葉思施，唐巧，王運(yùn)東

（1中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京100083；2 清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

引 言

稀土元素有元素周期表中鑭系15 種元素以及性質(zhì)相似的鈧和釔，共17種元素。稀土元素被稱為“維生素”，是重要的戰(zhàn)略資源。然而因其性質(zhì)相似，導(dǎo)致單一稀土元素分離困難[1]。稀土金屬的分離工藝涉及多種不同的技術(shù)，如分步結(jié)晶法、溶劑萃取法、離子交換法、萃取色層法、膜技術(shù)、微膠囊技術(shù)等[2-8]。溶劑萃取技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)稀土元素間分離的重要和主要方法[1,9-10]，而混合澄清槽是該過(guò)程應(yīng)用最為廣泛的萃取設(shè)備，其具有操作適應(yīng)性強(qiáng)、級(jí)數(shù)增減容易、設(shè)備操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。溶劑萃取中發(fā)生萃取反應(yīng)的兩相在混合槽中反應(yīng)完全后，必須經(jīng)過(guò)澄清分相才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的混合澄清過(guò)程。現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，澄清室存在分相效率低、試劑積液量大、占地面積大等不足，提高澄清室分相性能，減小澄清室體積可以大大改善工業(yè)生產(chǎn)成本投入[11]。

關(guān)于澄清室的實(shí)驗(yàn)測(cè)量早在20 世紀(jì)初就得到了國(guó)內(nèi)外研究者的重視。而目前研究流場(chǎng)的測(cè)量方法主要有激光多普勒測(cè)速（LDV）[12]、攝像法[13-14]以及粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）[15]等。2011 年，Salem等[16]采 用 彩 色 速 度 測(cè) 量（colour velocity measurement）方法對(duì)斜板澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還開(kāi)展停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算流體力學(xué)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)澄清室澄清性能進(jìn)行改善。2013 年，Mohanarangam 等[17]采用脈沖多普勒超聲波速度分析儀（ultrasonic velocity profiling,UVP）對(duì)溶劑萃取用澄清室開(kāi)展流場(chǎng)測(cè)量，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)澄清室進(jìn)行比較，指出其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為計(jì)算模擬提供數(shù)據(jù)支持。2014 年，Alonso 等[18]利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)城市污水澄清過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)圖，為評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)澄清室提供了較佳方案。2016 年，Lane 等[19]同樣采用安置在澄清室內(nèi)的超聲波剖面儀測(cè)量獲得了澄清室內(nèi)不同剖面的油相體積分?jǐn)?shù)分布，為澄清室優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。2017 年，徐培昇[20]基于全逆流混合澄清槽內(nèi)大流比的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了澄清室的相界面與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。

除了流場(chǎng)特性之外，也有研究者采用各種實(shí)驗(yàn)方法獲得澄清室內(nèi)澄清性能的其他表征參數(shù)。2011 年，Sadeghi 等[21]通過(guò)自制特殊長(zhǎng)管對(duì)澄清室內(nèi)進(jìn)行局部采樣，獲得了澄清室內(nèi)局部油相體積分?jǐn)?shù)分布情況。Rajeswari 課題組[22]則在2012 年采用光學(xué)原理，利用分散相在連續(xù)相中分散時(shí)，經(jīng)光照可以產(chǎn)生散射，再通過(guò)捕捉散射光將其散射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為電壓，可以從數(shù)值上觀察到混合分散時(shí)散射強(qiáng)烈以及分相后散射強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，繼而獲得體系分相時(shí)間，經(jīng)目測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差可控制在5%。張廷安課題組[23-24]更是創(chuàng)新性地采用紫外可見(jiàn)光分光光度法考察了不同操作條件以及不同設(shè)計(jì)下混合澄清槽內(nèi)水相夾帶量以衡量其澄清性能。黃焜課題組[25]于2017 年考察了水油相比對(duì)混合澄清槽的澄清室中分散帶厚度的影響，指出分相負(fù)荷重時(shí)，分散帶的厚度會(huì)變厚。

澄清室內(nèi)的分相過(guò)程強(qiáng)化是工業(yè)應(yīng)用的最終目標(biāo)。通過(guò)外加場(chǎng)，如外加電場(chǎng)可以改善混合澄清槽的夾帶現(xiàn)象[26-27]，改造澄清室結(jié)果也是強(qiáng)化分相性能的主要方式之一[28-29]。Lewis 等[30-31]在工業(yè)混合澄清槽的澄清室的進(jìn)料處安置帶有水平翼板的擋板，以期增大兩相聚集的有效面積進(jìn)而改善分相性能。蘇立民等[32]基于實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)生產(chǎn)，研究了在澄清室內(nèi)加入助澄清擋板對(duì)澄清分相的影響，使用N235/CoNiCl4 等6 個(gè)萃取體系，對(duì)擋板的型式材料等進(jìn)行了考察。付子忠[33]在鈾純化的半工業(yè)性實(shí)驗(yàn)中，對(duì)混合澄清槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研制，通過(guò)澄清室中安裝輔助擋板組合（為可拆卸的折疊式傾斜擋板），將混合室與澄清室體積比改造為1∶2。

然而對(duì)于澄清室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面的研究仍非常有限，故本文采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，比較了不同操作參數(shù)下，主要包括混合室攪拌轉(zhuǎn)速、油水兩相體積分?jǐn)?shù)以及不同擋板設(shè)計(jì)對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，采用電導(dǎo)率儀獲得澄清室水相出口處溶解性總固體濃度，表征油相夾帶情況，對(duì)不同設(shè)計(jì)的澄清室進(jìn)行比較和優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)中所研究對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有混合澄清槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。裝置整體總長(zhǎng)為800 mm，其中混合槽為200 mm×200 mm的方形槽，總高為390 mm。兩個(gè)入口以及出口的內(nèi)徑均為16 mm，油水兩相均由蠕動(dòng)泵泵入到混合室中進(jìn)行混合，混合均勻后在澄清室中澄清分相，分別由油水兩相出口流出，該過(guò)程為循環(huán)流動(dòng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中混合室采用攪拌槳為六葉閉式渦輪槳。

圖1 混合澄清槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental structure of mixer-settler

本實(shí)驗(yàn)所采用的粒子圖像測(cè)速裝置購(gòu)于德國(guó)Dantec 公司，型號(hào)為FlowMap 1500 型3D PIV 測(cè)速系統(tǒng)，激光器為氦氖激光發(fā)生器。示蹤劑粒子采用Fluoro-Max 顆粒，其密度為1.05 g/cm3，粒徑為31 μm，在水中有很好的流動(dòng)性。同時(shí)，在本實(shí)驗(yàn)中還采用與該設(shè)備配套的DynamicStudio v3.41 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。圖2 給出了本實(shí)驗(yàn)中所使用的裝置實(shí)物圖，以及實(shí)驗(yàn)中所采用的熒光示蹤劑粒子與濾光片，濾光片可以篩選光波，使得相機(jī)只能檢測(cè)到532 mm 波長(zhǎng)，其測(cè)量原理如圖3 所示。圖1所示[21]為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的混合澄清槽裝置，油相和水相分別通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)入混合室下方的兩個(gè)潛室，蠕動(dòng)泵型號(hào)為ET600-2J，油水兩相通過(guò)一個(gè)直徑為35 mm 的孔進(jìn)入混合室，經(jīng)過(guò)槳葉的充分?jǐn)嚢枇魅氤吻迨?，油水兩相在澄清室中分相澄清，通過(guò)兩相出口流回儲(chǔ)罐，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：待混合澄清槽穩(wěn)定操作后，啟動(dòng)粒子圖像測(cè)速儀，調(diào)整好激光器發(fā)射及相機(jī)拍攝位置，加入熒光示蹤粒子開(kāi)始進(jìn)行拍照測(cè)量。需要注意的是，在每次改變操作參數(shù)后，必須使得體系運(yùn)行穩(wěn)定后方可進(jìn)行測(cè)量。拍攝得到的圖片利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行合并、去背景、消除明顯錯(cuò)誤點(diǎn)等處理，便可得到該條件下的流場(chǎng)分布圖。采集圖像區(qū)域?yàn)閄=80～480 mm。

本文還采用DDSJ-308A 電導(dǎo)率儀測(cè)量獲取澄清室水相出口處溶解性總固體含量，以表征油相夾帶情況。溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)，指水中全部溶質(zhì)的總量，包括無(wú)機(jī)物與有機(jī)物兩者的含量。本實(shí)驗(yàn)使用的水相為超純水，無(wú)機(jī)物的含量可忽略不計(jì)，故該值的大小可直接反映出口夾帶量的大小。通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)下的TDS 值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量流場(chǎng)圖，可以得到較優(yōu)的澄清槽結(jié)構(gòu)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)的研究體系為去離子水-磺化煤油體系（物性參數(shù)列于表1）。在該體系中，水相為連續(xù)相，油相為分散相。在實(shí)際稀土富集實(shí)驗(yàn)中，稀土濃度低，則所需要的萃取劑濃度也相對(duì)較低，此時(shí)體系物性與水-煤油體系物性相差不大[34]。本課題組[35]圍繞真實(shí)體系在澄清室內(nèi)的分相效果也開(kāi)展了一部分模擬和實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 粒子圖像測(cè)速裝置實(shí)物圖Fig.2 Real picture of particle image velocimetry

圖3 粒子圖像測(cè)速技術(shù)原理Fig.3 Schematic diagram of particle image velocity

表1 20℃下去離子水與磺化煤油的物性Table 1 Properties of deionized water and sulfonated kerosene

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文考察了不同攪拌槳轉(zhuǎn)速、澄清室內(nèi)擋板結(jié)構(gòu)以及入口油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)澄清槽內(nèi)流場(chǎng)的影響。每?jī)山M條件下的測(cè)量間隔為30 min，盡量保證測(cè)量結(jié)果之間不受干擾。

2.1 無(wú)擋板結(jié)構(gòu)澄清室內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量

在重點(diǎn)探索擋板對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響之前，本文首先對(duì)無(wú)擋板結(jié)構(gòu)澄清室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)量。

2.1.1 混合室攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響 固定水相流量為6 L/min，對(duì)澄清室進(jìn)行單相測(cè)量，對(duì)不同槳葉轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，澄清室內(nèi)流動(dòng)為典型的徑向流動(dòng)，在靠近底端水相出口處速度矢量變大，而且在較高速度時(shí)碰撞底端壁面產(chǎn)生返流。不同轉(zhuǎn)速代表不同能耗輸入，當(dāng)槳葉速度增加，澄清室內(nèi)湍動(dòng)增加，速度流場(chǎng)明顯變得密集。

2.1.2 油水兩相體積比對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響 增加油相，考察入口處不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)兩相流場(chǎng)的影響，見(jiàn)圖5。固定槳葉轉(zhuǎn)速為100 r/min，可以發(fā)現(xiàn)隨著油相體積增加，澄清室內(nèi)湍動(dòng)增加，這主要是因?yàn)橛退畠上嘧饔米冾l繁。同時(shí)，隨著油相體積增加，澄清室內(nèi)旋渦流動(dòng)愈加明顯，這與油水兩相物性差異有關(guān)。

而且增加油相后，主體循環(huán)流動(dòng)與單相形成的旋渦方向相反，這是因?yàn)橛退畠上嗟拿芏炔钍沟糜拖嘣诮?jīng)過(guò)穩(wěn)流板之后有一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)而改變了水相在碰撞底端壁面后的流動(dòng)返流方向。

2.2 擋板對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

改進(jìn)澄清槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在澄清槽內(nèi)提高澄清速率的有效方法，而在澄清室內(nèi)裝設(shè)柵板或擋板是采用較為廣泛的改進(jìn)方式。于是，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩種擋板，并考察了擋板數(shù)量以及擋板安置位置對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。圖6所示為兩種擋板的結(jié)構(gòu)，擋板的參數(shù)如表2 所示。擋板長(zhǎng)槽位置固定，分別處于Xa=165 mm，Xb=265 mm和Xc=365 mm 面上。下文將以B 代替擋板縮寫(xiě)，兩種擋板分別以1和2來(lái)表示，若無(wú)擋板則表示為0。

圖4 不同攪拌轉(zhuǎn)速下澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)Fig.4 Velocity vector in settler for different rotating speeds

故不同擋板組合的澄清室設(shè)計(jì)可縮略表示為Babc,a,b,c=(0,1,2),代表依次按照Xa、Xb、Xc三個(gè)位置所裝設(shè)的擋板類型。

圖5 不同油相體積分?jǐn)?shù)下澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)Fig.5 Velocity vector in settler for different organic volume fraction

圖6 澄清室內(nèi)擋板設(shè)計(jì)及安置位置Fig.6 Baffle design in settler

2.2.1 入口油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)具擋板澄清室流場(chǎng)的影響 固定混合室內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速為100 r/min，在僅安置一塊V形擋板情形下，改變油相體積分?jǐn)?shù)，考察油相對(duì)具擋板澄清室內(nèi)流場(chǎng)的影響。由圖7 可以發(fā)現(xiàn)，具一塊V 形擋板澄清室內(nèi)單相流場(chǎng)呈現(xiàn)三個(gè)主要的循環(huán)流動(dòng)，分別為靠近入口處下部、擋板處以及主體流動(dòng)處。當(dāng)增加油相，水相在油相主體中夾帶趨于嚴(yán)重，同時(shí)靠近入口下部處渦流增加。而且在小范圍內(nèi)隨著油相體積增加，其對(duì)速度矢量大小影響不大。然而當(dāng)油相體積過(guò)高時(shí)，容易導(dǎo)致體系發(fā)生乳化現(xiàn)象，采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)無(wú)法獲得設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)情況，此時(shí)需要借助于其他方法，如計(jì)算流體力學(xué)方法等，來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

2.2.2 擋板數(shù)量及位置對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響 固定體積分?jǐn)?shù)為0.025，混合室中槳葉轉(zhuǎn)速為100 r/min，圖8 給出了四種擋板設(shè)計(jì)的水相速度矢量圖，由圖可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水和煤油的體系而言，第一塊擋板放置的位置對(duì)澄清室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有較大的影響，在第一塊擋板油相處均形成了較為明顯的循環(huán)流動(dòng)。而且擋板后方水相速度明顯降低，且B102的效果與B100的效果相當(dāng)，即在同一軸向上安置多塊擋板時(shí)，與距離較遠(yuǎn)時(shí)其對(duì)主體流動(dòng)影響較小。然而安置擋板都導(dǎo)致水相向油相主體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，造成油相湍動(dòng)嚴(yán)重。

為了能夠更加直觀地評(píng)價(jià)澄清性能，本研究還對(duì)澄清室水相出口處進(jìn)行了TDS 測(cè)量。觀察各種擋板設(shè)計(jì)以及不同油相體積分?jǐn)?shù)下，澄清室水相出口油相夾帶率（圖9），油相體積分?jǐn)?shù)在0.025～0.075范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，其對(duì)澄清室出口的夾帶影響不大，影響夾帶結(jié)果的主要為澄清室結(jié)構(gòu)。比較不同擋板設(shè)計(jì)下的夾帶數(shù)據(jù)，可以看出增加擋板設(shè)計(jì)可以明顯改善夾帶情況，可將夾帶直接減少超1/2。B122雖然擋板數(shù)量最多，但其水相出口夾帶的油相濃度與僅設(shè)置一塊Ⅴ形擋板的情況相近（約為3.2 mg/L），這很有可能是因?yàn)榱黧w不經(jīng)過(guò)兩塊矩形擋板，直接在擋板下方流向出口。由圖9也可以看出，就TDS 數(shù)據(jù)而言，B120 與B102 的擋板設(shè)計(jì)相較另兩種設(shè)計(jì)夾帶油相低0.5～1 mg/L。比較B120 和B102，兩者效果十分相近，B120略佳，在后期新型澄清室設(shè)計(jì)上可以再進(jìn)行考察。

圖7 不同油相體積分?jǐn)?shù)下具擋板澄清室速度流場(chǎng)Fig.7 Velocity vector diagrams in settler with baffle for different organic volume fraction

3 結(jié) 論

圖8 不同擋板設(shè)計(jì)下澄清室內(nèi)速度流場(chǎng)Fig.8 Velocity vector diagrams in settler with different baffle designs

本文主要采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)混合澄清槽澄清室內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行了測(cè)量，比較了混合室攪拌轉(zhuǎn)速、油水兩相體積分?jǐn)?shù)以及不同擋板設(shè)計(jì)對(duì)澄清室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

在未增加擋板之前進(jìn)行PIV 測(cè)量可知，澄清室內(nèi)流動(dòng)較為規(guī)律，呈現(xiàn)徑向流動(dòng)，主體存有明顯循環(huán)流動(dòng)，且其流動(dòng)方向在增加油相后會(huì)發(fā)生改變，然而小范圍內(nèi)改變油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響不大。

圖9 不同設(shè)計(jì)下澄清室水相出口處油相夾帶Fig.9 Organic entrainment in aqueous outlet of settler with different baffle designs

在澄清室內(nèi)增設(shè)Ⅴ形擋板和矩形擋板后，擋板后方速度明顯降低，有利于分相，然而擋板設(shè)計(jì)會(huì)加強(qiáng)澄清室內(nèi)湍動(dòng)，又不利于分相。同時(shí)，在具同樣數(shù)量擋板時(shí)，擋板安置位置過(guò)遠(yuǎn)對(duì)流場(chǎng)影響較??；而安置較多塊擋板時(shí)，擋板間距過(guò)小會(huì)使得流體流動(dòng)形成短路，不利于分相。為了能夠更直觀評(píng)價(jià)分相效果，本文還借助電導(dǎo)率儀獲得澄清室水相出口處油相夾帶情況，驗(yàn)證了擋板數(shù)量與位置對(duì)流動(dòng)的影響。

粒子圖像測(cè)速技術(shù)局限于實(shí)驗(yàn)條件，高攪拌轉(zhuǎn)速與高油相體積分?jǐn)?shù)均會(huì)出現(xiàn)乳化現(xiàn)象影響測(cè)量，此時(shí)需要借助于其他方法對(duì)設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行更佳的預(yù)測(cè)與分析。計(jì)算流體力學(xué)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)設(shè)備理論計(jì)算，本課題組也將會(huì)采用CFD 方法在澄清室內(nèi)流動(dòng)特性上開(kāi)展更為深入的研究。