楊曉勇，代健，王炳捷，嚴(yán)圣林，楊航，白志山，彭沖

（1 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237； 2 中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連116041）

引 言

環(huán)隙式離心萃取器（亦稱為圓筒式離心萃取器，以下簡稱離心萃取器）是基于泰勒渦流和離心分離流原理制得的一體式液-液萃取設(shè)備[1]。離心萃取器的結(jié)構(gòu)主要包含混合室、轉(zhuǎn)鼓、控制堰等部件?；旌鲜液娃D(zhuǎn)鼓可以看作相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩同軸圓柱，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速高于某一臨界值，環(huán)隙內(nèi)的液-液流動(dòng)發(fā)生失穩(wěn)，并沿著軸線方向產(chǎn)生一系列正反交替、有序排列的環(huán)形渦，這種二次流動(dòng)即泰勒渦流，萃取劑和待萃溶液正是通過泰勒渦流完成了兩相混合。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)Reynolds 數(shù)Re 的增加，環(huán)隙內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)一系列流態(tài)，包括：庫埃特流、泰勒渦流、波動(dòng)渦流、微紊亂波動(dòng)漩渦流以及湍流泰勒渦流[2-3]，如圖1 所示。基于這一流動(dòng)原理，也研制了許多先進(jìn)的化工設(shè)備，例如泰勒反應(yīng)器[4-5]、刮板式換熱器[6]等。離心萃取器轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部為高速離心流場，為了帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)混合液的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)通常設(shè)有一定數(shù)量的徑向葉片。通過離心力的作用，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的兩相沿著豎直方向流動(dòng)時(shí)逐漸實(shí)現(xiàn)兩相分離，重相被甩至轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面處，從重相堰流出，輕相則被擠壓至轉(zhuǎn)鼓中心處，從輕相堰流出。萃取劑和待萃液經(jīng)泰勒渦流完成兩相混合后，混合液通過轉(zhuǎn)鼓和相分離堰的配合作用，完成兩相分離，最終實(shí)現(xiàn)液-液萃取分離過程。

圖1 同心圓柱環(huán)隙空間中的流型分布[3]Fig.1 Various vortex patterns in the system of concentric cylinders[3]

圖2 環(huán)隙式離心萃取器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of annular centrifugal extractor

20世紀(jì)60年代，美國薩凡納河研究所發(fā)明了第一臺(tái)SRL 型離心萃取器[7]，該萃取器的特點(diǎn)是采用攪拌槳和空氣堰來實(shí)現(xiàn)液-液兩相混合和分離，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便拆卸。20 世紀(jì)70 年代，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室在SRL 離心萃取器的基礎(chǔ)上，發(fā)明了環(huán)隙式離心萃取器[8]，其典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它利用了泰勒渦進(jìn)行液-液兩相混合，同時(shí)通過轉(zhuǎn)鼓配合重相堰完成液-液兩相分離，是世界公認(rèn)的結(jié)構(gòu)最簡單的一種離心萃取器。我國從20 世紀(jì)70 年代開始研究離心萃取器，清華大學(xué)[9-11]、中國原子能科學(xué)研究院[12-13]、合肥通用機(jī)械研究院[14-15]等單位開發(fā)了多種規(guī)格的環(huán)隙式離心萃取器，最小規(guī)格為φ10 mm，最大可達(dá)φ550 mm。離心萃取器最初主要被用于核工業(yè)，包括TRPO 萃取高放廢液過程[16]、核燃料后處理過程[17]、從鑭系元素和裂變產(chǎn)物中分離镅過程[18]等。由于它與混合澄清槽、萃取柱等設(shè)備相比，具有兩相停留時(shí)間短、滯留體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、水力性能好、傳質(zhì)效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[19-20]，因此，它的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展至化工環(huán)保[21-22]、有色冶金[23-25]、生物醫(yī)藥[26-27]等領(lǐng)域。

然而在離心萃取器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，由于缺乏對(duì)其內(nèi)部流場的認(rèn)識(shí)，所加工出的離心萃取器也存在一些問題，比如乳化、相夾帶等。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)和數(shù)值模擬方法層出不窮，離心萃取器內(nèi)部的單相流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)獲得了很好的揭示[28-31]，于是研究者們將更多的目光集中到離心萃取器內(nèi)部的多相流動(dòng)。在離心萃取器正常工作時(shí)，其內(nèi)部包含氣-液-液三相的流動(dòng)，少數(shù)學(xué)者對(duì)這一復(fù)雜體系多相流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[32]和模擬[33]，但大部分研究都集中氣-液或者液-液兩相流動(dòng)。由于環(huán)隙、轉(zhuǎn)鼓、控制堰等各區(qū)域涉及的流動(dòng)原理和流動(dòng)類型有所不同，本文將離心萃取器內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分述，基于不同兩相流動(dòng)特點(diǎn)，分別介紹了環(huán)隙內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)、液-液兩相流動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)等方向的研究進(jìn)展。針對(duì)離心萃取器結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求，本文進(jìn)一步介紹了增加環(huán)隙隔板等結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施對(duì)離心萃取器內(nèi)部兩相流動(dòng)特點(diǎn)以及混合或分離性能的影響，并對(duì)未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 環(huán)隙氣-液兩相流動(dòng)

環(huán)隙氣-液兩相流動(dòng)包含兩種流動(dòng)形式：氣-液界面流和氣泡流。氣-液界面流一般在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速較低情況下出現(xiàn)，氣-液界面的位置由轉(zhuǎn)鼓的抽吸量和設(shè)備進(jìn)料量之間的平衡關(guān)系決定。當(dāng)抽吸量過小或者進(jìn)料量過大時(shí)，氣-液界位將逐漸增高，沒過設(shè)備入口，影響設(shè)備進(jìn)料；當(dāng)轉(zhuǎn)鼓抽吸量大于進(jìn)料量時(shí)，界面位置逐漸變低，低于轉(zhuǎn)鼓進(jìn)口，此時(shí)液-液兩相混合的空間和時(shí)間不足，會(huì)導(dǎo)致萃取傳質(zhì)效率的降低。氣泡流發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速較高的情況，氣體被剪切力破碎，以氣泡的形式進(jìn)入液相，氣泡在泰勒渦的作用下發(fā)生變形和運(yùn)動(dòng)，當(dāng)大量的氣泡進(jìn)入液相時(shí)，將影響環(huán)隙內(nèi)原本的泰勒渦特性，使設(shè)備的傳質(zhì)特性發(fā)生變化。

1.1 環(huán)隙氣-液界面流

對(duì)于環(huán)隙氣-液界面來說，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速能夠影響轉(zhuǎn)鼓抽吸量，是需要研究的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。楊曉勇[34]觀測到的不同轉(zhuǎn)速（1200～2100 r/min）環(huán)隙氣-液界面的結(jié)果如圖3 所示，環(huán)隙區(qū)域有一個(gè)明顯的氣-液界面，隨著轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)鼓抽吸量增大，氣-液界面不斷下移和擴(kuò)展。Wang 等[35]研究了三組不同轉(zhuǎn)速（1000、2000、3000 r/min）下離心萃取器混合區(qū)域中產(chǎn)生的氣-液流型，也發(fā)現(xiàn)了液位高度隨著轉(zhuǎn)速下降的現(xiàn)象。進(jìn)口流量也會(huì)對(duì)氣-液界面產(chǎn)生影響。當(dāng)流量增加、抽吸量不變時(shí)，環(huán)隙中的液體將得到一定的補(bǔ)充，界面的上升使轉(zhuǎn)鼓入口處的靜壓力上升，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓的抽吸量被動(dòng)增加，使環(huán)隙內(nèi)的液位重新平衡。Misumi等[36]研究了轉(zhuǎn)速和流量對(duì)環(huán)隙式離心萃取器混合區(qū)域內(nèi)三種流型的影響，如圖4 所示，分別是高流量、低轉(zhuǎn)速下液體充滿混合區(qū)Type A，低流量、高轉(zhuǎn)速下液體僅存在葉片附近和轉(zhuǎn)鼓入口的Type B，以及兩者的過渡階段Type C（原文中未見圖示），該研究通過量化流型特征來描述萃取率和流型之間的關(guān)系。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下混合區(qū)域內(nèi)的氣-液界面[34]Fig.3 Water-vapor interface in the mixing zone at different speeds[34]

此外,通過數(shù)值模擬可以進(jìn)一步揭示環(huán)隙內(nèi)的氣-液界面流動(dòng)特性。Wardle 等結(jié)合LES 模型和VOF 方法，對(duì)離心萃取器環(huán)隙內(nèi)液位高度的振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了研究[37]，隨后又采用有限元法-格子玻爾茲曼模型(FE-LBE)[38]研究了不同Reynolds 數(shù)（Re）下環(huán)隙內(nèi)的特征表面波。綜上可知，氣-液界面不是光滑的曲線，而是凹凸不平并隨著時(shí)間發(fā)生變化，這是由于泰勒渦的存在，使得氣-液界面處的流體剪切力具有時(shí)-空特性。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大，泰勒渦產(chǎn)生足夠強(qiáng)的流動(dòng)剪切力時(shí)，部分氣體將被分散進(jìn)液相，產(chǎn)生氣泡流。

1.2 泰勒渦中的氣泡流動(dòng)

隨著離心萃取器轉(zhuǎn)速的增加，其環(huán)隙中的氣-液界面流動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)橐詺庀酁榉稚⑾嗟臍馀萘?。有文獻(xiàn)指出[39]，氣泡加入對(duì)于傳質(zhì)過程有著十分積極的作用，因此了解環(huán)隙內(nèi)的氣泡流動(dòng)規(guī)律是十分必要的。在受限Re 下，環(huán)隙內(nèi)的流場為庫埃特流動(dòng)。Canedo等[40]測量了兩同軸圓柱反向旋轉(zhuǎn)時(shí)氣泡的變形情況，發(fā)現(xiàn)在剪切力作用下氣泡從圓形變?yōu)榧?xì)長形，并將氣泡形狀、界面面積以及體積與毛細(xì)管數(shù)（Ca）建立關(guān)聯(lián)模型。Prakash 等[41-42]觀察了庫埃特流場中的多氣泡行為，并通過計(jì)算慣性力推導(dǎo)出氣泡動(dòng)力學(xué)模型，求解了其數(shù)學(xué)解。

圖4 不同流量和轉(zhuǎn)速下混合區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)[36]Fig.4 The flow state in the mixing region at different flow rates and rotating speeds[36]

當(dāng)Re 突破臨界值Rec，即產(chǎn)生泰勒渦時(shí)，流場中的氣泡行為將發(fā)生顯著變化。Deng等[43]對(duì)泰勒渦中的氣泡行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，如圖5所示，將氣泡注入泰勒渦中心，可以形成穩(wěn)定的氣泡環(huán)，氣泡環(huán)隨著內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速低于內(nèi)筒速度，且氣泡環(huán)中的氣泡數(shù)目一旦超過飽和值Ns，氣泡環(huán)內(nèi)將發(fā)生氣泡聚并，Ns的值與氣泡的尺寸與轉(zhuǎn)速有關(guān)。Ramezani等[44]通過實(shí)驗(yàn)建立了氣-液泰勒渦中氣泡Sauter平均直徑＜ds＞與轉(zhuǎn)動(dòng)Reθ、軸向Rea的關(guān)聯(lián)模型，發(fā)現(xiàn)氣泡實(shí)際尺寸呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

Gao 等[45]利用Eular-Eular 模型計(jì)算了氣-液泰勒渦流，結(jié)果顯示大量氣泡的存在使得泰勒渦波長發(fā)生擴(kuò)展，此外他們還討論了轉(zhuǎn)動(dòng)Re和氣體速度對(duì)泰勒渦波長、液體速度分量等特性的影響。從上述的研究可知，氣泡進(jìn)入液相后將會(huì)發(fā)生一系列變形等行為，并改變?cè)械奶├諟u流場，但氣泡本身是否會(huì)增強(qiáng)泰勒渦流場的傳質(zhì)效率仍然很難界定。

圖5 環(huán)隙泰勒渦流場中的氣泡環(huán)現(xiàn)象[43]Fig.5 Bubble ring in the Taylor vortex flow of annulus[43]

2 環(huán)隙液-液兩相流動(dòng)

環(huán)隙液-液兩相流動(dòng)特性十分豐富，比如濃度場、液滴尺寸等，它們表征了離心萃取器的混合效果。通過研究環(huán)隙液-液兩相流動(dòng)特性，進(jìn)而調(diào)控混合效果，強(qiáng)化萃取傳質(zhì)效率，對(duì)于離心萃取器的發(fā)展具有重要意義。

2.1 液-液流型分布

萃取劑和待萃溶液是互不相溶的油水兩相，它們分別從各自的進(jìn)口進(jìn)入萃取器混合區(qū)域。隨著轉(zhuǎn)速的增加，環(huán)隙內(nèi)的兩相流動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)一系列不同的流型，如表1所示。Joseph等[46]研究了不同的油水體系在垂直泰勒渦流場中的流型，包括：分層和帶狀的庫埃特流動(dòng)、滾筒流、乳狀流以及相轉(zhuǎn)化。Campero 等[47]也研究了多個(gè)體系的液-液泰勒渦流型，最終將流型分成了3類。

（1）帶狀流，這種流動(dòng)呈現(xiàn)為水相和油相沿軸向交替分布，在低油相體積分?jǐn)?shù)和足夠轉(zhuǎn)速的條件下出現(xiàn)，Zhu 等[50]將帶狀流動(dòng)原因歸結(jié)為分散相的液滴遷移到泰勒渦中心，而分散相液滴遷移的原因被推測為兩相表面張力的差異，同時(shí)他們基于特征時(shí)間尺度建立了預(yù)測帶狀流動(dòng)的臨界公式：

式中，τc為液滴受離心力而從渦邊界遷移到渦核的特征時(shí)間；τt為液滴受湍流分散的作用而從渦核心遷移到渦邊界的特征時(shí)間；μc為連續(xù)相黏度；μt為湍流黏度；ρc為連續(xù)相密度；ρp為分散相密度；uθ為以渦核為轉(zhuǎn)軸的液滴周向角速度；dp為液滴平均直徑。

當(dāng)分散相密度小于連續(xù)相、上述特征時(shí)間尺度接近1時(shí)，即產(chǎn)生帶狀流。

（2）空間均勻流，這種流型在較高的有機(jī)相體積分?jǐn)?shù)和中等的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生，分散相均勻地分布在連續(xù)相中，連續(xù)相和分散相在體積分?jǐn)?shù)接近時(shí)可以發(fā)生相的轉(zhuǎn)換。

（3）過度流，包含上述兩種流型，在低轉(zhuǎn)速下，帶狀流動(dòng)和均勻流動(dòng)都出現(xiàn)在環(huán)隙中，且沿軸向周期性地遷移。

Nakase 等[48]利用超聲波測速技術(shù)（UVP）測量了環(huán)隙中油-水逆流時(shí)的流場分布，發(fā)現(xiàn)分散相的流動(dòng)模式可分為螺旋流、環(huán)流、部分乳化的環(huán)流，并建立了三種流型隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與軸流量的關(guān)系分布圖。Campbell 等[49]將己烷/水兩相半間歇垂直泰勒渦流的流型分為：偽均勻分散流、弱帶狀流、水平帶狀分散、垂直螺旋流，如圖6 所示，并給出了流型關(guān)于油相軸向Reynolds數(shù)和水相轉(zhuǎn)動(dòng)Reynolds數(shù)的分布圖。

圖6 環(huán)隙內(nèi)液-液兩相流型分布[49]Fig.6 Liquid-liquid two-phase flow pattern distribution in the annulus[49]

液-液流型的差異意味著不同的混合效果，Zhu等[51]的研究指出在相同Reynolds 數(shù)條件下，帶狀流動(dòng)的軸向分散要比均勻流快2～5 倍。通過調(diào)控轉(zhuǎn)速、兩相流比、流量產(chǎn)生特定的液-液流型，可以作為增強(qiáng)液-液兩相混合效果的重要手段。

環(huán)隙內(nèi)的流型分布主要是定性研究，泰勒渦流場中分散相濃度場可作為定量表征，反映離心萃取器的液-液兩相混合性能。Sathe 等[52]利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)和CFD 數(shù)值計(jì)算研究了泰勒渦流場中煤油/NaI 溶液體系的兩相流場分布，如圖7 所示，在PLIF 方法中，分散相含率可以通過將熒光材料引入有機(jī)相中，并用激光照射誘導(dǎo)有機(jī)相閃爍來評(píng)估，通過這種方法不但觀測了R-Z 平面上的帶狀流，還得到分散相的濃度場分布，可以發(fā)現(xiàn)，分散相主要集中在環(huán)隙底部區(qū)域，其濃度隨著豎直方向而減少；在帶狀流動(dòng)下，分散相主要集中在渦的外圍，即混合室內(nèi)壁面附近，這主要是兩相的密度差造成的。基于分散相濃度場分布規(guī)律，研究人員可以改變環(huán)隙結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高分散相分布的均勻性，減少分散相積聚現(xiàn)象。

表1 液-液兩相流型分布Table 1 Liquid-liquid two-phase flow pattern

圖7 環(huán)隙內(nèi)的分散相濃度場分布[52]Fig.7 The concentration field distribution of dispersed phase in the annulus[52]

2.2 泰勒渦中的液滴流動(dòng)

環(huán)隙內(nèi)流型的分布是泰勒渦中多液滴行為的呈現(xiàn)。在泰勒渦流場中，液滴進(jìn)入環(huán)隙后，受到重力、浮力、離心力、流體剪切力等綜合作用，其展現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜。

液滴尺寸是衡量液-液混合程度的重要指標(biāo)，液滴尺寸越小，總傳質(zhì)面積越大，傳質(zhì)速率也就越快。許多研究者通過實(shí)驗(yàn)建立了估算液滴尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式，如表2 所示。Hass[53]最早建立了旋轉(zhuǎn)同心圓柱中液滴尺寸關(guān)于Weber數(shù)和Reynolds 數(shù)的預(yù)測模型，該公式后來被廣泛采納。Kadam 等[54]研究了不同規(guī)格（φ30 mm，φ75 mm，φ250 mm）離心萃取器中分散相滯留率、有效界面面積和Sauter 平均直徑，并給出了上述參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。Tamhane 等[55]采用激光多普勒技術(shù)（PDPA）測試了φ39 mm 萃取器環(huán)隙內(nèi)的液滴尺寸分布，通過Rosin-Rammler 分布函數(shù)分析結(jié)果，得出了液滴尺寸與黏度等其他參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。Wyatt 等[56]采用激光熒光技術(shù)方法測試了水/硅油體系在離心萃取器環(huán)隙中液滴尺寸分布，研究了水油比、油相體積分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)速等因素對(duì)液滴分布的影響。

液滴在環(huán)隙泰勒渦中的行為也是很多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。Joseph 等[57]研究了水中小油滴在泰勒渦作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡。Fridjonsson 等[58]采用快速核磁共振成像研究了不同表面活性劑對(duì)于泰勒渦中液滴形狀的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著體系表面張力的降低，液滴在剪切力作用下的形變也相應(yīng)減少。Qiao等[59]采用高速攝像和PDPA 研究了礦物油中單個(gè)水/乙醇液滴在泰勒渦作用下的行為，追蹤了兩種液滴在不同Reynolds 數(shù)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)液滴軌跡總體可以分為圓形、環(huán)形或者三維環(huán)形。他們還捕捉到了液滴在流場的不同位置處的變形，并觀測到在設(shè)備突然啟動(dòng)時(shí)，乙醇液滴被分散為多個(gè)微米級(jí)小液滴，隨后在流場穩(wěn)定后又重新聚并的現(xiàn)象，如圖8所示。目前可以用來解釋這種現(xiàn)象的模型較少，Eskin 等[60]結(jié)合群體平衡模型、Coulaloglou 破碎模型以及Tavlarides聚并模型，建立了液滴在同軸圓柱環(huán)隙中的分散模型：

表2 液滴尺寸預(yù)測模型Table 2 Prediction model of droplet size

圖8 乙醇液滴在轉(zhuǎn)鼓突然啟動(dòng)后形態(tài)演變[59]Fig.8 Morphology evolution of ethanol droplet after the motor is suddenly started[59]

式中，Ni表示單位體積中第i 個(gè)粒級(jí)液滴的濃度；G 表示液滴的破碎率；Q 表示聚并頻率；δj,k為克羅內(nèi)克符號(hào)；θ 表示無量綱時(shí)間。通過數(shù)值求解，模型可用于預(yù)測液滴粒徑隨時(shí)間的變化，但該模型僅適用于完全發(fā)展的湍流泰勒-庫埃特流，液滴的泰勒渦分散機(jī)理還處于缺失的狀態(tài)。

3 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)

離心萃取器的分離區(qū)域包含轉(zhuǎn)鼓以及控制堰。正常工況下，經(jīng)過混合區(qū)域充分傳質(zhì)的兩相混合液經(jīng)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)入分離區(qū)域。轉(zhuǎn)鼓作高速旋轉(zhuǎn)，混合液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沿著豎直方向逐漸分相，同時(shí)轉(zhuǎn)鼓的中心區(qū)域還存在空氣柱，因此轉(zhuǎn)鼓內(nèi)實(shí)際流場為氣-液-液三相流動(dòng)。控制堰內(nèi)的流動(dòng)疊加了明渠流動(dòng)和離心分離流動(dòng)，實(shí)際流場為氣-液兩相流。

3.1 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的氣-液界面

離心萃取器轉(zhuǎn)鼓內(nèi)是實(shí)現(xiàn)液-液兩相分離的關(guān)鍵，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使兩相混合液快速分離。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)相界面決定了離心萃取器分離性能好壞，但由于轉(zhuǎn)鼓包裹在離心萃取器混合室的內(nèi)部，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法很難越過環(huán)隙流場直接觀測轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流動(dòng)。Padial-Collins 等[61]采用CFD 數(shù)值模擬方法研究了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的油水兩相分離，但沒有考慮轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的氣-液界面。徐艷等[62-63]對(duì)離心萃取器模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，采用PIV 技術(shù)成功地從環(huán)隙底部拍攝到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)橫截面流動(dòng)，通過拍攝不同軸向高度的流場，勾勒出轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的氣-液界面，如圖9所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，相界面從最初的拋物線逐漸變?yōu)榈怪玫奶菪?，且?液兩相界面逐漸向轉(zhuǎn)筒壁移動(dòng)。Li等[33]給出了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)氣-液界面以及液-液界面的理論模型，可以用于預(yù)測界面位置：

式中，z 為距離轉(zhuǎn)鼓底部的高度;rif和rfs是液-液界面和氣-液界面半徑;ρo和ρa(bǔ)分別表示油相和水相的密度;pab、pi和pc為常數(shù)，分別為轉(zhuǎn)鼓底部、液-液界面處和空氣柱內(nèi)的壓力。

目前轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的兩相界面研究主要集中在氣-液界面，對(duì)液-液界面研究仍然較少，尤其是液-液界面的形成過程中液滴的運(yùn)動(dòng)和聚并方面的研究尚不充分。

3.2 控制堰內(nèi)部氣-液流動(dòng)

圖9 轉(zhuǎn)筒內(nèi)氣-液界面隨轉(zhuǎn)速和流量的變化[62]Fig.9 The variation of gas-liquid interface in the rotating cylinder with the speed and flow rate[62]

經(jīng)過轉(zhuǎn)鼓分離，輕相和重相分別從各自的控制堰流出。控制堰內(nèi)部的流動(dòng)與明渠流動(dòng)十分類似，但由于控制堰隨著轉(zhuǎn)鼓一起旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部流動(dòng)又變得十分特殊。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Wardle等[64]利用CFD 數(shù)值模擬展示了重相堰內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下，重相堰內(nèi)的液體被離心力甩到邊壁形成水封，出口處氣體無法進(jìn)入，因而產(chǎn)生負(fù)壓并形成虹吸現(xiàn)象，這將導(dǎo)致重相出口的流動(dòng)不暢。Gandhir 等[65]也對(duì)轉(zhuǎn)鼓上部的堰內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[圖10(a)、(b)]，在重相堰中的流動(dòng)主要是離散的水滴被離心力甩出，切向速度比轉(zhuǎn)子速度小。水滴被甩出后，撞擊在堰蓋上部，然后水滴在堰蓋下方聚集，并在出口通道的背面堆積成一層膜，該液膜的形成是由于堰蓋設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生，是液體流出不暢的表現(xiàn)，最終可能發(fā)展成水封現(xiàn)象，根據(jù)這種情況，Gandhir 等設(shè)計(jì)了不同的重相堰出口形式[圖10(c)]，最終給出了穩(wěn)定、不易形成液體密封的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。由此可知，通過揭示內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)設(shè)備不足之處，進(jìn)而改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)備優(yōu)化的可行之路。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)萃取器內(nèi)部多相流動(dòng)及性能的影響

近年來，隨著各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和萃取工藝要求的提高，離心萃取器不但需要滿足大型化、節(jié)能、降耗、減排等要求，而且還需要面臨與膜萃取設(shè)備、超聲輔助萃取等新型萃取設(shè)備的競爭壓力，離心萃取設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越受到重視。

早期，研究者們對(duì)設(shè)備改進(jìn)主要包括采用模塊化設(shè)計(jì)、磁力驅(qū)動(dòng)、自然調(diào)節(jié)溢流結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)化措施很好地提高設(shè)備安全性、可拆裝性、多級(jí)運(yùn)行時(shí)的可靠性[66]。近年來，設(shè)備改進(jìn)措施主要是采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，對(duì)離心萃取器的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化，以期改善萃取器性能。Wardle 等[67-68]對(duì)混合區(qū)域底部導(dǎo)流葉片進(jìn)行了改進(jìn)，與彎曲葉片相比，較少的直葉片能提供更大的混合區(qū)阻力，對(duì)液滴粒徑分布的定量比較也表明，4 個(gè)直葉片時(shí)液滴的平均直徑比8 個(gè)彎葉片的平均直徑顯著減小。Tamhane 等[69]利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)研究了離心萃取器內(nèi)水相與有機(jī)相的混合，在環(huán)隙內(nèi)增加了螺旋隔板后，可以顯著降低軸向返混。Grafschafter 等[70]研究了不同轉(zhuǎn)鼓直徑對(duì)分散相含率、軸向彌散和液滴尺寸的影響，結(jié)果表明，當(dāng)采用小轉(zhuǎn)鼓時(shí),軸向返混較大，而轉(zhuǎn)鼓直徑越大，上述指標(biāo)的穩(wěn)定性越好。重相堰半徑是離心萃取器設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的參數(shù)，范智等[71]研究了轉(zhuǎn)鼓入口的半徑對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)氣-液兩相流場的影響，發(fā)現(xiàn)分離效果最佳的入口半徑為10 mm。Ghaya 等[72]研究了不同轉(zhuǎn)鼓葉片對(duì)氣-液界面的影響，發(fā)現(xiàn)彎曲葉片對(duì)轉(zhuǎn)鼓的壓降、存液量以及界面半徑有著巨大的影響，所需的能耗比直葉片更低。上述研究涉及離心萃取器不同關(guān)鍵部件及參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)離心萃取器的設(shè)計(jì)有很好的借鑒意義。

圖10 重相堰水封現(xiàn)象的形成和改進(jìn)設(shè)計(jì)[65]Fig.10 Water seal formation above the upper weir and its improved design[65]

5 結(jié)論與展望

為了解決環(huán)隙式離心萃取器應(yīng)用過程中易乳化、夾帶等問題，促進(jìn)離心萃取技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展，研究者們針對(duì)萃取器內(nèi)部的多相流動(dòng)進(jìn)行了大量研究。目前，已有許多研究闡述了環(huán)隙區(qū)域的氣-液、液-液兩相流動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)，這些成果豐富了環(huán)隙式離心萃取技術(shù)的基礎(chǔ)理論。同時(shí)，研究者們也在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面進(jìn)行了一些嘗試，通過改善多相流動(dòng)狀況以提高離心萃取器在混合、分離效果方面的性能。雖然目前環(huán)隙式離心萃取技術(shù)內(nèi)部多相流動(dòng)方面的研究已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，但仍有一些問題需要解決。

（1）離心萃取過程中的液滴分散和聚并機(jī)理。人們對(duì)液滴在環(huán)隙泰勒渦中的分散和轉(zhuǎn)鼓離心流場中的聚并機(jī)理的理解仍然不夠深入，難以解釋如設(shè)備突然啟動(dòng)時(shí)液滴破碎等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。此外，還需更深入地關(guān)注環(huán)隙流場混合能力與轉(zhuǎn)鼓流場分離能力之間相互匹配的問題，通過理論模型、數(shù)值計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合，探明環(huán)隙、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)兩類流動(dòng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，為離心萃取技術(shù)的發(fā)展提供更為系統(tǒng)和深入的理論指導(dǎo)。

（2）離心萃取器三相流動(dòng)測試和模擬。離心萃取器工作時(shí)，其內(nèi)部是氣-液-液三相組成的復(fù)雜體系，該復(fù)雜體系下的濃度場、速度場表征是離心萃取技術(shù)研究的難點(diǎn)，也是該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，但三相流動(dòng)的研究剛剛起步，深入研究其流動(dòng)、傳質(zhì)以及兩者的關(guān)聯(lián)將有助于指導(dǎo)離心萃取器設(shè)計(jì)，并揭示流態(tài)對(duì)萃取傳質(zhì)過程的影響規(guī)律。

（3）離心萃取器結(jié)構(gòu)的模型化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)化工過程體系多變、處理量巨大等特點(diǎn)，離心萃取器結(jié)構(gòu)的模型化設(shè)計(jì)方法是推動(dòng)該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。以混合性能和分離效果為目標(biāo)，在探明離心萃取器內(nèi)部多相流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD 模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開展離心萃取器的模型化設(shè)計(jì)研究可能成為未來其發(fā)展的主要途徑。