稀土萃取攪拌槽不同擋板的三維流場數(shù)值模擬

逄啟壽， 王 亮， 王海輝

(江西理工大學, 江西 贛州 341000)

稀土萃取攪拌槽不同擋板的三維流場數(shù)值模擬

逄啟壽， 王 亮， 王海輝

(江西理工大學, 江西 贛州 341000)

采用計算流體動力學(CFD)的方法，分別對稀土萃取中豎式擋板和三角形擋板的攪拌槽內三維流場進行數(shù)值模擬。選用多重參考系法和標準k-epsilon雙方程模型進行模擬，對兩種擋板的速度分布云圖、速度矢量圖和湍流動能云圖進行對比分析，為攪拌槽的結構設計與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

擋板； 攪拌槽； 結構優(yōu)化； 數(shù)值模擬

混合澄清槽已經(jīng)廣泛應用于稀土萃取分離生產(chǎn)過程中，攪拌槽的混合效果是影響萃取效率和產(chǎn)品質量的關鍵，而攪拌槽的混合效果在一定程度上跟攪拌槽結構設計及內部流體流動情況有關，所以攪拌槽的結構優(yōu)化設計研究對改善攪拌槽內流體混合效果有重要意義。鄧華軍[1]對稀土攪拌槽內三維流場與混合過程進行數(shù)值模擬。侯拴弟[2]對軸流槳攪拌槽三維流場進行數(shù)值模擬。張偉山[3]對機械攪拌槽混合過程進行數(shù)值模擬。張翠勛等[4]對半圓管擋板攪拌槽內的湍流流場進行分析。楊鋒苓等[5]對非標準擋板攪拌槽內湍流流場進行數(shù)值模擬。擋板的加入可以有效消除攪拌槽內形成的渦流，將回轉的切向流動改為徑向和軸向流，增加了流體剪切強度，改善了攪拌效果[6]。不同擋板的攪拌槽性能和用途各不一樣，常用的有指形擋板和豎式擋板，三角形擋板等。隨著計算流體力學(CFD)理論和計算機技術的發(fā)展，CFD仿真成為研究流場變化的有效方法[7]。

1 攪拌槽的幾何模型

本文以稀土萃取工業(yè)中的水平箱式混合澄清槽為研究對象，攪拌槽的原模型來自贛州有色冶金研究所。具體尺寸為：800 mm×800 mm×900 mm，容積為550L，有效液面高度為790 mm。攪拌槳為雙層葉輪結構，上層為平直葉漿，底層為渦輪漿。攪拌軸直徑為50 mm，兩層槳跨距為180 mm，底部槳葉距離攪拌槽底面高度為30 mm，轉速為400 r/min。豎式擋板高800 mm，寬度為70 mm，厚度為40 mm。三角形擋板邊長為80 mm，內角為60°。不同擋板的攪拌槽模型如圖1所示。

2 兩相流混合液的物理特性

在稀土萃取過程中以水相和有機相的混合液作為工作介質，有機相選用萃取劑P507，兩種介質相關參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結果與分析

3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設置

運用三維建模軟件Solidworks建立攪拌槽的幾何模型，采用無縫對接技術將模型導入Fluent軟件的前處理軟件Gambit中，采用非結構化網(wǎng)格技術對模型進行網(wǎng)格劃分，將整個流體計算區(qū)域分為攪拌槳附近旋轉動區(qū)域和槳外靜區(qū)域，并對動區(qū)域進行網(wǎng)格加密，增加計算精度，更好地分析攪拌槳附近的流場情況。槳葉旋轉動區(qū)域網(wǎng)格間距為5 mm，槳外靜止區(qū)域為12 mm。豎式擋板攪拌槽模型網(wǎng)格單元總數(shù)為2 416 467，三角形擋板攪拌槽模型網(wǎng)格單元總數(shù)為2 587 842。

本文采用多重參考系法(MRF)解決轉動的槳葉與槽壁之間的相互作用問題。槳葉及附近的旋轉流體區(qū)域設置為Moving Reference Frame，并設置旋轉速度為400 r/min，混合室其它區(qū)域為靜止區(qū)域設置為Stationary。箱體的四周包括擋板和底面為WALL，攪拌槳葉以及攪拌軸在靜區(qū)域的部分為WALL，動區(qū)域與靜區(qū)域的交界面合并為INTERFACE，以保證內外區(qū)域的速度和壓力耦合，有效液面為SYMMETRY,底端進料口設置為VELOCITY-INLET。

表1 水相和有機相的物性參數(shù)

3.2 計算結果及分析

3.2.1 速度場分析

圖2 不同檔板攪拌槽軸向速度矢量圖

利用Fluent軟件提供的圖形工具可以很方便得到流場情況。圖2是豎式擋板和三角形擋板在x=0時攪拌槽內軸向速度矢量圖。圖3是豎式擋板和三角形擋板在x=0時攪拌槽內軸向速度云圖。綜合豎式擋板和三角形擋板的速度矢量圖及速度云圖可以發(fā)現(xiàn)雙層攪拌槳在攪拌槽中旋轉對流體形成對稱的上下回流，促進混合效果，在槳葉端處速度明顯較周圍大，以攪拌軸為中心，同一槳葉兩端的速度場近似對稱，這是由攪拌槳的對稱性和轉速的恒定性引起的。同時發(fā)現(xiàn)三角形擋板的攪拌槽內攪拌槳葉周圍的速度大于豎式擋板，并且在橫向的范圍也更寬，這樣更有利于攪拌槽內兩相液體混合。

為了更加直觀地觀察豎式擋板和三角形檔板攪拌槽內的速度分布情況，圖4是x=0 mm，y=30 mm處的速度分布圖，其中縱坐標是速度大小，橫坐標是攪拌槳橫向分布位置，零點為攪拌槳的軸中心。

圖3 不同擋板攪拌槽軸向速度云圖

圖4 不同檔板的攪拌槽內速度分布圖

通過圖4可以看出兩種擋板的攪拌槽都是攪拌槳邊緣處速度最大，向攪拌槳中心減小，同時槳葉兩端速度相似對稱。隨著徑向位置的增加，流體的速度越來越小，但是可以很明顯看出當距離攪拌軸中心大于200 mm以后，三角形擋板靠近槽壁處的速度明顯比豎式擋板大，這與之前通過兩種擋板攪拌槽內速度場的分析情況相同，同時也可看出三角形擋板的攪拌槽軸中心的速度明顯比豎式擋板大。

3.2.2 湍流動能分析

圖5 不同檔板的湍流動能云圖

湍流動能是表示流體速度的脈動強度，是衡量攪拌混合槽性能的重要指標，它受流體速度和湍流強度的影響，流體速度越大，湍流動能越大，攪拌混合效果也就越好。圖5是不同檔板的攪拌槽內在x=0平面上的湍流動能分布云圖。從圖中可以看出湍流動能主要分布在槳葉周圍及附近的攪拌區(qū)域，這是由于攪拌區(qū)域的流體在槳葉轉動時受到很強的剪切力而產(chǎn)生較大的湍流動能，對比兩種擋板的攪拌槽發(fā)現(xiàn)豎式擋板靠近槽壁處的湍流動能較三角形擋板攪拌槽小，不利于流體的整體混合，同時豎式攪拌槽攪拌槳附近區(qū)域的湍流動能比三角形小，而且范圍也更窄。

為了更加直觀地顯示出三角形擋板攪拌槽和豎式擋板攪拌槽內湍流動能變化情況，圖6是不同擋板攪拌槽內同一橫截面上的攪拌槳葉端到槽壁的湍流動能分布曲線圖，兩種攪拌槽內湍流動能變化情況整體相似，都是在攪拌槳葉端附近的湍流動能最大，向著槽壁減弱。但是距離槽壁0.2 m以后明顯發(fā)現(xiàn)三角形擋板攪拌槽的湍流動能大于豎式擋板，同時靠近槽壁處的湍流動能相比豎式擋板也更大。從結構上分析可以說明三角形擋板更有利于槽壁附近的兩相混合。

圖6 不同檔板的湍流動能分布曲線圖

4 結論

本文利用CFD技術優(yōu)化稀土萃取攪拌槽的槽體結構，對三角形擋板和豎式擋板的攪拌槽內兩相混合過程進行數(shù)值模擬，通過分析對比攪拌槽內速度場和湍流動能，得到如下結論：

(1)通過速度場分析可知，由于三角形擋板壁面與槽壁成一定的傾角，有利于加強攪拌槽內流體對流擴散以及軸向液體的對流運動，而豎式擋板與槽壁成90度放置，減緩了徑向速度和軸向速度，減少了流體在攪拌槽中上下對流擴散。同時三角形擋板的攪拌槽靠近槽壁的流體速度明顯大于豎式擋板攪拌槽。

(2)通過湍流流動能分析可知，雖然兩種擋板都能有效增強槽壁附近的湍動能，較無擋板攪拌槽四個流動死角對混合有很大促進作用，但是豎式擋板攪拌槽內靠近槽壁處的湍流動能比三角形擋板攪拌槽小，所以三角形擋板攪拌槽更能使攪拌區(qū)域的流動很好地連接起來，并且具有更寬的流動區(qū)間，更有利于流體的整體流動混合。

利用該方法可以優(yōu)化稀土萃取攪拌槽，輔助確定最佳的槽體擋板，設計攪拌設備的最佳槽體結構，降低企業(yè)能耗，而且投入成本低、周期短。

[1] 鄧華軍. 稀土萃取槽內三維流場與混合過程的數(shù)值模擬及應用[D]. 江西理工大學, 2013.

[2] 侯拴弟, 張政, 王英琛等. 軸流槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬[J]. 化工學報, 2000, 51(1):70-76.

[3] 張偉山. 機械攪拌槽混合過程的數(shù)值研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學, 2009.

[4] 張翠勛, 楊鋒苓, 連繼詠. 半圓管擋板攪拌槽內的湍流流場[J]. 山東大學學報:工學版, 2015, 45(1):76-81.

[5] 楊鋒苓, 周慎杰, 王貴超等. 非標準擋板攪拌槽內湍流流場的數(shù)值模擬[J]. 高?；瘜W工程學報, 2012(6):952-958.

[6] 陳志平, 章序文, 林興華. 攪拌與混合設備設計選用手冊[M]. 化學工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心, 2004.

[7] 郭素娜, 孫立軍, 方艷等. 導流件和葉輪強作用渦輪流量計的CFD仿真方法[J]. 化工自動化及儀表, 2013, 40(10):1276-1280.

Numericalsimulationof3Dflowfieldwithdifferentbafflesinrareearthextractionagitationtank

PANG Qi-shou, WANG Liang, WANG Hai-hui

The numerical simulation of 3D flow field is carried out by using computational fluid dynamics (CFD) on vertical baffle and triangle baffle in rare earth extraction agitation tank. The multiple reference frame method and the standardk-epsilon double equation are used to simulate for the model. The velocity distribution diagram, velocity vector diagram and turbulent kinetic energy of the two baffles are compared and analyzed, which provides theoretical basis for structural design and optimization of agitation tank.

baffle; agitation tank; structure optimization; numerical simulation

TF804.2

B

1672-6103(2017)05-0037-04

逄啟壽(1963—),男, 山東濰坊人, 教授, 主要從事稀土濕法冶金設備應用研究。

2017-01-16