多級離心萃取機(jī)單級轉(zhuǎn)子水-氣兩相流數(shù)值模擬

摘 要 利用CFD模擬多級離心萃取機(jī)單級轉(zhuǎn)子內(nèi)液體流動過程，發(fā)現(xiàn)氣-液兩相流運(yùn)行規(guī)律以及流量、轉(zhuǎn)速對流場的影響。結(jié)果表明，澄清室內(nèi)氣-液兩相存在明顯分界，氣相聚集于輕相堰與軸之間;自由液面隨流量增大向重相堰流動，而隨轉(zhuǎn)速增大反向軸心運(yùn)動，當(dāng)流量增至80 L/h，液面溢出重相堰;通過模擬提出了優(yōu)化方案，增設(shè)擋板能有效減少液體“空轉(zhuǎn)”;攪拌槳直徑dmix=64 mm時，混合強(qiáng)度最高;將新型多級離心萃取機(jī)應(yīng)用于煙堿提取，萃取后物料中煙堿殘留量低于0.1%，分離情況良好。

關(guān)鍵詞 多級離心萃取機(jī) 計(jì)算流體力學(xué)（CFD） 自由液面 氣-液兩相流

中圖分類號 TQ051.8+4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0247?06

離心萃取機(jī)是一種連續(xù)、高效的萃取設(shè)備，廣泛應(yīng)用于廢水處理、生物制藥、濕法冶金及稀土等諸多領(lǐng)域[1～4]，設(shè)備具有停留時間短、分相迅速、占地空間小等優(yōu)點(diǎn)[5～8]?？蓡闻_單級使用或多級串聯(lián)使用，但多級串聯(lián)不可避免地會引起空間需求提升，在特殊場合使用受限[9，10]。

多級離心萃取機(jī)是一種高度集成的單臺多級逆流型離心萃取設(shè)備，單機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)4～8個理論級的萃取，有效減少溶劑存留量。多級離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部根據(jù)集成的理論級，設(shè)有相應(yīng)的混合澄清室，一般為4～8個，因此，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個理論級液相均存在混合傳質(zhì)、分離逆流，內(nèi)部流場很難通過常規(guī)的理論計(jì)算或試驗(yàn)方法予以驗(yàn)證。筆者嘗試通過CFD對混合澄清室內(nèi)氣-液兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取內(nèi)部液體流動狀態(tài)及氣液兩相分布規(guī)律，研究流量、轉(zhuǎn)速等操作條件對流場的影響，探討結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)備性能之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)、優(yōu)化、運(yùn)行及調(diào)試提供依據(jù)。

1 工作原理

多級離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)豎直裝有多個轉(zhuǎn)子，區(qū)別于單級離心萃取機(jī)，多級離心萃取機(jī)內(nèi)的每個轉(zhuǎn)子即為一級。工作原理如圖1所示，其中藍(lán)色部分為重相，黃色部分為輕相，綠色部分則為二者混合相，在第n級轉(zhuǎn)子內(nèi)，由下一級即第n+1級分離而來的輕相流過輕相堰進(jìn)入本級轉(zhuǎn)子，與上一級即第n-1級而來的重相相遇，兩者流入混合室，在靜止攪拌槳的剪切作用下完成混合傳質(zhì)過程，而后流入澄清室內(nèi)，依靠離心力實(shí)現(xiàn)分離。密度大的重相靠近澄清室內(nèi)壁，密度小的輕相靠近中心位置，重相通過外側(cè)通道進(jìn)入下一級（n+1）澄清室，而輕相流過輕相堰進(jìn)入上一級（n-1）澄清室，整個過程兩相并流接觸完成混合傳質(zhì)，逆流流出實(shí)現(xiàn)分離。

本次研究旨在獲取轉(zhuǎn)子內(nèi)液體流動狀態(tài)，無需考慮輕、重兩相，以單一液相——水為工質(zhì)，進(jìn)行水-氣兩相流模擬，研究水-氣兩相分布及流量、轉(zhuǎn)速對兩相分布的影響;討論速度分布并考察多級離心萃取機(jī)重要性能指標(biāo)——混合強(qiáng)度受攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

2 模擬方法

2.1 物理模型描述及簡化

單級轉(zhuǎn)子直徑D=120 mm，高度h=40 mm，混合室直徑d=70 mm，攪拌槳直徑dmix=64 mm。為便于計(jì)算，在不影響數(shù)值模擬的前提下，做如下簡化：

a. 省略用于固定各部件的螺釘、銷等緊固件;

b. 省略密封圈等密封件;

c. 原結(jié)構(gòu)進(jìn)出口通道形狀不規(guī)則影響網(wǎng)格劃分，原進(jìn)口、出口面積均為358 mm2，將其簡化為16條直徑為3.8 mm的圓形通道，進(jìn)口8條，出口8條，保證通道截面積與簡化前相等。

基于以上簡化原則，建立單級轉(zhuǎn)子簡化模型如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的空間離散為多個子域，是CFD計(jì)算中極為重要的一步。CFD中的網(wǎng)格分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量好、生成速度快但適用范圍窄，對復(fù)雜幾何體網(wǎng)格劃分具有局限性。而單級轉(zhuǎn)子內(nèi)流道交錯，包含多個相切面，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分更為合適。整體網(wǎng)格尺寸1 mm，混合室、澄清室等流動重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸0.5 mm，按該尺寸劃分網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)1 700 420個，網(wǎng)格數(shù)量較大，可較好地保證計(jì)算收斂性與計(jì)算準(zhǔn)確性。

2.3 氣-液兩相流模擬方法及物性參數(shù)

2.3.1 邊界條件設(shè)置

轉(zhuǎn)子整體為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min;底部通道為質(zhì)量流量入口，入口處水相體積分?jǐn)?shù)為1;頂部通道為壓力出口，出口相對壓力為0 Pa;重相堰口與輕相堰口到芯軸外表面之間為空氣域，為壓力出口，出口相對壓力為0 Pa，芯軸表面和攪拌槳壁面為靜止壁面;邊界條件設(shè)置如圖4所示。

2.3.2 物性參數(shù)

多級萃取機(jī)工程應(yīng)用多在常溫、以水為工質(zhì)的情況下進(jìn)行模擬，水-氣兩相流模擬分別選取25 ℃的空氣和水，其物性參數(shù)見表1。

2.3.3 模擬方法

筆者采用VOF模型模擬單級澄清室內(nèi)氣-液兩相流動過程，其中主項(xiàng)為空氣，第二相為水;選擇MRF方法模擬旋轉(zhuǎn);湍流模型選擇Standard k?ε;表面張力選擇CFS模型;針對瞬態(tài)不可壓縮流動問題選擇PISO算法更為適宜;壓力離散方式選擇PRESTO;動量離散方式選擇高階Second Order Upwind方法;計(jì)算時間步長取1×10-3 s。

3 結(jié)果討論

為便于討論，沿計(jì)算域徑向取澄清室擋板截面、水相出口截面作為截面1、截面2;沿軸向選取包含環(huán)腔、澄清室、輕相堰的截面作為截面3、截面4。截面位置如圖5所示。

3.1 水-氣相分布

圖6a、b給出了轉(zhuǎn)速2 000 r/min、入口流量40 L/h時，單級轉(zhuǎn)子內(nèi)徑向截面1、截面2水相分布，其中紅色部分為水，藍(lán)色部分為空氣。水在轉(zhuǎn)子內(nèi)有兩種運(yùn)動趨勢，分別為離心力作用產(chǎn)生的繞軸轉(zhuǎn)動和沿軸線方向的向上運(yùn)動，即水在轉(zhuǎn)子內(nèi)做螺旋向上的運(yùn)動。水從水相入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子環(huán)腔并沿橫向通道進(jìn)入重相堰，隨后被吸入混合室;在混合室內(nèi)水受離心力與重力共同作用，向下流入澄清室內(nèi)，并沿澄清室內(nèi)壁面繼續(xù)做螺旋向上運(yùn)動，隨著澄清室內(nèi)存液量逐漸增加，水由水相出口流出澄清室，完成一個完整的運(yùn)動。因離心力影響，空氣全部集中在中央?yún)^(qū)域，水與空氣具有鮮明的分界面。

多級離心萃取機(jī)本身是微承壓設(shè)備，根據(jù)兩相分布特點(diǎn)，可在單級轉(zhuǎn)子中央?yún)^(qū)域增設(shè)壓力平衡口，考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、加工等因素，取平衡口直徑為6 mm。

3.2 流量對流場分布的影響

圖7給出了轉(zhuǎn)速2 000 r/min，入口流量為20、40、80 L/h時，中心截面1的水相分布。由圖可知，當(dāng)入口流量較小時，兩相分界面遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子中心。隨流量增大分界面逐漸向轉(zhuǎn)子中心靠近，且液體將混合室完全填滿;從圖中還可觀察到，隨著流量的增大液體逐漸有翻過重相堰的趨勢，當(dāng)流量為20 L/h時，自由液面離重相堰較遠(yuǎn)，當(dāng)流量增大至40 L/h時，液面位置已靠近重相堰口，當(dāng)流量繼續(xù)增大至80 L/h時，液面位置已與重相堰口平齊，說明有部分液體未到達(dá)混合室，而是直接翻過重相堰口去到下一級。綜上所述，為保持設(shè)備正常使用，單級轉(zhuǎn)子內(nèi)液體混合通量不宜過大，應(yīng)控制在40 L/h以下。

3.3 轉(zhuǎn)速對流場分布的影響

圖8給出了流量40 L/h，轉(zhuǎn)速1 400、2 000、2 600 r/min時，中心截面1的水相分布，圖9為不同轉(zhuǎn)速下自由液面位置。由圖可知，隨轉(zhuǎn)速增大，自由液面向遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子中心方向移動，多級離心萃取機(jī)運(yùn)行過程中，可調(diào)整轉(zhuǎn)速控制液面位置，以獲得更好的分離效果。

3.4 速度分布

圖10給出了流量40 L/h、轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，軸向截面3、截面4速度分布。由圖可知，液體隨高速旋轉(zhuǎn)的壁面帶動轉(zhuǎn)動，但截面4處速度較小，因原結(jié)構(gòu)澄清室底部并未設(shè)置擋板，液體全部由壁面的剪切力帶動，速度發(fā)展不充分，并且可能導(dǎo)致運(yùn)行過程中設(shè)備異常振動。在澄清室底部均布4塊長方形擋板，擋板尺寸為18 mm×10 mm，厚度2 mm，增加擋板后的速度分布如圖11所示，可見擋板有效地帶動了液體轉(zhuǎn)動，減緩了水與壁面間的“打旋”，有利于流體速度充分發(fā)展。

3.5 湍動能強(qiáng)度分布

混合強(qiáng)度是萃取機(jī)傳質(zhì)效果的重要保障。此處為便于討論，沿軸到混合室壁面徑向方向均勻取10個點(diǎn)，并以湍流強(qiáng)度代表混合強(qiáng)度，即湍流強(qiáng)度越高，混合效果越好。

圖12給出了流量40 L/h、轉(zhuǎn)速2 000 r/min，當(dāng)攪拌槳直徑dmix為58、64、68 mm時，混合室內(nèi)湍流強(qiáng)度分布。由圖可知，當(dāng)dmix=58 mm時，湍流強(qiáng)度最低;dmix=64 mm時湍流強(qiáng)度最高。攪拌槳直徑增大對混合有積極影響，但直徑增大至68 mm時槳邊緣已貼近混合室壁面，流體對壁面的撞擊只增加了壁面附近的湍流強(qiáng)度，但混合室內(nèi)整體湍流強(qiáng)度卻出現(xiàn)降低，反而對混合產(chǎn)生不利影響，可見攪拌槳直徑應(yīng)適中為宜。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

根據(jù)上文分析結(jié)果，對多級離心萃取機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并制得MCTL?124多級離心萃取機(jī)。應(yīng)用于某萃取試驗(yàn)，其物料為煙葉提取液，采用正己烷為萃取劑萃取物料中的煙堿，兩相相比3∶1。使用MCTL?124機(jī)進(jìn)行四級萃取后，物料中煙堿殘留量低于0.1%，兩相分離情況良好。

5 結(jié)論

5.1 設(shè)備運(yùn)行過程中水由底部入口進(jìn)入環(huán)腔，從頂部出口流出，空氣全部集中在中央?yún)^(qū)域，根據(jù)兩相分布特性在中央?yún)^(qū)域開設(shè)?6 mm的平衡口。

5.2 流量和轉(zhuǎn)速的改變對流場存在影響。流量低于40 L/h時，液面位置處于重相堰邊緣，流量繼續(xù)增大時液體已翻過重相堰影響設(shè)備正常使用，對于直徑D=120 mm的轉(zhuǎn)子，建議操作流量低于40 L/h;增加轉(zhuǎn)速可使自由液面向遠(yuǎn)離澄清室中心方向移動。

5.3 擋板結(jié)構(gòu)可以帶動流體運(yùn)動，有利于轉(zhuǎn)子內(nèi)流體流動速度的充分發(fā)展;在無擋板位置增設(shè)擋板，流動效果有明顯改善。

5.4 攪拌槳直徑dmix=58 mm時混合室內(nèi)湍流強(qiáng)度最小，dmix=64 mm時湍流強(qiáng)度明顯提升，繼續(xù)增至68 mm時混合室內(nèi)整體湍流強(qiáng)度反而出現(xiàn)降低，適宜的攪拌槳直徑有利于增強(qiáng)混合效果。

5.5 按如上結(jié)論改進(jìn)后的多級離心萃取機(jī)應(yīng)用于四級萃取試驗(yàn)中，使用效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

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