離心萃取器轉(zhuǎn)筒入口半徑對(duì)筒內(nèi)流場(chǎng)的影響

范智，白志山，徐艷，楊曉勇

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237）

環(huán)隙式離心萃取器是一種高效的液-液萃取設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，集傳質(zhì)和分離于一體，有存留量小、停留時(shí)間短、適應(yīng)的流比范圍寬、達(dá)到傳質(zhì)平衡速度快、傳質(zhì)級(jí)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在化工、核能、石油、制藥等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-4]。

近年來(lái)，隨著環(huán)隙式離心萃取器在工程應(yīng)用越來(lái)越廣，許多學(xué)者對(duì)其展開了深入研究。Li等[5]用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法模擬了環(huán)隙式離心萃取器內(nèi)氣-液-液三相流動(dòng)，采用Euler-Euler的多相流模型研究了不同操作條件下氣-液-液三相的流動(dòng)模擬。Patra等[6]通過(guò)k-ε模型模擬了轉(zhuǎn)筒直徑為15～375mm環(huán)隙式離心萃取器轉(zhuǎn)速為20～175r/s時(shí)的單相流場(chǎng)，并與之前相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)筒內(nèi)流動(dòng)為強(qiáng)制湍流渦流，隨著轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加，能量耗散增加。Padial-Collins等[7]使用多相模擬方法模擬了環(huán)隙式離心萃取器液-液兩相分離的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)兩相的混合黏度比每一相的混合黏度對(duì)分離效果的影響要大。

本文采用PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，針對(duì)不同的轉(zhuǎn)筒入口半徑，對(duì)離心萃取器轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，分析其流場(chǎng)變化規(guī)律，為離心萃取器的進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與PIV測(cè)試系統(tǒng)

如圖1所示為離心萃取器轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)，底部中心位置設(shè)有入口，取距離底部11mm位置作為測(cè)試截面，具體模型參數(shù)見表1。

圖1 離心萃取器轉(zhuǎn)筒

表1 模型參數(shù)

圖2 不同入口半徑的轉(zhuǎn)筒模型

本文討論環(huán)隙式離心萃取器轉(zhuǎn)筒入口半徑對(duì)筒內(nèi)流場(chǎng)的影響，可變參數(shù)為轉(zhuǎn)筒入口半徑，圖2所示為入口半徑R′分別為7mm、10mm和13mm的3組轉(zhuǎn)筒模型。

PIV粒子圖像測(cè)速法，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種瞬態(tài)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)[8]。其基本原理[9]是在流場(chǎng)中投入適當(dāng)且跟隨性好的示蹤粒子，通過(guò)示蹤粒子的速度代表其所在流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)位置處流體的速度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括脈沖激光發(fā)生器、時(shí)間控制同步器、CCD相機(jī)、圖像采集分析系統(tǒng)等。圖3所示為實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

按實(shí)驗(yàn)流程圖連接實(shí)驗(yàn)裝置，將溶液進(jìn)入缸中至特定值，并將適量的示蹤粒子（聚二縮三丙二醇二丙烯酸酯）加入溶液中，攪拌均勻使粒子在溶液中呈懸浮狀態(tài)。啟動(dòng)環(huán)隙式離心萃取器開關(guān)，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至預(yù)定值。流場(chǎng)穩(wěn)定后，開啟計(jì)算機(jī)、PIV同步器、CCD相機(jī)、激光冷卻器、激光器。打開Insight5.0軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，得到圖像與拍攝流場(chǎng)的比例因子，使用PIV系統(tǒng)拍照。用Insight5.0對(duì)圖像進(jìn)行后處理，獲得流場(chǎng)內(nèi)矢量分布。調(diào)整拍攝位置和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，重?fù)以上操作。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 測(cè)試截面的速度分布

圖4所示在測(cè)試截面Z=11mm處相對(duì)地面的速度分布，轉(zhuǎn)筒入口半徑R′分別為7mm、10mm、13mm。由圖4可知，轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)的流線滿足Taylor-Proudman定理，流體從轉(zhuǎn)筒底部入口逆時(shí)針螺旋進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，在中心處流體轉(zhuǎn)速為零，在中心處規(guī)律性不明顯，隨著半徑逐漸增大，轉(zhuǎn)速也逐漸變大，形成強(qiáng)制渦，在轉(zhuǎn)筒壁處達(dá)到最大值。當(dāng)入口半徑為10mm時(shí)，其邊界處速度比入口半徑為7mm和13mm的速度相對(duì)更大。

圖5表示在測(cè)試截面處相對(duì)轉(zhuǎn)筒的速度分布?？梢钥吹?，轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)形成吸力，流體從轉(zhuǎn)筒中心處吸入形成一個(gè)渦，在離心力的作用下很快甩至每個(gè)分離腔內(nèi)，在每個(gè)分離腔內(nèi)形成渦流。從圖中流線可以看出，當(dāng)入口半徑為10mm時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)在每個(gè)分離腔內(nèi)都形成了渦流，同時(shí)在中間部位也形成了渦流；當(dāng)入口半徑為7mm時(shí)，每個(gè)分離腔內(nèi)未形成明顯渦流；當(dāng)入口半徑為13mm時(shí)，可能由于入口半徑太大，轉(zhuǎn)筒內(nèi)產(chǎn)生的渦流較為分散。

圖4 速度分布（相對(duì)地面）

圖5 速度分布（相對(duì)轉(zhuǎn)筒）

2.2 切向速度分布

圖6為轉(zhuǎn)筒在測(cè)試截面相對(duì)轉(zhuǎn)筒的切向速度云圖，圖7為轉(zhuǎn)筒在測(cè)試截面相對(duì)轉(zhuǎn)筒的切向速度沿半徑的分布。當(dāng)入口半徑為10mm時(shí)，其切向速度絕對(duì)值最大，分離效果最好；當(dāng)入口半徑為7mm時(shí)，切向速度整體相對(duì)較小，但與半徑為10mm相比，趨勢(shì)基本相同；當(dāng)入口半徑為13mm時(shí)，由圖6可以看出，出現(xiàn)了多個(gè)正負(fù)速度區(qū)域，渦流復(fù)雜，可能是由于入口半徑過(guò)大，流體被吸入轉(zhuǎn)筒時(shí)，不再存在規(guī)律。

2.3 徑向速度分布

圖6 切向速度云圖（相對(duì)轉(zhuǎn)筒）

圖7 切向速度沿半徑的分布（相對(duì)轉(zhuǎn)筒）

圖8 徑向速度云圖（相對(duì)轉(zhuǎn)筒）

圖9 徑向速度沿半徑的分布（相對(duì)轉(zhuǎn)筒）

圖8為轉(zhuǎn)筒在測(cè)試截面相對(duì)轉(zhuǎn)筒的徑向速度云圖，圖9為轉(zhuǎn)筒在測(cè)試截面相對(duì)轉(zhuǎn)筒的徑向速度沿半徑的分布。由兩圖可以看出，當(dāng)入口半徑為10mm時(shí)，徑向速度正負(fù)值都較大，說(shuō)明流體相對(duì)于轉(zhuǎn)筒有往邊壁移動(dòng)的趨勢(shì)；入口半徑為7mm時(shí)，徑向速度較小，無(wú)明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)半徑為13mm時(shí)，邊壁處幾乎沒有速度變化。

3 結(jié)論

（1）以地面為參考系時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)的流線滿足Taylor-Proudman定理，流體的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)筒半徑的增大而增大；以轉(zhuǎn)筒為參考系時(shí)，轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)形成吸力，流體從轉(zhuǎn)筒中心處吸入形成一個(gè)渦，在離心力的作用下很快甩至每個(gè)分離腔內(nèi)，在每個(gè)分離腔內(nèi)形成渦流。

（2）在測(cè)試截面處，當(dāng)入口半徑為10mm時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)的切向速度的絕對(duì)值比入口半徑為7mm和13mm的要大，液體更容易流向轉(zhuǎn)筒邊壁，分離效果更好。

（3）入口半徑為10mm的轉(zhuǎn)筒模型與入口半徑為7mm和13mm相比，其徑向速度相對(duì)于轉(zhuǎn)筒為正值時(shí)，基本處于最大值，其吸入效率最高，液體進(jìn)入轉(zhuǎn)筒入口后能快速被甩至邊壁處，更有利于分離。

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