羥乙基纖維素溶液冷凍傳熱性能的模擬分析

曾娟 張建樹(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

0 引言

羥乙基纖維素(HEC)是天然纖維素進(jìn)行醚化改性處理后得到的產(chǎn)物，是由棉、麻等經(jīng)堿化、醚化使用一環(huán)氧乙烷作為醚化劑等過程制備而成的非離子型纖維素醚類，具有良好的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的相容性[1]。

晶膠層析技術(shù)的載體材料是晶膠介質(zhì)，晶膠材料需具有很好的彈性性能，強(qiáng)的還原能力，和一定的化學(xué)穩(wěn)定性，可以重復(fù)利用[2]。羥乙基纖維素可以作為晶膠介質(zhì)用作層析分離，它的結(jié)構(gòu)中存在10～100 微米的超大孔隙，并相互連通，可以讓微生物細(xì)胞和細(xì)胞碎片順利通過。

結(jié)晶制孔法是最主要的晶膠制備方法，其制備原理：在聚合物單體與交聯(lián)劑形成的水溶劑在低溫冷凍時(shí)，水相變結(jié)晶，由于結(jié)晶具有排他性，造成聚合物和交聯(lián)劑堆積在晶體四周，使溶液中單體的濃度升高，導(dǎo)致結(jié)晶溫度下降，聚合反應(yīng)完成后，床柱骨架基本形成，升高體系溫度，層析柱內(nèi)的冰晶融化前所占據(jù)的空間就形成超大孔隙[3]。本文將使用羥乙基纖維素作為晶膠介質(zhì)，探索羥乙基纖維素溶液降溫過程的溫場(chǎng)變化及其規(guī)律。

1 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

計(jì)算流體力學(xué)通過各種計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)軟件對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行計(jì)算并處理。直觀的使用圖和表來描述計(jì)算結(jié)果，處理解決流體力學(xué)問題時(shí)主要將連續(xù)的多個(gè)物理量進(jìn)行有規(guī)則的網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格形成有限的離散單元，再根據(jù)流體力學(xué)的基本方程列出有限體積的離散單元物理量的各個(gè)物理量方程組，最后通過迭代的運(yùn)算方式對(duì)這些代數(shù)方程組進(jìn)行求解，從而得到所求變量的數(shù)值。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

本次模擬研究對(duì)象為高100mm、直徑10mm、壁厚1mm 的柱床。柱床外壁材質(zhì)為石英管，內(nèi)部分為兩部分：上部分為高20mm 殘余空氣；下部為高80mm 的5%羥乙基纖維素-水溶液。以半徑為5mm，軸向高度為80mm 的層析柱內(nèi)羥乙基纖維素原料溶液的降溫情況為研究對(duì)象，其進(jìn)出口都呈封閉狀態(tài)。該圓柱晶膠層析柱呈對(duì)稱分布，通過ICEM 軟件建立四分之一圓柱并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在Fluent 軟件中，根據(jù)表1 的物性參數(shù)條件，同時(shí)以恒溫壁為邊界條件，對(duì)層析柱進(jìn)行單相液相模擬。使用CFD 后處理軟件CFD-post 提取不同時(shí)刻，不同位置溫度隨時(shí)間的變化情況。以及不同壁面的溫度云圖。

表1 羥乙基纖維素95%-水5%物性參數(shù)

圖1 羥乙基纖維素原溶液不同時(shí)刻在下底面的溫度云圖

3 結(jié)果與討論

對(duì)羥乙基纖維素原料溶液進(jìn)行降溫模擬，按照模擬步驟進(jìn)行，將邊界溫度設(shè)置成278.15K，內(nèi)部溫度設(shè)置成298.15K，輸入羥乙基纖維素5%-水95%的物性參數(shù)，使用Fluent 后處理軟件CFD-post，提取不同時(shí)刻50s，150s，250s 的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到如下的溫度云圖。

從圖1 中可以看出，在前50s 時(shí)，底面的溫度從中心280.7K降到壁面278.1K，變化范圍是2.6K，在150s 時(shí)中心到壁面的溫度從278.2K 降到278.1K，溫度變化只有0.1K，在250s 時(shí)變化仍然是0.1K，可以得到在0～50s 的范圍溫度降低速率最大，后期層析柱內(nèi)液體流動(dòng)緩慢，液體分布均勻，溫度趨于穩(wěn)定。

從圖2 中可以看出，不同時(shí)刻側(cè)面上的溫度變化很小，變化范圍只有零點(diǎn)幾K，但從圖中可以看出液體存在對(duì)流情況，因?yàn)榱黧w的熱導(dǎo)率小，通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量少，因此流體內(nèi)的溫度梯度小。

分別取半徑方向上的點(diǎn)(0.001,0.005,0)、(0.0025,0.005,0)、(0.004,0.005,0)和y 軸方向上的點(diǎn)(0.001，,0.005,0)、(0.001,0.04,0)、(0.001,0.075，0)將這六個(gè)點(diǎn)分別作圖。

從圖3(a)中可以看出沿半徑方向上，內(nèi)部點(diǎn)的起始溫度始終高于靠近壁面點(diǎn)的起始溫度，還可以得出中心點(diǎn)的降溫速率大于邊界點(diǎn)。在前50s 的降溫速率最大，50～125s 之間的降溫速率逐漸減小，后125s 內(nèi)的溫度趨于穩(wěn)定，降低到278.15℃。

從圖3(b)中可以看出沿y 軸方向上，靠近上下底面的點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)大致相同，y 軸中心點(diǎn)的起始溫度低于靠近上下底面點(diǎn)的起始溫度，降溫速率同樣在前50s 時(shí)最大，50～125s時(shí)逐漸減小，125s 后由于液體均勻分度，沒有溫度梯度，溫度同樣降低到設(shè)定的邊界溫度值。

圖2 羥乙基纖維素原溶液在不同時(shí)刻的側(cè)面溫度云圖

圖3 (a)羥乙基纖維素原溶液中沿半徑方向上不同點(diǎn)的溫度變化(b)羥乙基纖維素原溶液中沿y軸方向上不同點(diǎn)的溫度變化

4 結(jié)語

結(jié)晶致孔法在恒溫冷凍的條件下，冷凍初期床柱的傳熱溫差大，反應(yīng)液內(nèi)的溫度梯度明顯，溫度場(chǎng)分布不均勻，床柱的邊緣，溫度較低，相反在床柱的中央，溫度較高。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用CFD模擬得到羥乙基纖維素原溶液降溫過程的溫場(chǎng)變化及其規(guī)律。在本實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步探索如何控制層析柱內(nèi)的溫度變化，以得到具有優(yōu)異性能的羥乙基纖維素晶膠介質(zhì)，為未來的晶膠層析技術(shù)提供理論參考。