混合澄清槽內(nèi)離子液體體系的三相流體動力學(xué)模擬

湯祺，鮑迪，邵少雄，徐平，劉聯(lián)偉，鄭維明

（1 中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2 中國石油化工集團(tuán)股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

離子液體作為一種新興的綠色溶劑，由于其較高的熱穩(wěn)定性、寬電化學(xué)窗口、極低的飽和蒸氣壓、良好的可設(shè)計(jì)性及循環(huán)性能，逐漸受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)分離、催化反應(yīng)及電化學(xué)等方面具有十分廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景[1]。而在金屬元素分離領(lǐng)域，眾多學(xué)者亦通過實(shí)驗(yàn)證明：以離子液體為萃取劑溶劑的萃取體系在應(yīng)用于堿/堿土金屬（Sr2+、Cs+、Li+等）[2-6]、錒系金屬（UO2+2）[7-8]及貴金屬（Au3+）[9]等元素的分離時，具有較高的分配比，且試劑穩(wěn)定性、復(fù)用性及耐輻照性能好[10]，這也使得離子液體萃取體系在乏燃料后處理技術(shù)中具有潛在應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。要將離子液體的潛在應(yīng)用價值轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用價值、實(shí)現(xiàn)離子液體萃取技術(shù)的工業(yè)化，就必須深入了解認(rèn)識離子液體萃取體系的流體動力學(xué)特性。盡管離子液體種類繁多、物性各有不同，但目前與乏燃料后處理分離技術(shù)相關(guān)的研究卻大部分集中于特定幾種{[Cnmim][NTf2]（n=2,4,5,6,8,10）等}，且此類有機(jī)相萃取劑的黏度、密度物性均與離子液體物性密切相關(guān)[11]。因此，首先應(yīng)深入探究離子液體與水相溶劑之間的流體動力學(xué)特性，即離子液體液-液體系流體動力學(xué)特性，以此為基礎(chǔ)，才能更加全面系統(tǒng)地展開后續(xù)研究。目前，與萃取反應(yīng)器設(shè)計(jì)密切相關(guān)的離子液體液-液體系流體動力學(xué)研究極少，遠(yuǎn)低于離子液體在分子動力學(xué)模擬[12]及物性預(yù)測[13-14]等領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)目，且也未有分離領(lǐng)域廣泛使用的混合澄清槽設(shè)備體系的文獻(xiàn)報(bào)道。研究的明顯不足直接限制了相關(guān)工藝中的反應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)、放大及操作條件優(yōu)化，遲滯了離子液體體系工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)度。

此外，與常規(guī)分子溶劑不同，由于離子液體中氫鍵、靜電、團(tuán)簇的作用，使其在與其他溶劑或溶質(zhì)進(jìn)行相對運(yùn)動時，可能呈現(xiàn)出不同于常規(guī)介質(zhì)的、更加復(fù)雜的流體動力學(xué)特性[15-17]。所以，應(yīng)加以甄別地將常規(guī)體系流體動力學(xué)模型應(yīng)用于離子液體體系。

混合澄清槽是稀土工業(yè)和核工業(yè)中使用最為廣泛的萃取設(shè)備之一，具有操作性好、級效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易放大等特點(diǎn)[18]?；旌鲜易鳛榛旌铣吻宀鄣幕旌蠀^(qū)域，其混合程度將顯著影響工藝過程的萃取級數(shù)及兩相停留時間。計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）作為一種被充分認(rèn)可的數(shù)值模擬方法，能在減少實(shí)驗(yàn)的同時獲取更多流場信息，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類多相流容器的研究分析中。目前，對于混合澄清槽的模擬研究大都集中于混合室，這部分文獻(xiàn)報(bào)道根據(jù)不同的研究目標(biāo)、研究方法可大致分為如下五類：①以馬婷婷[18]、黃毅[19]等的研究為代表的單相流數(shù)值模擬，主要采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考量了不同形式混合澄清槽的抽吸性能及功率準(zhǔn)數(shù)；②以王亮[20]、唐巧[21]、吳富姬[22]等的研究為代表的單相流耦合組分輸運(yùn)模型數(shù)值模擬，此類研究需預(yù)先求解單相流場，達(dá)到穩(wěn)定后向流場中加入示蹤劑，以考察混合時間、混合效率等物理量；③以Gu[23]、鄭雄攀[24]、許傳林[25]等的研究為代表的兩相流數(shù)值模擬，主要采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及歐拉多相流模型，連續(xù)相及分散相分別以水、煤油為主，探究不同流比、轉(zhuǎn)速、槳型、擋板等因素對分散相、連續(xù)相在速度場、壓力場及分散相分布情況的影響；④以倪志南[26]、Tang[27]等的研究為代表的兩相流耦合群平衡模型（population balance model，PBM）數(shù)值模擬，除探究速度場、分散情況，還針對混合室內(nèi)分散相液滴直徑、分布情況與轉(zhuǎn)速、流比之間的關(guān)系進(jìn)行探討，主要使用標(biāo)準(zhǔn)或realizablek-ε模型和歐拉多相流模型，同時使用PBM 中Luo等[28]的聚并破碎模型來描述液滴的相應(yīng)行為，此類研究通常需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，液滴直徑分布需預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。虎菀詫?shí)際工況下的混合室三相體系為研究對象，考察氣相存在下的兩相分布情況及工況變化對于體系氣含率的影響，三相模擬相比于兩相模擬需求解更多方程，計(jì)算量更大且更難收斂，但也更符合真實(shí)的混合室內(nèi)部流動情況，僅有少數(shù)學(xué)者對其進(jìn)行了初步探究[29]。目前，尚未發(fā)現(xiàn)離子液體液-液攪拌混合數(shù)值模擬的相關(guān)報(bào)道，大多都是針對離子液體-氣體兩相體系的相關(guān)研究，而真實(shí)工況下的離子液體三相（液-液-氣）研究更是空白，且缺乏相應(yīng)模型基礎(chǔ)（高黏度、高有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)），研究難度更大，攻堅(jiān)這一難題無疑有助于探究離子液體在真實(shí)工況下混合室中的流動、分散特性，對以離子液體為溶劑的萃取分離體系的實(shí)際應(yīng)用亦具有重要參考價值。

本文以此為出發(fā)點(diǎn)，以作為萃取劑溶劑研究較多的[C4mim][NTf2]為有機(jī)相（重相），以去離子水為水相（輕相），同時考察液相界面上部空氣、轉(zhuǎn)速對體系氣含率、出口氣量的影響，并對該液-液-氣三相體系在混合室中的流體動力學(xué)行為展開研究，研究思路如圖1所示。該研究為混合澄清槽的工藝條件優(yōu)化及相同體系的模擬方法建立提供參考，并為該體系下的傳質(zhì)、反應(yīng)及相應(yīng)萃取體系的模擬打下模型基礎(chǔ)。

圖1 研究思路

1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料及方法

整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，主體裝置為一個定制的長方體混合澄清槽，其混合室長、寬均為46mm，高度為61mm；澄清槽主體材料為316L不銹鋼、聚碳酸酯（polycarbonate,PC）；采用四葉開啟渦輪式攪拌槳進(jìn)行輕重兩相混合，槳葉直徑24mm、高度10mm，槳葉中心距離混合室底部22mm，材料使用PC。此外，混合澄清槽的輕相、重相入口直徑均為6mm，混合室出口為長方形，長、寬分別為12mm、8mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所采用的輕相、重相分別為去離子水及[C4mim][NTf2]，293K 時其物性如表1 所示（黏度、密度數(shù)據(jù)通過實(shí)驗(yàn)方式測得，測試設(shè)備為安東帕 DMA5000， 測 量 誤 差 為±0.000005g/cm，[C4mim][NTf2]含水量為0.3%）。

表1 離子液體、水及空氣物性參數(shù)（T=293K，p=101.325kPa）

實(shí)驗(yàn)前將進(jìn)出口均用防水膠條封閉，從上蓋板處分別加入50mL離子液體、去離子水，并在PC透明側(cè)壁上貼透明標(biāo)尺便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加入水、有機(jī)相高度均約24mm，即兩相液層總高約48mm、頂部空氣層高度約13mm。

攪拌轉(zhuǎn)速通過激光轉(zhuǎn)速儀進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并在攪拌軸對應(yīng)位置貼反光標(biāo)簽增強(qiáng)激光反射。該方法的最大測定誤差小于1.5%、平均測定誤差小于1.2%，即認(rèn)為轉(zhuǎn)速測定方法準(zhǔn)確，具有對照意義。此外，向有機(jī)相中加入微量有機(jī)染料蘇丹Ⅳ使其呈紅色，水相依舊維持透明。實(shí)驗(yàn)中，通過有機(jī)相的分布高度來驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體的分布高度通過實(shí)驗(yàn)照片中側(cè)壁上的透明標(biāo)尺確定。

2 計(jì)算設(shè)置

2.1 數(shù)學(xué)模型、流體域及求解策略

該三相體系數(shù)值模擬采用歐拉多相流模型，離子液體、水及空氣物性分別參見表1。采用多面體+六面體網(wǎng)格進(jìn)行混合室網(wǎng)格劃分，并在攪拌槳葉及各個壁面上繪制邊界層；采用重整化數(shù)組（renormalization group, RNG）k-ε湍流模型及增強(qiáng)壁面處理。根據(jù)前人[29]的研究成果，忽略升力、虛擬質(zhì)量力等，兩相（離子液體-水、水-空氣、離子液體-空氣）之間的相互作用僅考慮曳力，采用Schiller-Naumann 曳力系數(shù)模型，歐拉多相流控制方程如表2所示。

表2 歐拉-歐拉模型控制方程

計(jì)算的邊界條件設(shè)置如圖3所示，輕重兩相入口分別采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。此外，為便于同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，使用一個其他設(shè)置相同、進(jìn)出口設(shè)置為無滑移壁面條件的模型進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證。攪拌區(qū)處理采用多重參考系方法，攪拌轉(zhuǎn)速為350～550r/min，頂部設(shè)置為對稱邊界。開始計(jì)算前，將三相流體初始化至流體域中，有機(jī)相、水相高度各24mm，空氣層高度為13mm。計(jì)算過程中監(jiān)測多個位置體積分?jǐn)?shù)、槳力矩變化，待兩物理量達(dá)到穩(wěn)定、進(jìn)出口質(zhì)量流量基本不發(fā)生變化且湍動能物理量殘差小于10-3、其他物理量殘差小于10-4時，認(rèn)為計(jì)算穩(wěn)定收斂。

圖3 流體域的邊界條件設(shè)置

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性分析及最終計(jì)算網(wǎng)格

為保證在計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確的同時降低計(jì)算量、減少計(jì)算時間，對模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性考察。設(shè)置兩條過心監(jiān)測線（x=0，-23≤y≤23，z=5及-23≤x≤23，y=0，z=12，單位mm），對監(jiān)測線上不同網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)及混合相湍動能兩個判斷混合效果的重要物理量進(jìn)行分析[如圖4(a)～(d)]，最終選擇單元數(shù)量為658162 的網(wǎng)格（如圖5）進(jìn)行不同條件的模擬計(jì)算。

圖4 監(jiān)測線1（x=0，-23≤y≤23，z=5，單位mm）、2（-23≤x≤23，y=0，z=12，單位mm）上物理量與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系

圖5 最終計(jì)算用網(wǎng)格示意圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果對照

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩相完全分層的情況下開始攪拌，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于350r/min時，才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)相較為均勻的分布；低于此轉(zhuǎn)速時，攪拌槳上部幾乎不存在有機(jī)相液滴。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以350r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對照，如圖6所示。

圖6 350r/min下的實(shí)驗(yàn)、模擬有機(jī)相分布高度對比

將實(shí)驗(yàn)照片處理后可知，有機(jī)相在350r/min時的分布高度在42～44.5mm 之間，模擬結(jié)果則在43.5～47.3mm 之間，模擬同實(shí)驗(yàn)的有機(jī)相分布高度最大誤差小于6.3%，平均誤差小于5%（分布高度下限誤差+3.57%，分布高度上限誤差+6.29%），可認(rèn)為該模擬方法的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，并以此計(jì)算設(shè)置進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模擬。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同轉(zhuǎn)速下的流場分析

對不同轉(zhuǎn)速下（350～550r/min）混合室內(nèi)的流場進(jìn)行考察，有機(jī)相及氣相體積分?jǐn)?shù)云圖如圖7所示，可知更高的轉(zhuǎn)速有利于有機(jī)相分散，能顯著減少槳下方重相堆積，轉(zhuǎn)速達(dá)450r/min時，有機(jī)相堆積已大幅減少；有機(jī)相分布高度也隨轉(zhuǎn)速升高而增大，500r/min 時，懸浮區(qū)域已超過水相入口。此外，提高轉(zhuǎn)速，有機(jī)相液滴直徑減小，整個混合室湍動加劇，液相中的氣含率增大，由平均不足4%（350r/min）提高至接近10%（550r/min）。轉(zhuǎn)速升高還增強(qiáng)了槳區(qū)抽吸作用（圖8），壓力小于-40Pa的區(qū)域隨轉(zhuǎn)速提升顯著增加，有利于將入口進(jìn)入的有機(jī)相、水相兩相抽吸、混合。另外，升高轉(zhuǎn)速，出口氣體流量亦隨之增大（圖9），當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到500r/min 時，出口氣體流量發(fā)生激增，接近450r/min 時該物理量的2 倍，結(jié)合圖7 分析可知，此時槳上部氣體體積分?jǐn)?shù)超過12%，且混合室內(nèi)的平均氣含率提升至8%以上；液位也相對于450r/min出現(xiàn)較明顯升高，即在500r/min 時出現(xiàn)流型變化。如果繼續(xù)提高攪拌轉(zhuǎn)速，將可能導(dǎo)致更多氣泡夾雜在液相中進(jìn)入澄清室，影響澄清性能，而較低轉(zhuǎn)速下（低于450r/min 時），由于氣相與液相之間的密度差較大（見表1），氣相對澄清性能的影響相對較小。

圖7 y=0截面上不同轉(zhuǎn)速下的有機(jī)相、氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖8 不同轉(zhuǎn)速下攪拌槳中心區(qū)域（z=22mm截面）的壓力云圖

圖9 出口處氣體流量同轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

由上分析，低轉(zhuǎn)速下室底有機(jī)相堆積，在此位置設(shè)立監(jiān)測線（x=0，-23≤y≤23，z=5，單位mm，下同）考察混合相湍動能與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，如圖10(a)。分析可知，遠(yuǎn)離出口側(cè)（-23mm≤y<0mm，下同）的混合相湍動能大于接近出口側(cè)（0≤y≤23mm，下同）的，在350r/min轉(zhuǎn)速下，整個監(jiān)測線湍動能都較低，難以實(shí)現(xiàn)有機(jī)相的均勻分散，而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到450r/min時，湍動能則得到有效提升。繪制不同轉(zhuǎn)速下的攪拌槳力矩變化圖，由圖10(b)可知，不同轉(zhuǎn)速的槳力矩基本呈正向線性關(guān)系，即隨轉(zhuǎn)速提高而增大。結(jié)合圖7、圖9、圖10 分析得出，對于該反應(yīng)器中的[C4mim][NTf2]-水-空氣三相體系，較合適的轉(zhuǎn)速在450～500r/min之間，此時兩相混合均勻，離子液體分散相液滴不會由于湍動劇烈而過小，減緩?qiáng)A帶現(xiàn)象，液相中的氣含率、出口氣體流量都不會顯著高于更低轉(zhuǎn)速時的，也在一定程度上降低了澄清室的設(shè)計(jì)、處理壓力。另外，適中的槳力矩也有利于設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖10 監(jiān)測線上（x=0，-23≤y≤23，z=5，單位mm）的湍動能、槳力矩與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

3.2 不同流比下的混合流場

不同工況下，有機(jī)相、水相兩相流比亦可能不同。因此，本節(jié)將討論不同流比下的攪拌流場。計(jì)算須始終保證水相為連續(xù)相，本節(jié)中的討論將通過改變有機(jī)相入口流量來實(shí)現(xiàn)4 種流比的流場對比，具體流量變化見表3，攪拌轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)置為350r/min，其余模型設(shè)置及邊界條件與3.1節(jié)相同。

表3 4種流比下的有機(jī)相及水相流量

由圖11(a)可知，隨著有機(jī)相流量的減小，即使保證初始相比不變，整個混合室內(nèi)有機(jī)相存量亦降低，攪拌槳下方有機(jī)相堆積情況緩解，但有機(jī)相分布高度并未顯著變化。由表4可知，混合室內(nèi)的相比僅隨流比略微增大。此外，由氣相云圖可知[圖11(b)]，液相中的氣含率隨流比增大而有所升高，從流比為1的平均不足4%提高到流比為2.5的平均約6%。因此，在維持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速不變的情況下，提高水、有機(jī)相流比，亦有助于提升有機(jī)相在水相中的分散性能，達(dá)到與提高攪拌轉(zhuǎn)速相近的混合效果。

表4 不同流比下混合室內(nèi)的水相、有機(jī)相相比（體積比）

圖11 y=0截面上不同流比下的有機(jī)相、氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

3.3 不同溫度下的混合流場

由于離子液體黏度受溫度影響顯著，因此，考察不同溫度下混合流場對于實(shí)際反應(yīng)器設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)調(diào)節(jié)均具有十分重要的意義，本節(jié)將討論350r/min 攪拌轉(zhuǎn)速時在293～308K 溫度下該混合室中的流場特性。293～308K溫度下的離子液體黏度、密度參數(shù)見表5。

由表5及圖12(a)、(b)可知，升高溫度后，液相內(nèi)的氣含率增大，有機(jī)相黏度降低，重相入口至槳葉下方有機(jī)相堆積減少，同時槳葉上方有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)也隨之降低，但反應(yīng)器內(nèi)的液液兩相相比幾乎未發(fā)生變化（如表6），說明其他區(qū)域的有機(jī)相、水相混合狀態(tài)隨溫度升高變得更加均勻，該現(xiàn)象與攪拌槳正下方有機(jī)相速度增大（如圖13）直接相關(guān)。但當(dāng)溫度升高至303K 及以上時，升溫對監(jiān)測線上的有機(jī)相速度已無顯著影響，特別是在遠(yuǎn)離出口側(cè)，303K及308K條件下的有機(jī)相速度已幾乎相等。此外，升溫降低有機(jī)相黏度，使整個混合室湍動變得劇烈（圖14），進(jìn)一步說明了為何較高溫度下有機(jī)相的分布更加均勻。同時，升溫降黏也有效降低了混合所需的槳力矩（圖15），但溫度升高至308K時，槳力矩較303K時變化很小。

表6 不同溫度下混合室內(nèi)水相、有機(jī)相相比（體積比）

圖12 y=0截面上不同溫度下的有機(jī)相、氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

表5 不同溫度下的離子液體物性參數(shù)

上述分析證明，升溫亦會顯著提升低轉(zhuǎn)速下的液液兩相混合能力，當(dāng)溫度達(dá)到303K 以上時，攪拌槳下方有機(jī)相堆積情況得到明顯改善。此外，由圖13 及圖15 可知，350r/min 下理想的混合溫度為303K，繼續(xù)升溫對第二相速度、槳力距、混合相湍動能（圖16）均無顯著改善，還會增大體系熱功耗。由圖16 可知，監(jiān)測線上所有條件的數(shù)據(jù)均一致表明，接近出口位置側(cè)的湍動能小于遠(yuǎn)離出口側(cè)的。這是由于攪拌槳的抽吸、甩出作用會使遠(yuǎn)離出口側(cè)的液相產(chǎn)生更多的渦，而接近出口側(cè)的液相則會在甩出作用下經(jīng)出口流出。此外，升溫對混合室內(nèi)的擾動增強(qiáng)有積極作用，在推薦混合溫度303K 下，整個監(jiān)測區(qū)間湍動能數(shù)據(jù)已全面優(yōu)于293K-400r/min 條件的，且近出口側(cè)的數(shù)據(jù)已接近293K-450r/min 的，但仍建議真實(shí)工況結(jié)合升溫、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)更好的兩相混合。

圖13 監(jiān)測線（x=0，-23≤y≤23，z=5，單位mm）上有機(jī)相速度與溫度間的關(guān)系

圖14 不同溫度下截面（y=0）上的湍動能云圖

圖15 槳力矩隨溫度的變化情況

圖16 350r/min時不同溫度及293K-400r/min、293K-450 r/min條件下監(jiān)測線（x=0，-23≤y≤23，z=5，單位mm）上的湍動能

4 結(jié)論

本文建立了離子液體三相體系（液-液-氣）流體動力學(xué)數(shù)值模擬方法，并對目前較常用的離子液體進(jìn)行模擬，且通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性（實(shí)驗(yàn)及模擬最大誤差小于6.3%）。隨后，采用上述計(jì)算方法，針對不同轉(zhuǎn)速、流比及溫度三組條件下的模擬結(jié)果展開討論，結(jié)論如下。

（1）轉(zhuǎn)速提升時，有機(jī)相與水相混合更加均勻，槳下部有機(jī)相堆積有明顯改善，且混合相湍動能也明顯提高，但液相中的氣含率也隨轉(zhuǎn)速升高而增大，在500r/min轉(zhuǎn)速時會發(fā)生流型變化，使得有機(jī)相分布高度增大，且出口氣量明顯增大，更多氣體進(jìn)入澄清室，可能會對澄清室的設(shè)計(jì)指標(biāo)（澄清室長度等）提出更高要求，因此轉(zhuǎn)速不宜過高。針對本設(shè)備、體系，理想的攪拌轉(zhuǎn)速為450～500r/min。

（2）相同轉(zhuǎn)速下（350r/min）、保持水相流量、初始相比不變，水、有機(jī)相相比會隨著有機(jī)相流量減小而增大，但變化幅度不明顯，有機(jī)相流量變化至原來的40%時，相比僅增大約8%。由于混合室中水相占比增大，有機(jī)相在攪拌槳下方的堆積現(xiàn)象有所緩解，且液相中的氣含率有一定程度增大。因此，減小有機(jī)相流量亦能使體系混合得更加均勻，起到與提高轉(zhuǎn)速相近的效果。

（3）相同轉(zhuǎn)速下（350r/min），溫度升高時混合室內(nèi)水相、有機(jī)相的混合能力得到提升，有機(jī)相在槳下部的流速亦隨之增大，湍動愈發(fā)劇烈。與單純提升轉(zhuǎn)速不同，升溫能有效減小混合所需槳力矩，但溫度并非越高越好，308K 條件下的有機(jī)相速度及槳力矩相較于303K 條件并無顯著變化，熱功耗卻更高。因此，建議實(shí)際工況將溫升及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)更好的兩相混合。

本文在建立離子液體三相體系數(shù)值模擬方法的同時，通過模擬結(jié)果為混合澄清槽混合室的操作條件優(yōu)化提供了有參考價值的建議，還為更復(fù)雜的離子液體三相傳質(zhì)、反應(yīng)及以離子液體為萃取劑溶劑的萃取體系模擬建立了方法及模型基礎(chǔ)。

符號說明

a—— 水相

CD—— 量綱為1曳力系數(shù)

C1ε—— 常數(shù)，重整化數(shù)組k-ε模型中該值為1.42

C2ε—— 常數(shù)，重整化數(shù)組k-ε模型中該值為1.68

D—— 攪拌槳直徑，mm

DH—— 水力直徑，mm

Di—— 圓形入口直徑，mm

d32—— 液滴的Sauter平均直徑，mm

Fij—— 相間作用力，本文僅考慮曳力，N，根據(jù)接觸相，下角標(biāo)也可為j、k及i、k

H—— 出口高度，mm

I—— 湍流強(qiáng)度，量綱為1

Gk—— 湍動能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/(m?s3)

g—— 重力加速度，m/s2

k—— 湍動能，m2/s2

M—— 槳力矩，N·m

N—— 攪拌轉(zhuǎn)速，r/min

o—— 有機(jī)相

p—— 壓力，Pa

T—— 溫度，K

t—— 時間，s

U—— 自由流速，m/s

u—— 速度矢量，m/s

V—— 出口流量，mL/min

W—— 出口寬度，mm

α—— 某一相的體積分?jǐn)?shù)

αki—— 常數(shù)

αε—— 常數(shù)

ε—— 湍動能耗散率，m2/s

μ—— 黏度，Pa?s

μeff.m—— 混合相有效黏度，Pa?s

ρ—— 密度，kg/m3

σij——i、j兩相之間的界面張力，N·m

--τi—— 應(yīng)力張量，Pa，下角標(biāo)可為i、j、k

Re—— 相對雷諾數(shù)，Re=ρidj|ui-uj|/μi根據(jù)接觸相，下角標(biāo)也可為j、k及i、k

Weij—— Weber數(shù)，Weij=ρiD3N2/σij，這里指i、j兩相間的

下角標(biāo)

i—— 主相，本文為去離子水

j—— 第二相，本文為[C4mim][NTf2]

k—— 第三相，本文為空氣

m—— 混合相