馬婷婷，孫津生，王運(yùn)東

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；2清華大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

稀土元素及其氧化物，具有獨(dú)特的磁光電等性質(zhì)，在冶金、化工、電子工業(yè)、核工業(yè)、陶瓷、玻璃、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥方面都有廣泛的應(yīng)用[1-3]，能夠明顯提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，有著 “工業(yè)維生素”的美譽(yù)，在當(dāng)今高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中更是不可替代的戰(zhàn)略資源。目前，稀土資源的深度開發(fā)利用及儲(chǔ)備，已成為世界各國稀土行業(yè)競爭的目標(biāo)。

混合澄清槽是最早使用且廣泛應(yīng)用于稀土分離工業(yè)中的逐級(jí)接觸式萃取設(shè)備，具有級(jí)效率高、操作適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、易放大等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)主要由混合室和澄清室兩部分組成，見圖 1。在多級(jí)混合澄清槽結(jié)構(gòu)中，油水兩相呈逆流流動(dòng)。水相由次一級(jí)澄清室進(jìn)入混合室，而有機(jī)相由上一級(jí)澄清室流入混合室，在攪拌槳的作用下，兩相進(jìn)行充分地接觸并傳質(zhì)。然后，混合相經(jīng)混合相出口進(jìn)入澄清室，在重力的作用下，完成傳質(zhì)與分相[2]。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）具有區(qū)別于理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不會(huì)受到模型尺寸、測(cè)量精度、流場(chǎng)擾動(dòng)、苛刻實(shí)驗(yàn)條件等的限制，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于湍流流場(chǎng)的計(jì)算[4-6]。近年來，學(xué)者們開始采用這一技術(shù)對(duì)混合澄清槽內(nèi)流體力學(xué)特性進(jìn)行研究。與此同時(shí)，大量液-液兩相實(shí)驗(yàn)研究也不斷加深了對(duì)混合澄清槽混合澄清機(jī)理的探討。

圖1 箱式混合澄清槽結(jié)構(gòu)簡圖

本文主要對(duì)近年來混合澄清槽的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行綜述，介紹了當(dāng)前應(yīng)用較多的幾種用于混合澄清槽模擬的數(shù)值模型，分析了不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。同時(shí)，結(jié)合近年來對(duì)連續(xù)型混合澄清槽性能的研究，重點(diǎn)分析了抽吸性能、混合特性和澄清特性三大主要性能指標(biāo)的研究結(jié)果，對(duì)影響其性能的各結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件進(jìn)行了總結(jié)與評(píng)述。

1 計(jì)算流體力學(xué)模型

模型方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著決定性作用，計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬最首要的就是建立控制方程，選擇模型方法。結(jié)合混合澄清槽液液兩相接觸的特性，建立該設(shè)備模型需要選擇多相流模型及湍流模型。另外，混合室為攪拌混合過程，還要考慮攪拌槳建模方法。下文將對(duì)這些計(jì)算流體力學(xué)模型逐一介紹。

1.1 多相流模型

多相流模擬目前有兩種方法，即Euler-Lagrange法和Euler-Euler法。由于Euler-Lagrange法不適合液-液混合物和分散相含率較高情況的計(jì)算，故液-液兩相的模擬多使用Euler-Euler法計(jì)算兩相間的流動(dòng)和傳質(zhì)。計(jì)算流體力學(xué)軟件基于Euler-Euler法提供了3種多相流模型：VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型，即VOF模型是通過單獨(dú)求解動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的容積比來模擬2種或3種不能混合的液體。Mixture模型是一種簡化的多相流模型，主要用于模擬各相有不同速度的多相流，如沉降、氣旋分離器等[7]。

目前，Eulerian模型應(yīng)用較為廣泛，可以模擬多相分離流及相互作用的相，相可以是液體、氣體或固體。在液-液兩相計(jì)算流體力學(xué)研究中，Eulerian-Eulerian兩相流模型使用最多，能夠滿足大多數(shù)計(jì)算要求。且該模型在溶劑萃取過程也有比較成功的應(yīng)用，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好[8]。

1.2 湍流模型

湍流模型的選取對(duì)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性有很大的影響。標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型因具有良好的收斂性而被廣泛使用，但其各向同性的假設(shè)并不能用于強(qiáng)旋流流場(chǎng)的計(jì)算[9]。為彌補(bǔ)其缺陷，隨后提出了修正的RNG k-ε模型和 Realizable k-ε模型，應(yīng)用也較為廣泛。

對(duì)于帶有攪拌的過程，攪拌槳區(qū)流體的流動(dòng)是各向異性的，因此可以選擇考慮各向異性的Reynolds應(yīng)力方程模型（RSM）和代數(shù)應(yīng)力方程模型（ASM），但是這兩種模型計(jì)算時(shí)經(jīng)常不易收斂[10]。在此基礎(chǔ)上，Wallin和Johansson改良的顯式代數(shù)應(yīng)力方程模型（EASM）克服了這一弱點(diǎn)，能夠很好地計(jì)算流體的流動(dòng)，其計(jì)算結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更準(zhǔn)確[11-12]。

從當(dāng)前計(jì)算精度要求來看，k-ε湍流模型基本可以滿足要求，能夠提供比較合理的計(jì)算結(jié)果，但從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，探索新模型并提高計(jì)算精度將是計(jì)算流體力學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1.3 攪拌槳建模方法

對(duì)于帶有攪拌的過程，轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌槳與靜止擋板間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及攪拌槳自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)都增加了流場(chǎng)的計(jì)算難度。因此，在攪拌槳模擬與建模方面，前人作了大量的探索，通常有黑箱模型法、內(nèi)外迭代法、多參考系模型法和滑移網(wǎng)格法[13-15]。黑箱模型法因需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為邊界條件，其計(jì)算準(zhǔn)確性也受實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的限制，已經(jīng)很少使用；內(nèi)外迭代法也因計(jì)算不夠準(zhǔn)確而未得到廣泛應(yīng)用。多參考系模型法和滑移網(wǎng)格法是目前使用最多也較為準(zhǔn)確的方法，下文作詳細(xì)介紹。

（1）多參考系模型 多參考系模型是一種擬穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分成兩個(gè)內(nèi)外互不重合的子區(qū)域，內(nèi)部區(qū)域隨攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)，外部區(qū)域連同擋板是靜止的。對(duì)這兩個(gè)區(qū)域采用不同參考系，外部區(qū)域以實(shí)驗(yàn)室為參考系，流速相對(duì)較低，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程采用絕對(duì)速度形式求解；內(nèi)部區(qū)域以攪拌槳為參考系，計(jì)算方程采用相對(duì)速度形式求解。該方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)攪拌槳區(qū)域進(jìn)行直接計(jì)算，不需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為邊界條件即可進(jìn)行比較準(zhǔn)確的流場(chǎng)計(jì)算，但不能用于攪拌槳和擋板相互作用較強(qiáng)的情況。

（2）滑移網(wǎng)格法 滑移網(wǎng)格方法是一種瞬態(tài)的計(jì)算方法，可在每個(gè)時(shí)間步長求解非線性，提高了計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。與多參考系方法相同，兩者都不需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都是將整個(gè)流場(chǎng)分成互不重疊的兩個(gè)子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都進(jìn)行獨(dú)立網(wǎng)格劃分。對(duì)于參考系的選取也是一樣，唯一不同的是，滑移網(wǎng)格法計(jì)算時(shí)攪拌槳區(qū)域的網(wǎng)格是轉(zhuǎn)動(dòng)的，而且對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求非常高，尤其是內(nèi)外區(qū)域交界面處的網(wǎng)格，而多參考系模型中攪拌槳相對(duì)于擋板的位置是靜止不動(dòng)的。

針對(duì)上述模型方法，許多研究對(duì)兩者計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)滑移網(wǎng)格法模擬結(jié)果更準(zhǔn)確[16-17]。但多參考系模型相對(duì)于滑移網(wǎng)格法計(jì)算量要小很多，也具有一定優(yōu)勢(shì)。

此外，隨著計(jì)算機(jī)硬件條件的提高，大渦模擬的研究和應(yīng)用越來越多，研究表明大渦模擬對(duì)流場(chǎng)的平均速度和湍流流動(dòng)能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)[18-20]，此方法在混合澄清槽CFD研究中也已經(jīng)有所應(yīng)用。

2 混合澄清槽性能

混合澄清槽的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和萃取技術(shù)都在不斷改進(jìn)，有效控制相的連續(xù)性、提高混合傳質(zhì)效率、增加澄清速度、減少澄清面積及有機(jī)相夾帶一直都是致力于研究和改善的目標(biāo)。因此，概括起來，各因素對(duì)連續(xù)型混合澄清槽性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)抽吸性能、混合特性和澄清特性3個(gè)方面的影響。下文將從這3個(gè)方面綜述混合澄清槽在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方面的研究成果。

2.1 抽吸性能

抽吸性能是指由于攪拌槳旋轉(zhuǎn)形成低壓區(qū)而對(duì)上一級(jí)或者下一級(jí)澄清室重相的抽吸能力，是影響混合澄清槽處理物料能力的關(guān)鍵指標(biāo)，因此混合澄清槽的抽吸能力研究備受關(guān)注。

影響攪拌槳抽吸性能的主要因素有攪拌轉(zhuǎn)速、槳徑、安裝高度等因素，而攪拌槳也因此分為槳葉式和泵式兩大類[2]，泵式攪拌槳除了提供混合作用外，還能加大抽吸能力，增加液流流量，同時(shí)減少了級(jí)間輸送泵的需求，其相應(yīng)的混合室也被稱為泵混合室。Singh等[21-22]首次對(duì)連續(xù)流動(dòng)操作的圓柱形泵混合室（圖2）進(jìn)行CFD模擬，并且首次以抽吸壓頭的概念量化攪拌槳的抽吸性能并提出計(jì)算方法，即攪拌槳的抽吸壓頭由攪拌槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)出口壓差與攪拌槳靜止時(shí)進(jìn)出口壓差的差值進(jìn)行計(jì)算。研究中發(fā)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)如槳葉寬度、槳葉數(shù)量、攪拌槳轉(zhuǎn)速、槳安裝位置與槽底的間隙、攪拌槳直徑等都對(duì)攪拌槳抽吸性能都有重大影響，隨著槳葉寬度、槳葉數(shù)量、攪拌轉(zhuǎn)速及攪拌槳直徑的增加，功率消耗和抽吸壓頭都將增加；而隨著攪拌槳安裝位置與槽底間隙的增加，功率消耗增加，抽吸壓頭減小。即攪拌槳安裝高度越低，抽吸力越強(qiáng)。但是并不是攪拌槳安裝高度越低越好，若攪拌槳安裝高度過度降低將導(dǎo)致混合室內(nèi)整體混合效果變差，因此，需要綜合兩方面的因素對(duì)攪拌槳的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化。Tabib等[23-24]首次將大渦模擬方法應(yīng)用到對(duì)混合澄清槽的研究，當(dāng)R320槳距槽底間隙為5 mm時(shí)，能產(chǎn)生較好的液滴，同時(shí)這一結(jié)論也很大程度地保證了攪拌槳的抽吸力。

除上述因素外，攪拌槳的類型對(duì)抽吸性能的影響也尤為重要。不同類型的攪拌槳能使混合室內(nèi)呈現(xiàn)出不同流型，且抽吸能力也大相徑庭。Srilatha等[25]對(duì)直葉槳、上推式斜葉槳和翼形軸流槳3種槳型進(jìn)行研究，擋板和攪拌槳的相互作用采用多參考系模型進(jìn)行計(jì)算，湍流模型選擇適用性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，發(fā)現(xiàn)上推式斜葉槳和翼形軸流槳的抽吸壓頭比直葉槳大。Singh等[26]以相同輸入功率條件為比較基礎(chǔ)，對(duì)7種不同槳型攪拌槳的抽吸壓頭進(jìn)行計(jì)算，并作出全面對(duì)比分析（表1）。發(fā)現(xiàn)BSTRTB槳能夠在較低功率消耗的情況下提供最大的抽吸壓頭，并對(duì)其原因作了嘗試性分析，認(rèn)為抽吸壓頭與攪拌槳所產(chǎn)生的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，這一結(jié)論對(duì)更有效開發(fā)新型泵式攪拌槳有著重要的指導(dǎo)意義。

抽吸性能的研究主要是從單相流動(dòng)角度出發(fā)，因?yàn)檫@便于量化計(jì)算，在實(shí)際兩相系統(tǒng)中也可以通過參數(shù)近似的方法進(jìn)行處理?？傮w而言，這方面的研究已經(jīng)比較系統(tǒng)全面，通過建立相應(yīng)模型預(yù)測(cè)某種攪拌槳抽吸能力的計(jì)算流體力學(xué)方法也比較成熟。

圖2 泵混合室結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 混合特性

混合特性反映了混合室的混合效率，直接影響著澄清室內(nèi)液-液兩相的分離效果和整個(gè)過程的萃取效率?；旌蠒r(shí)間和液滴尺寸分布都是表征混合特性的重要參數(shù)，下文將從這兩方面進(jìn)行介紹。

2.2.1 混合時(shí)間

表1 不同槳型攪拌槳抽吸性能的比較[26]

混合時(shí)間是評(píng)價(jià)混合過程的一個(gè)重要指標(biāo)，也是混合室設(shè)計(jì)、放大和優(yōu)化的最關(guān)鍵的參數(shù)之一。目前，混合時(shí)間的測(cè)定大多集中在攪拌槽的研究。影響混合時(shí)間的因素有很多，如攪拌轉(zhuǎn)速、槳安裝高度、相含率、黏度等。研究表明，隨著攪拌槳距離槽底的間隙減小，混合時(shí)間縮短[27]；連續(xù)相混合時(shí)間隨著分散相液滴黏度的增加而增加，隨著分散相含率的增加先減小后增加，同時(shí)也反映著兩相間相互作用非常復(fù)雜[28]。此外，示蹤劑的加入位置和濃度監(jiān)測(cè)位置對(duì)會(huì)影響混合時(shí)間的大小，且當(dāng)示蹤劑從槳葉區(qū)加入時(shí)，混合時(shí)間最短[29]。

一般混合時(shí)間越短，所需要輸入的功率就越大。為了同時(shí)考慮到操作的經(jīng)濟(jì)性，江西理工大學(xué)龔姚騰等[30]以單位體積混合能（wr=Prθm）來表示混合效率，對(duì)液-液兩相體系中兩種不同槳型攪拌槳進(jìn)行研究，其中無機(jī)相為水，有機(jī)相為酸性磷酸型萃取劑P507。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同轉(zhuǎn)速下四直葉渦輪攪拌槳的混合能比 45 ℃四折葉渦輪攪拌槳大；從混合時(shí)間看，四直葉渦輪攪拌槳徑向流作用明顯，混合時(shí)間短，有利于混合，但是效率消耗大；45 ℃四折葉渦輪攪拌槳混合時(shí)間長，攪拌效果稍差，但能耗低。但若能滿足物料整體混合要求，選擇 45 ℃四折葉渦輪攪拌槳更為經(jīng)濟(jì)。因此，需要針對(duì)不同的情況選擇合適的槳型。

總體而言，混合澄清槽混合時(shí)間的研究與攪拌槽類似，且與攪拌槽混合時(shí)間相關(guān)的模擬和數(shù)值研究均已比較成熟，這些方法和理論都可以應(yīng)用于混合澄清槽混合時(shí)間的研究。

2.2.2 液滴尺寸分布

液滴尺寸分布是液-液兩相體系最重要的特征之一，液滴演變過程決定著設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)效率和化學(xué)反應(yīng)速率[31-32]。在混合室內(nèi)，兩相的混合與接觸是由攪拌槳所產(chǎn)生的液滴尺寸分布所決定。理想情況下，液滴尺寸分布越窄越好，即需要保證混合室內(nèi)不同位置的液滴大小基本相同。液滴尺寸分布是兩個(gè)相反過程作用的結(jié)果，即液滴破碎過程和液滴聚并過程。影響液滴尺寸分布的因素更是錯(cuò)綜復(fù)雜，要得到準(zhǔn)確液滴破碎和聚并的信息并不容易。

液滴破碎與能量耗散率有關(guān)，是漩渦與液滴相互作用所引起的，液滴聚并與液滴碰撞率有關(guān)。而能量耗散率在實(shí)驗(yàn)過程中是很難測(cè)量的，因此需要借助計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬獲得這一重要信息。Srilatha等[33-34]對(duì)不同操作條件下泵混合室內(nèi)液滴尺寸分布進(jìn)行了研究，討論了槳型（單層葉輪及多層葉輪攪拌槳結(jié)構(gòu)）、攪拌槳轉(zhuǎn)速、循環(huán)量以及界面張力的影響，分別以水-TBP低界面張力和水-二甲苯高界面張力兩種體系作為研究對(duì)象，其中水相均為分散相。采用CFD計(jì)算獲得混合室內(nèi)流體力學(xué)數(shù)據(jù)如能量耗散率等，然后通過種群平衡模型將流體力學(xué)與液滴尺寸關(guān)聯(lián)，對(duì)液滴尺寸分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)相同操作條件下，水-二甲苯體系的液滴平均直徑D32要大于水-TBP體系；雙層葉輪攪拌槳所產(chǎn)生的液滴尺寸比單層葉輪攪拌槳大，且分布更加均勻；能量耗散率越大，液滴平均尺寸越?。浑S循環(huán)流量的增加，液滴平均尺寸基本不變，但可以改善混合室內(nèi)不同位置液滴尺寸分布的均勻程度。

從上述結(jié)論中可知，為了得到理想的液滴尺寸分布，應(yīng)該使混合室內(nèi)能量耗散率分布均勻，同時(shí)增大循環(huán)流量。在很多情況下液滴聚并過程基本不出現(xiàn)，因此以水-二甲苯高界面張力體系在分散相含率很低的情況下，模擬無聚并過程，按能量耗散率的差異將槽體分成8個(gè)不同的區(qū)域，循環(huán)流量對(duì)液滴尺寸的敏感性分析見圖3及表2所示。隨著循環(huán)流量的不斷增加，當(dāng)增至5倍流量時(shí)，整個(gè)混合室內(nèi)不同區(qū)域液滴平均直徑在72～80 μm，基本達(dá)到理想液滴分布狀態(tài)。這為改善混合澄清槽內(nèi)液滴尺寸分布及提高萃取過程傳質(zhì)效率提供了非常重要的理論指導(dǎo)。

表2 混合室不同劃分區(qū)域Sauter平均直徑（水-二甲苯體系低相含率情況下循環(huán)量的敏感性分析）[33]

圖3 水-二甲苯體系循環(huán)流量對(duì)液滴尺寸的敏感性分析[33]

表面活性劑是影響液滴尺寸分布的另一重要因素，對(duì)于液-液兩相體系，界面性質(zhì)控制著整個(gè)萃取過程的流體力學(xué)行為。若表面活性稍微有所增加，都引起界面張力大幅度降低，液滴越易破碎，液滴尺寸越小。因此，表面活性劑的選擇及其加入濃度對(duì)于萃取過程的液滴尺寸和傳質(zhì)有著重要的影響。Khakpay等[35]在帶有螺旋槳攪拌連續(xù)流動(dòng)混合澄清槽內(nèi)研究了苯胺作為表面活性劑對(duì)甲苯-水兩相體系中分散相平均液滴直徑D32的影響，其中甲苯為分散相，水為連續(xù)相，發(fā)現(xiàn)當(dāng)苯胺濃度小于0.003%時(shí)，液滴尺寸會(huì)隨著苯胺濃度的增加而急劇下降，這是由于界面張力降低，液滴聚并速率被降低所致。而當(dāng)苯胺濃度大于0.005%時(shí)，隨苯胺濃度的增加，液滴尺寸基本不變，即高表面活性劑濃度時(shí)，液滴不再聚并。在其他條件一定的情況下，苯胺的加入降低了液滴直徑隨攪拌轉(zhuǎn)速增加而減小的速度，同時(shí)也降低了液滴直徑隨相含率增加而增大的速度，即苯胺使液滴直徑傾向于中間值。同時(shí)，首次為帶有螺旋槳攪拌的情況提出液滴尺寸的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，見方程式（1）和式（2）。

不加苯胺時(shí)，液滴尺寸關(guān)聯(lián)式為

停留時(shí)間也是液滴尺寸分布的重要影響因素，但由于影響液滴尺寸分布的因素眾多，將停留時(shí)間與液滴尺寸分布關(guān)聯(lián)起來的研究并不多見。Singh等[36]對(duì)水相為分散相的油水體系進(jìn)行研究，其中水相為濃度 30%磷酸溶液，有機(jī)相為正鏈烷烴、D2EHPA和TBP的混合物，測(cè)量了分散相液滴尺寸，并發(fā)現(xiàn)其液滴尺寸分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，見圖4。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，得到Sauter平均直徑D32關(guān)于攪拌槳轉(zhuǎn)速、進(jìn)料相比和平均停留時(shí)間τ的關(guān)聯(lián)式，見方程式（3）。此關(guān)聯(lián)式表明，液滴直徑隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速增加而減小，隨著進(jìn)料相含率的增加而增大。此實(shí)驗(yàn)是在連續(xù)流動(dòng)的操作條件下進(jìn)行的，而前人進(jìn)行相同研究時(shí)往往是在間歇條件下進(jìn)行的，所以，此關(guān)聯(lián)式的提出更適合于混合澄清槽連續(xù)操作實(shí)際情況下液滴尺寸的估計(jì)。

式中，D為攪拌槳直徑；WeI為攪拌槳韋伯?dāng)?shù)，φ為分散相相含率，τ為平均停留時(shí)間。

黏度對(duì)液滴尺寸分布也有一定影響，Khakpay等[37]分別測(cè)定了帶螺旋槳攪拌的臥式混合澄清槽內(nèi)乙酸丁酯-水體系和煤油-水體系中分散相液滴尺寸分布狀況，除了考察攪拌速率、相含率、槳葉尺寸、表面張力等參數(shù)對(duì)液滴平均直徑的影響，還討論了水相密度和黏度的影響，并回歸了帶有黏度 V的液滴Sauter平均直徑D32經(jīng)驗(yàn)方程式，見方程式（4）。但由于攪拌槳槳型對(duì)液滴尺寸的影響非常大，所以該關(guān)聯(lián)式只能為帶螺旋槳攪拌且化學(xué)性質(zhì)相似的體系提供了準(zhǔn)確的液滴尺寸估計(jì)。

圖4 實(shí)驗(yàn)與對(duì)數(shù)正態(tài)液滴尺寸分布的比較（Q 有機(jī)相=400 L/h，Q 水相=150 L/h，N=200 r/min）[36]

綜上，液滴尺寸分布是反映混合室混合效果的重要特征，影響其分布的因素眾多。若通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到通用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)工作量將相當(dāng)大，同時(shí)關(guān)聯(lián)式適用范圍也有一定要求。而將計(jì)算流體力學(xué)結(jié)合種群平衡模型預(yù)測(cè)液滴尺寸分布，能夠?qū)?shí)驗(yàn)中難以測(cè)得的能量耗散率等流體力學(xué)參數(shù)與液滴直徑關(guān)聯(lián)，但是此方法目前應(yīng)用到混合澄清槽的研究還比較少，且處理過程中作了大量的假設(shè)，還有待于進(jìn)一步完善。

2.3 澄清特性

澄清室在設(shè)備占地面積、物料和溶劑滯留量以及設(shè)備投資方面對(duì)于整個(gè)混合澄清槽而言都占有相當(dāng)大的比例，因此，加深對(duì)澄清過程的研究和澄清室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分必要的。

在連續(xù)澄清過程中，在澄清室內(nèi)輕、重相之間夾了一層明顯的分散區(qū)，常稱為分散帶。分散帶的寬度體現(xiàn)著澄清速率的快慢，分散度越窄，澄清速率越高，澄清效果越好。影響分散度寬度的影響因素有攪拌槳轉(zhuǎn)速、相流率比等，研究表明分散寬度和長度隨著分散相流量、連續(xù)相流量、攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增加[38]，這些因素都影響著分散相持液量以及澄清室中分散相的聚并和流動(dòng)。

萃取過程的操作溫度及萃取體系的黏度對(duì)澄清速率也有很大的影響。Shabani等[39]研究了溫度、黏度及密度對(duì)混合澄清槽中液-液兩相混合效果的影響，發(fā)現(xiàn)同一攪拌轉(zhuǎn)速下，隨著油水兩相密度差減小，混合效果越好，但當(dāng)油水兩相密度差小于10%時(shí)，兩相基本無法分離。隨著溫度的增加，液相黏度降低，混合效率提高，但當(dāng)溫度大于 40 ℃時(shí)，兩相很難分離。同時(shí)，過度攪拌也會(huì)增加兩相分離難度，致使所需澄清室體積急劇增大。這些結(jié)論為實(shí)際操作參數(shù)的控制提供了依據(jù)。

為了提高澄清速率，澄清室結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面也有一定研究。趙秋月等[40]在澄清室中使用攪拌槳慢攪拌，并對(duì)此新型結(jié)構(gòu)混合澄清槽進(jìn)行了計(jì)算，油水兩相采用 Eulerian-Eulerian兩相流模型，相間拖拽力采用Schiller-Naumann模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)澄清室?guī)嚢钑r(shí)，澄清室內(nèi)槳葉附近的混合帶明顯變窄，兩相分離的效果優(yōu)于傳統(tǒng)萃取槽澄清室內(nèi)不帶攪拌的情況。

總之，混合澄清槽澄清性能的研究還不是很充分，澄清室內(nèi)液滴破碎聚并行為的研究并不深入，相應(yīng)數(shù)值模擬方法及改進(jìn)澄清性能的研究都還有待增強(qiáng)。

3 結(jié) 語

混合澄清槽是稀土分離工業(yè)中重要的萃取設(shè)備，對(duì)其流體力學(xué)特性研究有著深遠(yuǎn)的意義。借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和實(shí)驗(yàn)研究手段，混合澄清槽的研究圍繞改善攪拌槳抽吸性能、混合特性和澄清特性三方面展開，逐漸趨向于更微觀特性如液滴尺寸分布、液滴分散聚并行為及表面活性劑的影響等方面的研究。

然而，計(jì)算流體力學(xué)在混合澄清槽方面的研究還需要進(jìn)一步完善，需要充分借助CFD優(yōu)勢(shì)來預(yù)測(cè)混合澄清槽內(nèi)隨時(shí)空變化的流體力學(xué)特性，劃分高精度的計(jì)算網(wǎng)格以及采用大渦模擬等先進(jìn)模擬技術(shù)，將CFD計(jì)算所得到的詳盡流體力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步應(yīng)用到種群平衡模型來求解液滴尺寸分布，通過這種方式將流體力學(xué)特性與液滴尺寸分布關(guān)聯(lián)起來，定性定量分析各因素對(duì)液滴尺寸分布的影響，指導(dǎo)實(shí)際萃取過程中攪拌轉(zhuǎn)數(shù)等操作條件的選取和新型混合澄清槽設(shè)備的設(shè)計(jì)，以提高傳質(zhì)和萃取效率。

此外，利用先進(jìn)的流體測(cè)量技術(shù)和流體力學(xué)計(jì)算方法，研究流動(dòng)與擴(kuò)散對(duì)稀土分離的強(qiáng)化機(jī)制，建立稀土萃取傳質(zhì)過程的模擬計(jì)算方法；研究新型稀土萃取裝置，包括塔式萃取設(shè)備、塔-槽結(jié)合式萃取設(shè)備、大相比萃取器、微萃取設(shè)備等，是近期稀土分離領(lǐng)域設(shè)備與過程強(qiáng)化的優(yōu)先發(fā)展方向。

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