不同結(jié)構(gòu)稀土萃取槽傳輸性能對比研究

阮 飛，武茹明，楊文成，付曉晨，包金小，徐鵬飛

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081)

稀土萃取分離是利用不同稀土元素在萃取體系中的水相和有機相中的分配比不同，將水相中一種或多種稀土元素轉(zhuǎn)移到有機相，從而實現(xiàn)稀土元素的分離[1]。稀土萃取分離具有設(shè)備簡單、操作方便、分離效果好、處理批量大、產(chǎn)品收率高及產(chǎn)品純度高等優(yōu)點，是目前稀土冶金領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的濕法處理工藝之一[1-2]。

稀土萃取分離常采用的萃取槽有離心式萃取槽、塔式萃取槽和混合澄清萃取槽，其中，應(yīng)用較為廣泛的是混合澄清萃取槽?；旌铣吻遢腿〔塾卸嗉墸考壘苫旌鲜液统吻迨医M成?；旌鲜业淖饔檬鞘顾嗪陀袡C相充分接觸并混合，澄清室的作用是對混合后的水相和有機相進行靜置處理，實現(xiàn)稀土元素分離。

為了提高混合萃取效率，混合室內(nèi)部一般設(shè)有不同結(jié)構(gòu)攪拌器，通過強制對流加快傳輸過程，因此，從本質(zhì)上來說，混合室屬于旋轉(zhuǎn)機械攪拌式反應(yīng)器，其內(nèi)部流體在攪拌葉片作用下以強紊流方式流動?；旌鲜覂?nèi)攪拌葉片的結(jié)構(gòu)及空間布置對混合室內(nèi)流體傳輸影響顯著[3-7]。目前的研究主要側(cè)重于對不同結(jié)構(gòu)萃取槽內(nèi)流體傳輸性能的定性分析，對于萃取槽內(nèi)流體流動的定量分析(包

括流體混勻時間、低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)、流體湍動能分布、流體流速分布等)方面的研究較少。本試驗采用數(shù)值模擬法對比研究了自行設(shè)計的具有直葉片和斜葉片攪拌器的稀土萃取槽混合室內(nèi)流體傳輸性能，以期為稀土混合澄清萃取槽的研究和設(shè)計提供一定參考信息。

1 模擬方法

1.1 萃取槽的幾何模型

圖1為簡化的稀土萃取槽3D幾何模型示意。

本研究主要對比直葉片和斜葉片攪拌器混合室內(nèi)的混合特性，因此模擬區(qū)域只包含50 cm×50 cm×60 cm混合室，其底部有φ=7 cm的出口，攪拌葉片為單層直葉片或斜葉片。直葉片與Z軸方向平行，而斜葉片與Z軸方向有10°夾角。2種葉片厚度均為10 mm，攪拌頭有效高度均為95 mm。正常工作時，攪拌葉片速度均為150 r/min，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。

1.2 流體傳輸控制方程

模擬計算中涉及的基本流體傳輸控制方程包括連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、K-ε雙方程及質(zhì)量傳遞方程[8]。

1.3 研究方案

具體研究方案見表1。主要研究采用2種不同攪拌葉片時，在5種不同攪拌器安裝高度(攪拌器葉片底部距混合室底部的距離，以h表示，如圖1所示)下混合室內(nèi)流體的傳輸性能。

表1 研究方案

注：S代表直葉片；I代表斜葉片。

1.4 模擬方法及主要參數(shù)

利用前處理軟件Gambit建立萃取槽3D幾何模型，并為萃取槽槽體和攪拌器分別劃分13 mm和8 mm的體網(wǎng)格，再指定邊界條件類型及計算區(qū)域類型后輸出網(wǎng)格文件。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，選擇控制方程，設(shè)置邊界條件。其中，攪拌器沿順時針方向以150 r/min速度轉(zhuǎn)動，攪拌器在萃取槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)時形成的1個圓柱面和2個圓面定義為Interface面。設(shè)置流體物性：有機萃取劑密度ρ=950 kg/m3，黏度μ=3.3×10-3Pa·s；水相ρ=998 kg/m3，μ=1.0×10-3Pa·s。求解過程中，考慮重力作用，取重力加速度gZ=9.8 m/s2，方向沿Z軸正向。采用Simple算法求解流場和壓力場，各控制方程收斂條件為殘差eps<10-3。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 流體流速分布對比

為比較不同葉片萃取槽內(nèi)流速分布，在萃取槽二分之一高度處沿X軸方向取一條線段，起點坐標(biāo)為(-0.25，0，-0.3)，終點坐標(biāo)為(0.25,0,-0.3)。該線段上流體的Z速度分量如圖2所示(以S-3和I-3方案為例)，h=250 mm。

圖2 萃取槽內(nèi)X軸方向上Z速度分布曲線

由圖2看出：直葉片攪拌器萃取槽內(nèi)沿X軸方向上Z速度分量較小，且變化幅度不大；而斜葉片攪拌器萃取槽內(nèi)沿X軸方向上具有較大的Z速度分量，且變化幅度明顯較大，特別是在靠近葉片區(qū)域內(nèi)，具有非常大的Z速度分量，這主要是由斜葉片攪拌器的結(jié)構(gòu)特點決定的。而萃取槽內(nèi)具有較大的Z速度分量有利于促進萃取體系在Z軸方向上的傳質(zhì)，從而提高萃取槽內(nèi)流體的整體混合效率。

2.2 流體湍動能分布對比

在萃取槽內(nèi)，以坐標(biāo)(0.19,0.19,-0.6)為起點、坐標(biāo)(0.19,0.19,0)為終點取一條線段，讀取該線段上各點湍動能值，對比不同攪拌葉片萃取槽內(nèi)沿Z軸方向上的流體湍動能(K)分布規(guī)律。該線段上湍動能分布如圖3所示(以S-4和I-4方案為例)，h=350 mm。

圖3 萃取槽Z軸方向上湍動能分布曲線

由圖3看出：其他條件相同時，采用直葉片或斜葉片攪拌器的萃取槽內(nèi)沿Z軸方向上的湍動能分布曲線具有類似規(guī)律，在葉片高度范圍內(nèi)(圖3曲線中間部分)流體湍動能值均較高；而遠離此高度范圍的流體湍動能均存在不同程度衰減。進一步對比二者湍動能數(shù)值發(fā)現(xiàn)，采用斜葉片攪拌器，流體湍動能明顯大于采用直葉片攪拌器的流體湍動能。由此可見，采用斜葉片攪拌器萃取槽內(nèi)Z軸方向上流體流動活躍，有利于萃取過程中水相和有機相的充分混合。

2.3 低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)對比

低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)(φd)是評價各類冶金反應(yīng)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，目前還沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型用于描述稀土萃取槽內(nèi)的低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。針對稀土萃取槽內(nèi)的實際流體流動特點，根據(jù)文獻[9]，試驗取萃取槽中流體平均流速的1/1 000為臨界流速[10]，萃取槽內(nèi)低于此流速的流體所占體積分?jǐn)?shù)即為低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。不同方案下稀土萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 各方案萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)

由圖4看出：采用直葉片攪拌器，各方案下萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)在1.303%～5.566%之間；而采用斜葉片攪拌器，各方案下萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)介于0.973%～7.723%之間。

對比S-1和I-1方案看出，采用直葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)明顯低于采用斜葉片攪拌器的萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)，這主要是S-1和I-1方案中，葉片安裝高度較低、距萃取槽底部壁面較近，斜葉片產(chǎn)生的較大的Z速度分量受底部壁面的限制而無法發(fā)揮其優(yōu)勢造成的?？梢?，采用斜葉片時，葉片安裝不宜太靠近萃取槽底部，安裝高度應(yīng)大于萃取槽總高度的1/12。

對比其他方案看出，采用斜葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)均小于采用直葉片攪拌器萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。因此，總體上來說，采用斜葉片攪拌器，萃取槽的低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)較低，有效混合體積較高，萃取槽內(nèi)流體流動活躍，有利于萃取槽內(nèi)動能和質(zhì)量傳輸。

2.4 流體混勻時間對比

利用組分輸運模型進行模擬，萃取槽內(nèi)A(-0.2,0,-0.25)、B(-0.2,0,-0.25)、C(-0.2,0,-0.25)3個監(jiān)測點處的流體混勻時間(tm)如圖5所示[10]。

圖5 各方案不同監(jiān)測點處的混勻時間

由圖5看出：采用不同攪拌葉片時，各監(jiān)測點處的混勻時間不同，其中采用直葉片攪拌器，各方案下監(jiān)測點的混勻時間為：A點，32.5～37.9 s；B點，26.9～34.5 s；C點，18.1～24.3 s。而采用斜葉片攪拌器時，各方案下監(jiān)測點處的混勻時間為：A點，26.2～29.4 s;B點，20～25.5 s;C點，16.9～21.3 s。由此可見，采用斜葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)流體混勻時間明顯低于采用直葉片時的混勻時間，說明采用斜葉片有利于提高萃取槽混合性能。

3 結(jié)論

采用斜葉片攪拌器的稀土萃取槽內(nèi)沿X軸方向上Z速度分量較大，且變化幅度明顯大于直葉片攪拌器萃取槽；沿Z軸方向上的流體湍動能明顯大于直葉片攪拌器萃取槽的流體湍動能。

采用直葉片攪拌器稀土萃取槽內(nèi)流體低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)在1.303%～5.566%之間，采用斜葉片攪拌器稀土萃取槽低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)介于0.973%～7.723%之間，斜葉片攪拌器稀土萃取槽低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)總體較低。斜葉片攪拌器的安裝高度應(yīng)大于萃取槽總高度的1/12。

直葉片攪拌器稀土萃取槽內(nèi)流體混勻時間明顯大于斜葉片攪拌器稀土萃取槽，采用斜葉片攪拌器更有利于提高混合效率。