阮 飛，武茹明，楊文成，付曉晨，包金小，徐鵬飛

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081)

稀土萃取分離是利用不同稀土元素在萃取體系中的水相和有機(jī)相中的分配比不同，將水相中一種或多種稀土元素轉(zhuǎn)移到有機(jī)相，從而實(shí)現(xiàn)稀土元素的分離[1]。稀土萃取分離具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、分離效果好、處理批量大、產(chǎn)品收率高及產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前稀土冶金領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的濕法處理工藝之一[1-2]。

稀土萃取分離常采用的萃取槽有離心式萃取槽、塔式萃取槽和混合澄清萃取槽，其中，應(yīng)用較為廣泛的是混合澄清萃取槽?；旌铣吻遢腿〔塾卸嗉?jí)，每級(jí)均由混合室和澄清室組成?；旌鲜业淖饔檬鞘顾嗪陀袡C(jī)相充分接觸并混合，澄清室的作用是對(duì)混合后的水相和有機(jī)相進(jìn)行靜置處理，實(shí)現(xiàn)稀土元素分離。

為了提高混合萃取效率，混合室內(nèi)部一般設(shè)有不同結(jié)構(gòu)攪拌器，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流加快傳輸過(guò)程，因此，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，混合室屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械攪拌式反應(yīng)器，其內(nèi)部流體在攪拌葉片作用下以強(qiáng)紊流方式流動(dòng)。混合室內(nèi)攪拌葉片的結(jié)構(gòu)及空間布置對(duì)混合室內(nèi)流體傳輸影響顯著[3-7]。目前的研究主要側(cè)重于對(duì)不同結(jié)構(gòu)萃取槽內(nèi)流體傳輸性能的定性分析，對(duì)于萃取槽內(nèi)流體流動(dòng)的定量分析(包

括流體混勻時(shí)間、低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)、流體湍動(dòng)能分布、流體流速分布等)方面的研究較少。本試驗(yàn)采用數(shù)值模擬法對(duì)比研究了自行設(shè)計(jì)的具有直葉片和斜葉片攪拌器的稀土萃取槽混合室內(nèi)流體傳輸性能，以期為稀土混合澄清萃取槽的研究和設(shè)計(jì)提供一定參考信息。

1 模擬方法

1.1 萃取槽的幾何模型

圖1為簡(jiǎn)化的稀土萃取槽3D幾何模型示意。

本研究主要對(duì)比直葉片和斜葉片攪拌器混合室內(nèi)的混合特性，因此模擬區(qū)域只包含50 cm×50 cm×60 cm混合室，其底部有φ=7 cm的出口，攪拌葉片為單層直葉片或斜葉片。直葉片與Z軸方向平行，而斜葉片與Z軸方向有10°夾角。2種葉片厚度均為10 mm，攪拌頭有效高度均為95 mm。正常工作時(shí)，攪拌葉片速度均為150 r/min，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

1.2 流體傳輸控制方程

模擬計(jì)算中涉及的基本流體傳輸控制方程包括連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、K-ε雙方程及質(zhì)量傳遞方程[8]。

1.3 研究方案

具體研究方案見(jiàn)表1。主要研究采用2種不同攪拌葉片時(shí)，在5種不同攪拌器安裝高度(攪拌器葉片底部距混合室底部的距離，以h表示，如圖1所示)下混合室內(nèi)流體的傳輸性能。

表1 研究方案

注：S代表直葉片；I代表斜葉片。

1.4 模擬方法及主要參數(shù)

利用前處理軟件Gambit建立萃取槽3D幾何模型，并為萃取槽槽體和攪拌器分別劃分13 mm和8 mm的體網(wǎng)格，再指定邊界條件類型及計(jì)算區(qū)域類型后輸出網(wǎng)格文件。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，選擇控制方程，設(shè)置邊界條件。其中，攪拌器沿順時(shí)針?lè)较蛞?50 r/min速度轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌器在萃取槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的1個(gè)圓柱面和2個(gè)圓面定義為Interface面。設(shè)置流體物性：有機(jī)萃取劑密度ρ=950 kg/m3，黏度μ=3.3×10-3Pa·s；水相ρ=998 kg/m3，μ=1.0×10-3Pa·s。求解過(guò)程中，考慮重力作用，取重力加速度gZ=9.8 m/s2，方向沿Z軸正向。采用Simple算法求解流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，各控制方程收斂條件為殘差eps<10-3。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 流體流速分布對(duì)比

為比較不同葉片萃取槽內(nèi)流速分布，在萃取槽二分之一高度處沿X軸方向取一條線段，起點(diǎn)坐標(biāo)為(-0.25，0，-0.3)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(0.25,0,-0.3)。該線段上流體的Z速度分量如圖2所示(以S-3和I-3方案為例)，h=250 mm。

圖2 萃取槽內(nèi)X軸方向上Z速度分布曲線

由圖2看出：直葉片攪拌器萃取槽內(nèi)沿X軸方向上Z速度分量較小，且變化幅度不大；而斜葉片攪拌器萃取槽內(nèi)沿X軸方向上具有較大的Z速度分量，且變化幅度明顯較大，特別是在靠近葉片區(qū)域內(nèi)，具有非常大的Z速度分量，這主要是由斜葉片攪拌器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。而萃取槽內(nèi)具有較大的Z速度分量有利于促進(jìn)萃取體系在Z軸方向上的傳質(zhì)，從而提高萃取槽內(nèi)流體的整體混合效率。

2.2 流體湍動(dòng)能分布對(duì)比

在萃取槽內(nèi)，以坐標(biāo)(0.19,0.19,-0.6)為起點(diǎn)、坐標(biāo)(0.19,0.19,0)為終點(diǎn)取一條線段，讀取該線段上各點(diǎn)湍動(dòng)能值，對(duì)比不同攪拌葉片萃取槽內(nèi)沿Z軸方向上的流體湍動(dòng)能(K)分布規(guī)律。該線段上湍動(dòng)能分布如圖3所示(以S-4和I-4方案為例)，h=350 mm。

圖3 萃取槽Z軸方向上湍動(dòng)能分布曲線

由圖3看出：其他條件相同時(shí)，采用直葉片或斜葉片攪拌器的萃取槽內(nèi)沿Z軸方向上的湍動(dòng)能分布曲線具有類似規(guī)律，在葉片高度范圍內(nèi)(圖3曲線中間部分)流體湍動(dòng)能值均較高；而遠(yuǎn)離此高度范圍的流體湍動(dòng)能均存在不同程度衰減。進(jìn)一步對(duì)比二者湍動(dòng)能數(shù)值發(fā)現(xiàn)，采用斜葉片攪拌器，流體湍動(dòng)能明顯大于采用直葉片攪拌器的流體湍動(dòng)能。由此可見(jiàn)，采用斜葉片攪拌器萃取槽內(nèi)Z軸方向上流體流動(dòng)活躍，有利于萃取過(guò)程中水相和有機(jī)相的充分混合。

2.3 低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)(φd)是評(píng)價(jià)各類冶金反應(yīng)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型用于描述稀土萃取槽內(nèi)的低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。針對(duì)稀土萃取槽內(nèi)的實(shí)際流體流動(dòng)特點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，試驗(yàn)取萃取槽中流體平均流速的1/1 000為臨界流速[10]，萃取槽內(nèi)低于此流速的流體所占體積分?jǐn)?shù)即為低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。不同方案下稀土萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 各方案萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)

由圖4看出：采用直葉片攪拌器，各方案下萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)在1.303%～5.566%之間；而采用斜葉片攪拌器，各方案下萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)介于0.973%～7.723%之間。

對(duì)比S-1和I-1方案看出，采用直葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)明顯低于采用斜葉片攪拌器的萃取槽內(nèi)低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)，這主要是S-1和I-1方案中，葉片安裝高度較低、距萃取槽底部壁面較近，斜葉片產(chǎn)生的較大的Z速度分量受底部壁面的限制而無(wú)法發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)造成的。可見(jiàn)，采用斜葉片時(shí)，葉片安裝不宜太靠近萃取槽底部，安裝高度應(yīng)大于萃取槽總高度的1/12。

對(duì)比其他方案看出，采用斜葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)均小于采用直葉片攪拌器萃取槽內(nèi)低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)。因此，總體上來(lái)說(shuō)，采用斜葉片攪拌器，萃取槽的低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)較低，有效混合體積較高，萃取槽內(nèi)流體流動(dòng)活躍，有利于萃取槽內(nèi)動(dòng)能和質(zhì)量傳輸。

2.4 流體混勻時(shí)間對(duì)比

利用組分輸運(yùn)模型進(jìn)行模擬，萃取槽內(nèi)A(-0.2,0,-0.25)、B(-0.2,0,-0.25)、C(-0.2,0,-0.25)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的流體混勻時(shí)間(tm)如圖5所示[10]。

圖5 各方案不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的混勻時(shí)間

由圖5看出：采用不同攪拌葉片時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的混勻時(shí)間不同，其中采用直葉片攪拌器，各方案下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間為：A點(diǎn)，32.5～37.9 s；B點(diǎn)，26.9～34.5 s；C點(diǎn)，18.1～24.3 s。而采用斜葉片攪拌器時(shí)，各方案下監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的混勻時(shí)間為：A點(diǎn)，26.2～29.4 s;B點(diǎn)，20～25.5 s;C點(diǎn)，16.9～21.3 s。由此可見(jiàn)，采用斜葉片攪拌器，萃取槽內(nèi)流體混勻時(shí)間明顯低于采用直葉片時(shí)的混勻時(shí)間，說(shuō)明采用斜葉片有利于提高萃取槽混合性能。

3 結(jié)論

采用斜葉片攪拌器的稀土萃取槽內(nèi)沿X軸方向上Z速度分量較大，且變化幅度明顯大于直葉片攪拌器萃取槽；沿Z軸方向上的流體湍動(dòng)能明顯大于直葉片攪拌器萃取槽的流體湍動(dòng)能。

采用直葉片攪拌器稀土萃取槽內(nèi)流體低速區(qū)體積分?jǐn)?shù)在1.303%～5.566%之間，采用斜葉片攪拌器稀土萃取槽低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)介于0.973%～7.723%之間，斜葉片攪拌器稀土萃取槽低速區(qū)流體體積分?jǐn)?shù)總體較低。斜葉片攪拌器的安裝高度應(yīng)大于萃取槽總高度的1/12。

直葉片攪拌器稀土萃取槽內(nèi)流體混勻時(shí)間明顯大于斜葉片攪拌器稀土萃取槽，采用斜葉片攪拌器更有利于提高混合效率。