基于正交試驗(yàn)法的萃取槽澄清效率研究

龔姚騰， 李玉澤， 逄啟壽， 李希鵬

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

混合澄清槽(萃取槽)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、級(jí)效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、萃取效果好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在稀土萃取工業(yè)中[1]，過(guò)去對(duì)萃取槽的研究主要是改進(jìn)混合室的結(jié)構(gòu)尺寸[2-6]，對(duì)澄清室的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面所做的工作較少。陳帥對(duì)安裝擋板的澄清室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從液流形態(tài)方面解釋了擋板在澄清室內(nèi)發(fā)揮的作用[7]。呂超等對(duì)新型雙攪拌澄清萃取槽澄清室流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)高效分離萃取槽的應(yīng)用大大提高了澄清效率[8-11]。

本文是以贛州某企業(yè)的萃取槽為研究原型，在澄清室中加入攪拌槳，改變?cè)谐吻迨抑袃H靠重力作用進(jìn)行兩相分離的方式，使用ANSYS Fluent軟件對(duì)澄清室內(nèi)的澄清過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)觀察分散帶厚度變化，研究入口速度、攪拌轉(zhuǎn)速以及攪拌槳離底高度對(duì)澄清效率的影響，分析得出最佳入口速度以及對(duì)應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌槳離底高度，為企業(yè)解決在稀土萃取過(guò)程中遇到的澄清速率低等問(wèn)題的改善提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文選取贛州某企業(yè)的機(jī)械攪拌式200 L箱式混合澄清器為研究對(duì)象，對(duì)澄清室中的澄清過(guò)程進(jìn)行模擬分析。對(duì)現(xiàn)有模型合理地簡(jiǎn)化，澄清室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 分散帶測(cè)量

分散帶是指澄清室中兩相的混合區(qū)域。由于分散帶的不確定性和雜亂性，建立如圖2所示的截面，將澄清室內(nèi)區(qū)域劃分為三部分。使用ANSYS Fluent軟件模擬得出澄清室出口附近(圖2所示線L3處)的分散帶厚度。

圖2 觀測(cè)線示意圖

1.3 邊界條件

在澄清室內(nèi)不同位置建立不同的仿真區(qū)域，攪拌槳葉區(qū)域建立流體的動(dòng)區(qū)域，除攪拌槳葉區(qū)域外的其他區(qū)域建流體的靜區(qū)域，同時(shí)創(chuàng)建交界面，使用 ICEM劃分網(wǎng)格，增加動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量，以提高計(jì)算精度。攪拌槳選取六直葉渦輪槳，攪拌槳水平位置在距離擋板225 mm處。將介質(zhì)水設(shè)為連續(xù)相，將有機(jī)相P507設(shè)為離散相，其物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物料屬性

圖3 時(shí)間t為1 s、4 s、8 s、12 s、15 s時(shí)的兩相體積分布云圖

1.4 控制方程

本文選用的多相流模型為歐拉模型。其數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

f=F(x,y,z,t)=F(r,t)

(1)

在定常流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)模型中，雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)式(2)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 澄清過(guò)程模擬分析

以圖2所示的截面作為觀察分析面，模擬前15 s內(nèi)澄清室中的澄清效果，圖3所示為模擬得出的不同時(shí)刻的兩相體積分布云圖。

從圖3可以看出，隨著時(shí)間的變化，澄清室中混合區(qū)域逐漸減小，澄清室中兩相分離的情況越來(lái)越顯著。在1 s時(shí)，澄清區(qū)域主要在澄清室的底部和頂部，分散區(qū)域則剛剛形成，澄清效果差。在4 s時(shí)，澄清室中部區(qū)域分散帶厚度小于出口區(qū)域分散帶厚度，這是由于有機(jī)相與水相在重力和攪拌槳攪拌力的作用下進(jìn)行迅速分離，其中重力作用是主要影響因素，在出口附近由于液體與槽壁碰撞造成液體的回流，導(dǎo)致出口附近分散帶變厚。在8 s時(shí)，分散帶厚度進(jìn)一步減小，出口區(qū)域分散帶厚度增加，這是由于在攪拌槳的作用下，槽內(nèi)流體流速趨于穩(wěn)定，回流逐漸減弱。在12 s時(shí)，出口區(qū)域分散帶厚度不變，此時(shí)低速攪拌破碎作用明顯，進(jìn)入澄清室的混合相在攪拌槳和重力作用下迅速上下分離，形成大顆粒單相液體。在12～15 s內(nèi)，澄清室中的分散帶厚度基本達(dá)到穩(wěn)定，混合相分散均勻。綜上所述，分散帶厚度可以有效反映澄清效果。

2.2 多因素對(duì)澄清效率影響的模擬分析

入口速度對(duì)澄清室內(nèi)澄清過(guò)程有顯著影響。入口速度較大時(shí)，澄清室內(nèi)的湍流較大，不利于澄清室內(nèi)兩相的分離；入口速度小時(shí)，澄清室內(nèi)混合相流速低，兩相分離時(shí)間較長(zhǎng)，澄清效率低。在澄清室中加入攪拌槳對(duì)兩相的分離有一定的作用。但攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)會(huì)使已經(jīng)分離的兩相再次混合生成混合相，增大了兩相分離的難度并造成澄清室內(nèi)出口區(qū)域裹帶雜質(zhì)。攪拌產(chǎn)生的離心力會(huì)加劇水相和有機(jī)相的穿插運(yùn)動(dòng)，影響澄清室的澄清速率，因此攪拌槳離底高度過(guò)大和過(guò)小時(shí)都對(duì)澄清室內(nèi)澄清效果有一定的影響。本文選用三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)確定何種條件下達(dá)到最佳澄清速率。各因素對(duì)澄清速率影響水平表如表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示。

表2 多因素對(duì)澄清速率影響試驗(yàn)因素水平表

在混合時(shí)間為15 s時(shí)不同入口速度、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌槳離底高度下澄清室內(nèi)分散帶厚度變化云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，入口速度為0.05 m/s 時(shí)分散帶厚度基本相同，因?yàn)槿肟谒俣刃r(shí)混合相流速低，從而澄清時(shí)間較長(zhǎng)。此時(shí)攪拌槳轉(zhuǎn)速越大，攪拌槳周?chē)旌舷嘣龆?，不利于兩相的分離。入口速度較小時(shí)，攪拌槳離底高度對(duì)澄清過(guò)程影響不大。所以，入口速度為0.05 m/s時(shí)攪拌槳轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)減小，此時(shí)澄清速率較快，澄清效果較好。隨著入口速度的增加，混合相入口處的液體更加混濁，攪拌轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，分散帶厚度較大，因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速不能提供混合相液滴破碎所需要的能量，轉(zhuǎn)速達(dá)到25 r/min時(shí)，分散帶厚度最小，入口區(qū)域兩相混合液體也最少。隨著攪拌轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到40 r/min時(shí)，攪拌槳周?chē)鷥上嗷旌弦后w變多，不利于澄清室內(nèi)的分離。入口速度增大到0.2 m/s時(shí)，分散帶的厚度變大，入口區(qū)域兩相混合液增多，澄清速率很低，澄清效果不好。轉(zhuǎn)速為25 r/min時(shí)，在重力與攪拌力的共同作用下，攪拌槳葉附近能破碎混合相大液滴，從而形成單相小液滴，兩相分離速度較快。轉(zhuǎn)速過(guò)高達(dá)到40 r/min時(shí)，反而會(huì)導(dǎo)致單相液滴破碎過(guò)小，期間還伴隨著“二次混合”現(xiàn)象，從而降低澄清速率，因此入口速度0.2 m/s時(shí)，澄清效果不好，攪拌轉(zhuǎn)速為40 r/min，攪拌槳離底高度350 mm時(shí)，澄清速率最低，澄清效果最差。綜上所述，當(dāng)入口流速為0.1 m/s，攪拌槳的轉(zhuǎn)速為25 r/min，攪拌槳離底高度為400 mm時(shí)，澄清速率最快，澄清效果最好。

表3 試驗(yàn)方案表

圖4 不同條件下分散帶變化云圖(每個(gè)圖下的數(shù)字代表試驗(yàn)號(hào))

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

圖5 最佳條件下分散帶變化圖

按照工業(yè)生產(chǎn)流程將水相與有機(jī)相按體積比1∶1流入混合室，經(jīng)充分混合后通過(guò)混合相入口進(jìn)入澄清室，分離得到的兩相分別通過(guò)輕相出口和重相出口流出，嚴(yán)格按各號(hào)試驗(yàn)的條件進(jìn)行試驗(yàn)，并認(rèn)真測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果和記錄下所得數(shù)據(jù)及有關(guān)情況，除入口速度、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌槳離底高度外的其他試驗(yàn)條件相同。待澄清過(guò)程穩(wěn)定之后利用高清攝像機(jī)對(duì)澄清室進(jìn)行定位拍攝，記錄不同試驗(yàn)條件下澄清室內(nèi)分散帶厚度。在入口速度為0.1 m/s、攪拌轉(zhuǎn)速為25 r/min、攪拌槳離底高度為400 mm時(shí)的ANSYS Fluent仿真所得到的理論值與試驗(yàn)值如圖5所示。雖然試驗(yàn)過(guò)程中分散帶厚度比仿真得到的分散帶厚度更大，但15 s時(shí)分散帶厚度的值與理論值接近，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1)澄清過(guò)程中，分散帶厚度逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定，減小速度先較快，后較慢，分散帶厚度的變化可以反映澄清效果，分散帶厚度越小，澄清效果越好。

(2)入口速度為0.1 m/s，攪拌轉(zhuǎn)速為25 r/min，攪拌槳離底高度400 mm時(shí)，澄清效率最高，澄清效果最好。

(3)在一定速度范圍內(nèi)，入口速度越快，澄清效率越高；隨著入口速度增大，攪拌速度應(yīng)該減小。