全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场CFD模拟研究.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究于婷，喻修成，何辉，谢成龙，叶国安，李斌，卢宗慧（中国原子能科学研究院 放射化学研究所，北京 中核武汉核电运行技术股份公司，湖北 武汉 ）摘要：为了研究全逆流混合澄清槽内气液（水相）液（有机相）三相流体在微观层面的行为，本文采用 方法，以全逆流混合澄清槽为对象进行了研究。结果表明，搅拌会在混合室内产生一个型液位分布，桨叶后方出现负压区域，且上部会出现空化现象；正方形混合室的四角方向会出现压力滞止死区；混合室内有机相会出现围绕搅拌轴的包覆层，水相主要从桨叶正下方吸入后与有机相在桨叶区域进行混合；混合室内存在多个局部速度旋涡场，桨叶下部是四周液体向桨叶正下方汇集，桨叶上部则是先向上后向旋转轴汇集；两相的混合与液滴的破碎与并聚主要发生在桨叶处及混合室附近壁面上。关键词：全逆流混合澄清槽；计算流体力学；气液液三相；数值模拟；混合室中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目：，（，；，）：，（）（），（）（），：；混合澄清器是乏燃料后处理、稀土行业广泛应用的一种逐级接触式液液萃取设备。物料和溶剂在混合室借助搅拌作用相互混合后进行传质，然后进入澄清室借助重力作用进行分离。混合澄清槽的流体力学性能对设备运行水力学稳定性、处理能力及传质效率有重要影响，混合澄清槽水力学研究早期多通过开展小型或半工业规模实验开展。付子忠通过实验方法开展了全逆流混合澄清槽的研制。侯伟强采用实验方法考察了不同结构搅拌桨对 煤油体系中铀的萃取性能的影响，研究发现澄清室内加装挡板和带栅板可以一定程度上减小出口相的夹带量，增加澄清室面积可以显著降低相夹带量。随着计算 机技术 的发 展，计 算流体 力学（）模拟逐渐取代实验方法成为研究槽内微观层面流动特性和混合状态的有效工具。周雄军等使用 软件模拟分析稀土萃取混合澄清槽中混合室尺寸放大前后的三维流场，发现直接放大后的槽内搅拌桨泵吸作用几乎消失。赵秋月等采用 软件研究后发现，在改进型萃取槽的萃取澄清室中增加搅拌桨可达到更好的澄清分离效果。徐旭升等对改进型闭式涡轮桨进行模拟研究，发现在相同功耗水平下，改进型闭式涡轮桨能有效提高抽吸压头，产生粒径相对较大的液滴，有利于后续聚并。汤祺等开展了基于混合澄清槽的离子液体三相体系数值模拟研究，发现 模拟结果与实验结果最大相对误差小于 。叶思施等和 等对澄清室挡板形状、数量与位置对两相流动的影响开展了研究，借助电导率仪对澄清室水相出口处油相夹带情况进行了测量，计算结果和实验结果一致。蓝敏乐等探究了管型混合室内的流场分布，并将模拟结果与传统方型混合澄清槽进行了对比。刘作华等计算发现，柔性桨可明显提高桨叶的抽吸增刊于婷等：全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究能力，增强流体轴向运动，避免流体过度搅拌，从而有利于流体的澄清。等对单叶轮和双叶轮搅拌情况下，搅拌桨和弯曲叶片搅拌桨的传质系数和功耗差异开展了模拟计算。等使用种群平衡模型对搅拌槽中的液滴尺寸分布进行了计算，发现搅拌速度的增加会降低液滴平均直径和 平均直径。等使用 软件建立了一个多流体欧拉 模型，对在澄清室中连续水相中煤油的分离、分散相凝聚和澄清分享界面随时间的演变、局部分散相体积分数和液滴尺寸分布进行了模拟计算，计算结果与实际测量结果符合。等通过 模型发现，带挡板澄清室与无挡板相比，停留时间增加、水相出口夹带减少；还发现双叶轮结构较单叶轮结构可有效提高混合室上部区域的流体速度，并有效提高液体混合程度。等对挡板数量、密度和叶轮速度等条件的影响开展研究，发现处理量随着挡板数量的增加和叶轮速度的降低而增加。先前诸多学者多基于流体实验对混合澄清槽开展研究，而且多集中对混合室、澄清室、或搅拌桨单个部分的模拟计算研究，针对生产规模全逆流混合澄清槽整体开展 模拟研究鲜见报道，这样势必会缺失混合室和澄清室组合影响部分，且研究多针对单相体系或液液两相体系，对气液（水相）液（有机相）三相体系模拟研究较少。针对此，本文以处理生产型全逆流混合澄清槽中的气液（水相）液（有机相）三相为研究对象，采用计算流体力学软件对一级混合室澄清室组合开展模拟研究，通过对微观流体行为的分析，揭示全逆流混合澄清槽的运行原理及优化方向，以期为提高工业生产中的传质效率、水力学性能等提供参考。数学模型 几何建模全逆流混合澄清槽的结构特点是混合室只有两个相口，上相口是有机相进口和混合相出口，下相口是水相进口和有机相出口，有机相和水相以逆流方式进入混合室，在混合室中充分混合后分别通过上相口和下相口进入澄清室，两相在澄清室内的流向也相反，槽内设有多个挡板以加快两相的分离，从而减少相夹带。全逆流混合澄清槽由若干个单级槽组成，典型的多级全逆流混合澄清槽结构简图如图所示。图典型多级全逆流混合澄清槽结构示意图 图单级全逆流混合澄清槽结构示意图 本研究主要针对后处理领域所使用的全逆流混合澄清槽，在开展 模拟前，首先对混合澄清槽进行缩放和简化处理。模拟实验所采用的单级全逆流混合澄清槽结构示意图如图所示，由个混合室（，尺寸为 ）和左右个澄清室（水相澄清室，尺寸为 ；有机相澄清室，尺寸为 ）组合而成，其中级间挡板（）与底板直接接触，其上居中开有一个 的矩形上相口，隔板（）与底板的距离为，挡水板（），与板的距离为，下部两侧开有的小孔。混合室中搅拌桨为平叶四叶桨，轴直径为 ，桨叶尺寸为 原子能科学技术第 卷。划分的旋转域为直径 、高度 的圆柱形，包覆桨叶区域。网格划分首先将流体域划分为静态域和动态域（如图所示），并分别对其进行网格划分，最后对所划分网格进行合并，通过 进行数值传递。采用六面体网格划分可以平滑由于体积分数不连续导致的 处表面张力跳跃引起的离散误差，从而使计算结果更准确，因此本文采用六面体结构化网格划分，对局部进行加密，最终生成的网格质量在 以上，网格总数大于 万。为了减小网格数量对结果的影响，设计了组网格独立验证，分别是超精细（网格数量为 ）、精细（网格数量为 ）、中等（网格数量为 ）、粗（网格数量为 ）网格。分别在平面上高度 和 处对全槽区域的速度分布进行网格无关性分析，如图所示。可以发现，粗网格和中等网格的仿真结果与超精细网格的偏差较大，精细网格与超精细网格仿真结果接近。考虑计算速度和精度后，本文采用精细网格进行仿真。图静态域（）和旋转域（）网格划分 （）（）图不同网格数量下的速度分布 流体物性本研究主要针对槽内微观层面的流动形态，不涉及相间的萃取过程。采取纯水模拟水相，煤油模拟有机相，空气作为第三相来平衡液位以上压力，从而本模拟可以认为是气液液三相流体系，其物性参数如表所列。表模拟流体的物性参数 流体密度（）黏度（）相互作用参数空气 空气水，水 水煤油，煤油 空气煤油，数值模拟 数学模型）模型采用多相流模型 独立计算气液液三相间的动量方程，用体积分数对方程进行封闭，其连续方程和动量方程如式（）、（）所示：（）（）（）（）（）（）其中：为相的密度；为相的体积分数；为相的流动矢量；为压力；为重力加速度；为应力张量，（），为相的动力黏度；为相和相之间的相互作用力。增刊于婷等：全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究）相间作用力模型相间的作用力通常可分为曳力、升力和虚拟质量力。与曳力相比，升力和虚拟质量力相对较小，因此在计算中忽略不计，相间作用力的计算公式如式（）所示：（）（）其中：为粒子弛豫时间，；为界面面积浓度，为粒子直 径；为曳力函数，按式（）计算：（）其中，为曳力系数，在不同的模型中有着不同的表达形式。在本研究中，采用 模型，计算公式如式（）所示：（）烅烄烆 （）其中，表示相对雷诺数，按式（）计算：（）湍流模型针对混合室中的旋流问题，采用具有旋流修正、低雷诺数修正功能的 模型求解雷诺应力项。基本方程如式（）、（）所示：（）（）（），（）（）（）（，），（）其中：表示混合相；为湍动能；为湍流耗散率；为由平均速度梯度引起的湍动能生成项，按式（）计算：（）（）其中：和为方向和方向的速度；为有效黏度，按式（）计算：（）旋流修正公式如式（）所示：，（，）（）其中：为旋流 特 征 值，由 软 件 进 行 估计；为旋流常数，取值 ；、为模型常数，取值分别为 和 ；按式（）计算：（）（）其中：；按式（）计算：（）槡（）模拟设置旋转体处理模型为多重参考系 模型，压 力 速 度 耦 合 离 散 采 用 格式，采用最小二乘法进行迭代；计算压力采用 格式；压力、动量、速度、体积分数、湍动能、湍动能耗散率均采用 三阶离散格式，从而保证较高的精度。模拟计算涉及到多相流的相求解，设定体积分数松弛因子为 ，以 保 证 计 算 收 敛 的 稳 定 性 及精度。边界条件根据模拟对象与外界环境的界面设置模型的边界条件，主要针对有机相进出口和水相进出口。此外，混合澄清槽设备顶部与大气相通，槽上界面设置为带回流的空气出口。进口采用速度进口边界条件，出口采用压力出口边界条件，设置一定的负压，其他壁面采用无滑移壁面边界条件，设置的边界条件如表所列。结果分析计算残差收敛稳定后，进出口质量相对偏差低于时则认为槽内流动状态稳定。压力云图全逆流混合澄清槽在搅拌推动力和室间压力差作用下实现混合室内两相的混合及逆流运动，平面上的压力分布如图所示。为便于抽取残余有机相，右侧有机相出口设置为负压 。从图可观察到，左右两侧澄清室（、）内的压力分布非常均匀，说明澄清室内流体的移动速度非常低，原因是原子能科学技术第 卷表边界条件设置参数 位置类型速度压力湍流强度水力学直径有机相入口速度进口 水相入口速度进口 有机相出口压力出口 水相出口压力出口 槽上界面压力出口 默认默认其他壁面无滑移壁面搅拌产生的推动力作用在澄清室内已经衰减消失，主要是两相密度差影响流体速度。混合室内呈 型压力分布，因为在搅拌的作用下，混合室内的液位呈现 型分布，观察到搅拌桨正下方的压力最低，桨叶附近出现负压区域。图平面上 处的压力分布 混合室平面不同高度处的压力分布如图所示。从图 可知，在逆时针搅拌作用下，下相口处压力分布不均匀，液体在压差的作用下通过下相口进入混合室，同时也受到搅拌离心力的作用而被挤压出混合室。从图、可知，距离搅拌桨越近，搅拌所产生的抽吸作用越明显，负压区域主要集中在搅拌桨正下方区域，混合室四角区域压力逐渐增大。下相口以上的左侧区域压力分布均匀，因为挡水板降低了两相液体的速度，液体动压衰减，总压与静压接近，两相主要靠密度差分离。从图、可知，搅拌桨叶前产生正压区域，搅拌桨叶后产生负压区域，搅拌桨叶上部的负压更明显，因为在相同转速下，桨叶上部受到的静压更小而更容易产生空化现象。从图 可知，同一高度处，澄清室（有机相澄清室）内静压大于搅拌室，表明澄清室内液体是在差压作用下通过下相口进入混合室中。图还显示，混合室内任何高度下四角处均存在压力滞止的死区。相分布云图全逆流混合澄清槽 相分布云图如图所示，颜色越深表示该相在单位空间内的体积分数越高。选择水相作为主相，有机相和空气作为次相。图表明在混合室中会形成旋涡。图 揭示经过混合室搅拌后，澄清室中都夹带有一定程度的水相，计算过程中通过不断减小体积分数松弛因子可减小水相夹带量，但始终无法消除相夹带，分析原因为两相分离不彻底而导致的轻微相夹带，或为软件计算时由于选择水相作为主相，数值计算导致的计算误差。平面上 处的相分布云图如图所示。从图 可知，有机相进入后越过室间挡板流入混合室，在液位差的作用下流向搅拌轴，在搅拌作用下混合室内液体产生离心力，密度大的水相离心力较大，密度小的有机相离心力较小，稳定后会出现有机相包覆搅拌轴的现象，最后在桨叶离心作用下离开搅拌轴。混合相自下相口流出后，有机相在密度差作用下在澄清室（）内与水相分离，越过轻相堰挡板 后从有机相出口流出，所夹带的水相在相口处汇聚后被轻相带出，从云图梯度线可以看出，轻相堰挡板能明显提高澄清效果。从图 可知，水相越过挡水板后被吸入混合室，在负压抽吸作用下先到达搅拌桨正下方，然后进入搅拌桨叶区域，最后在离心力作用下与有机相混合后流向混合室壁面。由于混合室内呈现型液位，四周的高液位形成的静压力大于搅拌桨中心，从而驱动水相进入搅拌桨正下方。增刊于婷等：全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究图平面不同高度处的压力分布云图 图水相（）和有机相（）体积分数分布云图 （）（）图平面上 处有机相（）和水相（）体积分数云图 （）（）原子能科学技术第 卷 速度场云图全逆流混合澄清槽内混合室平面上不同高度处的速度场云图如图所示。从图可知，随着高度的增加，因搅拌桨叶边缘能产生最大的旋转速度，因此混合室内的液流速度也随之增加；同时旋转的能量随着液体扩散，并在混合室四角形成速度滞止区域，液体动能转换为静压，最终在混合室四角形成高压区域，这种速度死区不利于两相的混合，需通过优化槽结构设计来避免。混合室垂直方向的速度场云图如图 所示。混合室 型分布的液位导致壁面附近底部所受的压力更大，最终在底部壁面形成一个由外向内有压力差的速度场，并推动壁面附近的液体在搅拌桨正下方聚集。经过旋转桨叶离心后形成的混合相在撞击到壁面后会分成上下两个方向，向上的液流一部分抵消了壁面附近下沉的液流，从而形成布局旋涡速度场，向下的液流则加快推动液体向桨叶下方聚集。在旋转离心力的作用下，混合相通过下相口流出混合图平面上不同高度处速度场云图 图混合室垂直方向速度场云图 增刊于婷等：全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究室，在密度差的作用下有机相分离上浮进入澄清室澄清；越过上相口的混合相也在密度差的作用下分离，水相下沉流入澄清室澄清。湍动能云图混合室局部湍动能云图如图 所示。由图 可见，混合室中桨叶附近存在更大、更均匀的湍动能，湍流强度更大，表明混合室内液体流动的稳定性越差，混合效果反而越佳。对混合室内单位质量流体单位时间内损耗的湍流动能进行了表征，如图 所示。由图 可见，两相的混合与液滴的破碎与并聚主要发生在桨叶附近及混合室墙壁上。图混合室局部湍动能（）和局部湍动能耗散（）云图 （）（）结论与建议本文以后处理工业用全逆流混合澄清槽为模拟实验对象，采取 方法对单级槽内的液体在微观层面的流动状态进行研究，通过对模拟结果的分析与讨论，得出以下结论。）在搅拌作用下，混合室内液位分布呈型，桨叶前方呈正压，后方呈负压，桨叶上部叶后会出现空化现象，且四角方向会出现压力滞止死区。）混合室内有机相会产生围绕搅拌轴的包覆层，水相主要从桨叶正下方吸入后与有机相在桨叶区域进行混合。因此后续可以改变桨叶结构，加强进入混合室后有机相液滴破碎的过程，减少有机相在混合室内的团聚概率。）混合室内存在多个局部速度旋涡场，桨叶下部是四周液体向桨叶正下方汇集，桨叶上部则是先向上后向旋转轴汇集，上相口的尺寸对混合室内液体影响较明显。因此后续设计要加强对上相口位置和尺寸的研究，减小上相口对桨叶上部区域内两相混合的影响。）两相的混合与液滴的破碎与并聚主要发生在桨叶处及混合室附近壁面上，桨叶与混合室的结构位置对液滴的破碎与并聚有显著影响。）采用 多相流模拟时会因为软件计算产生一定程度的离散误差，减小体积分数松弛因子可以减小误差，但无法避免，在兼顾计算效率时可设置气相为主相来减小误差。全逆流混合澄清槽能通过搅拌产生的离心力来高效地实现两相的混合与分离，模拟结果表明，混合室内存在滞止死区，且挡水板高度对下相口出口混合相的分离有显著影响，后续可通过改进混合室和挡水板的结构尺寸，采用 模拟的方式进一步研究并优化全逆流混合澄清槽的设计。参考文献：付子忠，孙秋法，刘尚勇，等全逆流混合澄清器的研制与应用湿法冶金，（）：，（）：（）付子忠卧式机械搅拌混合澄清器简介与选择矿产综合利用，（）：侯伟强混合澄清器搅拌桨的优化设计湿法冶金，（）：原子能科学技术第 卷 ，（）：（）侯伟强，王库提高混合澄清器澄清效果的研究铀矿冶，（）：，（）：（）周雄军，逄启寿，王福辉稀土萃取混合槽的放大设计湿法冶金，（）：，（）：（）赵秋月，张廷安，刘燕，等搅拌对箱式混合澄清槽流动性能的影响东北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：（）徐旭升，武斌，陈葵，等混合澄清槽优化桨叶形式的数值模拟湿法冶金，（）：，（）：（）汤祺，鲍迪，邵少雄，等混合澄清槽内离子液体体系的 三 相 流 体 动 力 学 模 拟 化 工 进 展，（）：，（）：（）叶思施，唐巧，王运东混合澄清槽澄清室内流场特性测量化工学报，（）：，（）：（），：蓝敏乐，谭博仁，许东兵，等管型混合澄清槽内的液液两相流的数值模拟化工学报，（）：，（）：（）刘作华，唐巧，王运东，等刚柔组合搅拌桨增强混合澄清槽内流体宏观不稳定性化工学报，（）：，（）：（），（）：，：，：，：，：，：，（），（）：增刊于婷等：全逆流混合澄清槽中萃取体系料液流场 模拟研究