2 流體旋轉(zhuǎn)速度分析

圖 8 a）P=0、b）P=UDF（t）、c）f=200 H z及 d）n=100 r/min時(shí)固含量云圖Fig.8 a） P=0’ b） P=UDF（t）’ c） f=200 Hz and d） n=100 r/min cloud image of solid conten t

圖9 系統(tǒng)軸向速度矢量圖Fig.9 The axial velocity vector of system

圖10 局部矢量放大圖Fig.10 Local vector enlargement

參照?qǐng)D3的坐標(biāo)系方向，在Fluent中設(shè)置z=3 mm和z=15 mm處的旋轉(zhuǎn)剖面，取其速度矢量圖可見裝置內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)十分顯著，如圖11a）和圖11b）所示。

圖11 a）z=3 mm和b）z=15 mm處旋轉(zhuǎn)剖面速度矢量圖Fig.11 The velocity vector of rotation profile[a） z=3 mmand b） z=15 mm]

由圖11a）速度圖可知，由于攪拌槳的作用，過濾介質(zhì)表面上還同時(shí)有向上翻轉(zhuǎn)的流體速度，如此攪動(dòng)會(huì)使固體顆粒有一個(gè)向上的升力。旋轉(zhuǎn)流可以有效沖刷過濾介質(zhì)表面，加之升力作用進(jìn)一步減少顆粒在介質(zhì)表面的堆積，提高了介質(zhì)滲透通量。

4 結(jié)論

根據(jù)物料提純工藝要求，完成了新型集反應(yīng)混合-再化漿洗滌-過濾的工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)體建模。

通過Fluent的相關(guān)過程模擬分析，物料黏度的增大會(huì)抑制流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)會(huì)增大超聲波在流體內(nèi)的傳播衰減；對(duì)于高黏度液體，較高的超聲頻率會(huì)使湍流強(qiáng)度和湍流黏度增強(qiáng)幅度更高，因此盡可能降低超聲探頭的頻率；轉(zhuǎn)速太高會(huì)強(qiáng)化渦流產(chǎn)生，湍流度增強(qiáng)不利于均勻混合。通過幾種條件下固相顆粒分布場(chǎng)的比較，可以初步得到結(jié)論：在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在可選范圍內(nèi)，盡量選取低轉(zhuǎn)速、低超聲頻率、低黏度物料，可以使混合更加均勻，洗滌更加充分。在動(dòng)態(tài)過濾階段，通過攪拌槳的旋轉(zhuǎn)驗(yàn)證了剪切流的存在，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)過濾的理論依據(jù)。

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