管型混合澄清槽内的液-液两相流的数值模拟

管型混合澄清槽在工业生产中具有广阔的应用前景。通过计算流体力学分别对管型混合澄清槽内的混合室和澄清室进行数值模拟,系统地探究了分散相液滴尺寸（d₃₂₌ 100~500 μm）、进料油水比（O∶A = 1∶1~1∶5）、入口挡板及入口位置对混合澄清效果的影响,并将模拟结果与传统方型混合澄清槽进行对比。结果表明,管型混合室内的流场分布更合理,不易形成流动死区。管型混合室内搅拌桨上方和下方形成压力更小的低压区,流体的湍动能更大,搅拌性能更好。在混合室中,降低分散相d₃₂和进料油水比能够提高混合性能。在澄清室中,提高分散相d₃₂和降低进料油水比能够提高澄清性能,入口挡板能够有效提高澄清性能。     

混合澄清萃取槽内水油两相相比变化对其操作性能的影响

综述了混合澄清槽中水油两相相比(流比)变化对混合室内液滴分散、目标组分传质及澄清室内两相分离影响的相关研究,讨论了相比变化时搅拌桨桨型与安装位置对混合室和澄清室性能的影响,对混合澄清槽今后的发展如何适应更宽的操作相比及强化混合室高效混合、澄清室快速澄清进行了探讨.     

混合澄清槽混合与澄清特性的规律研究

混合澄清槽是最早也是目前依然被广泛使用的萃取设备,针对混合澄清槽存在的局限性对其混合与澄清特性进行规律性研究。研究过程采用SOPAT液滴测量平台测量液滴尺寸,针对不同体系混合室、澄清室液滴尺寸分布、平均液滴粒径、持液量、分散带尺寸、夹带量之间的关系探讨达到研究目的。实验结果表明,在混合过程中,大部分体系的等比表面积平均直径D ₃₂与转速呈指数关系,与持液量的关系符合Calderbank模型。而在澄清过程中,澄清效果主要受到液滴尺寸、密度差、黏度、质量传递、温度、界面张力的影响,其中界面张力的增加会增强分相效果。通过对液滴测量影响因素进行系统的研究,为具体的操作下优化或改进混合澄清槽的结构打下基础。     

混合澄清槽混合与澄清特性的规律研究

混合澄清槽是最早也是目前依然被广泛使用的萃取设备,针对混合澄清槽存在的局限性对其混合与澄清特性进行规律性研究。研究过程采用SOPAT液滴测量平台测量液滴尺寸,针对不同体系混合室、澄清室液滴尺寸分布、平均液滴粒径、持液量、分散带尺寸、夹带量之间的关系探讨达到研究目的。实验结果表明,在混合过程中,大部分体系的等比表面积平均直径D32与转速呈指数关系,与持液量的关系符合Calderbank模型。而在澄清过程中,澄清效果主要受到液滴尺寸、密度差、黏度、质量传递、温度、界面张力的影响,其中界面张力的增加会增强分相效果。通过对液滴测量影响因素进行系统的研究,为具体的操作下优化或改进混合澄清槽的结构打下基础。     

流比对液-液混合相连续分相影响的研究

在总容积10升的双混合室混合澄清器内,以异辛基磷酸单异辛酯-煤油/稀土金属氯化物水溶液作无传质体系,在重力场、助澄清挡板或低压电场等三种不同澄清环境下,用五个不同流比,对两种类型液—液混合相连续分相影响进行了研究.实验结果表明:在重力场或助澄清挡板作用下,流比对两类混合相分相的影响可用分散带容积及两相夹带值表征;在重力场作用下,“油包水”及“水包油”两类混合相的分相都存在对应于分散带容积较少及两相夹带值较低的不同流比;在助澄清挡板作用下,两类混合相的分相也都存在对应于减少分散带容积和降低两相夹带值效果最好的不同流比;在低压电场作用下,对于油包水型混合相的分相分散带容积减少及降低水相被夹带效果与较理想流比是一致的.     

高效澄清萃取槽内搅拌对液液分离特性的影响

针对传统稀土萃取混合澄清槽存在的问题,提出了在澄清室增加搅拌装置以提高澄清效率的方法。通过对四斜叶搅拌桨、Intermig桨及框式搅拌桨等不同桨型搅拌对澄清度影响的研究,证实四斜叶桨是合适的桨型,经搅拌之后,澄清室两相分离效果明显优于传统混合澄清槽,澄清度平均提高30%以上。在转速20,30,40和50 r·min-1条件下,搅拌桨离底距离分别为4.0,5.5,7.0,8.5和10.0 cm,搅拌桨距溢流口距离分别为10,13和16 cm时,对四斜叶桨搅拌澄清度的研究结果表明,低转速下澄清效果更好,搅拌桨距离溢流口越近澄清效果越好,而搅拌桨离底距离8.5cm,即处于两相混合带附近时澄清效果最佳。在此基础上,根据因次分析原理和试验数据建立了澄清度因次公式。     

基于CFD的陶瓷干法制粉造粒室挡板数目优化

为研究造粒室底部挡板数目对干法制粉混料过程的影响,构建了欧拉-欧拉气固两相流数学控制方程,建立不同挡板数目物理模型,采用修正后的RNGk-ε模型模拟造粒室内湍流情况,对不同挡板数目的干法制粉造粒室内的流场进行数值模拟,分析了不同挡板数目的造粒室内颗粒体积分布、速度场、湍动能、湍动能耗散的差异,并将数值模拟与实验进行对比。结果表明:挡板数目对混料过程有一定影响,分布适当挡板数目能够提高颗粒体积分布、改善合成速度,具有良好的湍动能及湍动能耗散,有利于促进颗粒混合;带挡板的造粒室流场分布优于无挡板造粒室,挡板数目增加时,造粒效果随着挡板数目的增加先增强后减弱;当挡板数目为4片时,颗粒体积分布达到了72%,堆积现象有较大改善,速度较好,耗散情况得到改善,有利于造粒室内流体介质的有效混合;当挡板数目分别为0、2、4、6片时,颗粒的合格率分别为82%、84%、90%、85%,处于30~60 mesh之间的优良颗粒分别占58%、62%、71%、64%;实验结果验证了数值模拟的正确性,为旋转流场式造粒设备的结构优化和设计提供了一定的理论指导。     

P507-煤油体系物性测量及其在澄清槽内的CFD模拟

体系的界面张力对稀土萃取分离过程的澄清分相有着重要的影响。采用悬滴技术分别测量了不同P507-煤油体系与水以及不同稀土酸溶液在常温常压下的界面张力,采用旋转黏度计对不同P507-煤油体系进行黏度测量,初步考察了有机相内稀土负载量对黏度的影响。讨论了煤油稀释剂及氨水皂化对P507-煤油体系与水以及萃取不同稀土浓度酸溶液界面张力及黏度的影响,发现煤油体积增加,萃取体系与水和盐酸的界面张力均呈上升趋势,且在相同P507-煤油体积比下,皂化度增加会使得界面张力急剧减小。固定萃取剂浓度时,有机相内稀土负载量增加在一定皂化度范围内对界面张力影响波动不大,然而稀土浓度过低或者皂化度过高都会导致不同程度的乳化现象,且不同稀土元素以及元素数量对界面张力影响并不非常明显。此外,对不同P507-煤油体系在澄清室内的分相性能进行了模拟比较与讨论,油相体积分数分布表明界面张力越小,黏度越大,油水两相澄清越困难。     

放大准则对混合澄清槽混合室中混合时间和流动特性的影响

工业混合澄清槽混合室的放大设计多基于操作经验,缺乏理论基础。基于几何相似放大,采用计算流体力学(CFD)方法,针对间歇操作的单相体系,对4 种不同放大准则下混合室内混合时间和流场特性的变化规律进行研究。结果显示,混合时间的计算值与测量位置有关,但随转速的增加受测量位置的影响减小;充分湍流条件下,本研究体系的功率准数趋于常数N_P=1.3,且几何相似放大可以保证混合室中轴向流动的流型特征;等桨叶端面速度和等Reynolds 数准则下,所需混合时间长,且抽吸压头小;等循环时间准则下,可以得到与基准混合室相同的混合时间和较高的抽吸压头,但单位体积功耗急剧增加到基准槽的24 倍;等单位体积功耗准则下,在满足具有较低的混合时间和较高的抽吸压头的同时还保证了较低的单位体积功耗,优于其他3 种放大准则。     

混合澄清槽内离子液体体系的三相流体动力学模拟

离子液体是近年来被广泛研究的新兴绿色溶剂,其在乏燃料后处理技术中具有潜在的工业应用前景。但由于缺乏对萃取反应器中离子液体流动特性的研究,制约了离子液体萃取体系的实际应用。本文以萃取工艺中广泛应用的混合澄清槽为对象,以去离子水及1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺盐（[C₄mim][NTf₂]）分别作为水相及有机相,考虑上层空气对流动行为的影响,对其混合室进行计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟,考察不同转速、流比及温度下的有机相分布、压力场、湍动程度等。结果表明,模拟结果较好地符合实验结果,且最大误差小于6.3%;转速能直观地提升混合性能,但当超过500r/min后,继续提高转速将显著增大出口气量,从而可能对澄清室的分相性能提出更高要求;增大流比、升温均能提升350r/min转速下的有机、水相混合能力,升温还有效减小了桨力矩,但当温度超过303K时,继续升温对于桨力矩、有机相速度的改变不明显。因此,实际工艺条件建议结合升温与转速调节,在实现较好混合性能的同时,减少对澄清室分相性能的要求。本文在建立离子液体三相体系数值模拟方法的同时,为混合澄清槽的工况优化提供合理建议,并为离子液体萃取体系的深入研究提供了参考。     

基于颗粒动力学理论的搅拌器中固液流动的数值模拟

在欧拉双流体模型基础上引入颗粒动力学理论(KTGF),对带挡板圆盘涡桨式搅拌器内的固液两相流动进行数值模拟。结果表明,搅拌器底部颗粒温度分布与固相浓度分布趋势吻合,转速低于600 r/min时,槽底会形成明显的颗粒沉积,转速从600 r/min增至1500 r/min,堆积区向轴中心收缩,基于颗粒动力学理论可以合理解释挡板及叶轮转速对固相浓度分布的影响。随叶轮转速增大,搅拌器内固液两相湍流运动加剧,颗粒温度、湍动能及轴向速度增加,颗粒分布更均匀,但达到完全悬浮状态后颗粒温度趋于稳定。搅拌器底部和挡板处颗粒堆积导致了局部颗粒浓度增加及颗粒平均自由行程减少,颗粒温度反而降低;同时挡板布置使搅拌器内形成了双循环回路,加强了流体的湍流程度,增强了湍动能,但导致颗粒在挡板处积聚,不利于固相在挡板处均匀分布。     

Structural optimization of a settler via CFD simulation in a mixer-settler

This work is aimed at optimizing a settler structure in a mixer-settler.Two different aspects have been considered.Firstly,the flowcharacteristics of a settler have been examined by computational fluid dynamics(CFD)simulation with various agitation speeds of the mixer,as well as organic phase volume fractions ranging from 0.075 to 0.6.The aqueous and organic phase turbulent flow fields were measured by particle image velocimetry(PIV) technique to verify the CFD simulation.Two organic phases with different physical properties were assessed in the CFD simulation to simulate the liquid-liquid systems related to rare earth element extraction,i.e.,0.072 mol·L~(-1) P507/kerosene and 1.8 mol·L~(-1) P507/kerosene.Secondly,the CFD simulation was carried out in a settler equipped with baffles.The effects of number and location of the baffle in the settler on flow features and entrainments of the aqueous and organic outlet were analyzed.Meanwhile,different settler/mixer volume ratios were also examined.By analyses and comparisons,an optimal design for settler was proposed.CFD can provide a significant guidance to better mixer-settler design.     

正弦波纹挡板式沉降器内流动特性

采用VOF模型对正弦波纹式入口挡板的重力非均相沉降器内流场进行数值模拟研究。对比了正弦波纹挡板与平挡板的平均流场分布情况,分析了沉降器的轴向流速均一程度（λ₁）随时间演化特性,探究了λ₁和面积加权平均湍流强度（I_a）在沉降器内空间分布特性;引入流场均稳指标USC,研究了冲击间距（L_b/D）对USC的影响。结果表明：正弦波纹挡板作为入口构件可以有效降低返混。在0.84＜L_b/D＜2.17范围内,正弦波纹板沉降器内流场的均一程度整体高于平面挡板;随着L_b/D减小,平挡板沉降器内流场的λ₁基本不变,但正弦波纹挡板沉降器内流场的λ₁降低,且对I_a的影响不明显。对比平挡板,正弦波纹挡板可以有效降低轴向速度的梯度,使返混区面积减小,流场稳定性提高。随着L_b/D增加,USC值呈现多峰值趋势,L_b/D=2.17时正弦波纹板沉降器的USC取得极大值为14.68,较平挡板提高了93.67%。     

CFD analysis of turbulence in a baffled stirred tank, a three-compartment model

Three-compartment model was used to study non-homogeneity of mixing in a fully baffled stirred tank. Multiple reference frame (MRF) technique was used for calculations. Calculations were performed to study the effects of agitator speed, impeller diameter, baffle width and distance of impeller from bottom of the tank on turbulent flow field. Three different zones of the vessel, that were a small zone near the impeller, another zone around the baffles, and a relatively large zone far from the impeller and baffles, named circulation zone, were investigated. Boundaries of these zones were determined using two different methods. The first method used gradient of energy dissipation rate while the other method used cumulative energy dissipation rate to determine the zone boundaries. Zone boundaries determined by both methods were comparable. The turbulent kinetic energy dissipation rate gradient was the preferred method due to its simplicity. Turbulent kinetic energy dissipation rate increased with agitator speed in all zones. Both turbulent kinetic energy dissipation rate and turbulent kinetic energy showed considerable change with impeller diameter at impeller zone, while no remarkable change was observed at baffle and circulation zones. Three-compartment model parameters, impeller and baffle energy dissipation ratios λ_i, λ_b, impeller and baffle volume ratios μ_i, μ_b and impeller and baffle exchange flow rates Q_i, Q_b were obtained from CFD simulations. Impeller energy dissipation ratio, impeller exchange flow rate and baffle exchange flow rate increased while baffle volume ratio decreased with agitation rate and impeller diameter. Baffle energy dissipation ratio and impeller volume ratio showed no considerable change with agitation rate and impeller diameter.     

影响下沉颗粒三相体系临界搅拌转速的因素

探讨了搅拌桨型、挡板和气体分布器等结构因素及气体流量、颗粒质量分数等工艺因素对下沉颗粒三相体系临界搅拌转速的影响。结果表明，底层桨对临界搅拌转速的影响最大，最佳的底层桨为3叶后掠桨。指型挡板对颗粒的悬浮非常有利，此外，给出了几种较好桨型-挡板-分布环组合的临界搅拌转速关联式。     

板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性

以板式螺旋桨叶轮为例,采用相位多普勒粒子分析仪测量了直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内的流场;分析了时均速度、脉动速度及湍流动能的分布,以及叶轮离底间隙变化和挡板对流场的影响。结果表明:随离底间隙增大,叶轮区脉动速度和湍流动能增大,时均速度和脉动速度最大值位置向槽中心方向移动;主循环区轴向速度最大值随离底间隙增大而减小;叶轮区湍流动能较高,随离底间隙增大,湍流动能最大值增大,位置靠近叶轮端部;挡板阻碍槽内切向流动,影响湍流动能的分布,挡板前流场反映了叶轮区的湍流动能分布。     

Scale-up of liquid-liquid dispersions in stirred tanks

A study of local drop size, drop size distribution and holdup fraction was conducted for liquid-liquid dispersions in three geometrically similar stirred tanks of standard configuration over a range of stirrer speeds and dispersed phase volume fractions. The tanks had diameter ratios 1:2:4, the smallest diameter being 11 cm. Two liquid-liquid systems were used: n-heptane-water and n-heptane containing different concentrations of di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid dispersed in an aqueous sulphate solution. No significant local variations of the three parameters investigated were observed at constant stirrer speed and constant dispersed phase volume fraction. Measurements in the three tanks indicated that the rule of equal impeller tip speed provides the best scale-up criterion for equal interfacial areas per unit volume of dispersion. A correlation was also proposed for the Sauter mean diameter.     

Continuous separation of suspensions containing light and heavy particle species

Continuous separation of bidisperse suspensions containing particles of significantly different size and density in a vertical settler was examined. The effects of the feed total solids volume fraction, composition, and flow rate on the performance of the settler were investigated. For feed total solids volume fractions less than 0.1, a kinematic model based on the Patwardhan and Tien (1985) expression for relative velocity was found to predict the experimental measurements fairly well over a wide range of parameters. For feed total solids volume fractions greater than 0.2, a strong local instability was observed in the settler. This local instability significantly improved the performance of the settler in some cases.     

不溶液-液分散在搅拌槽内的CFD模拟

液滴平均尺寸和液滴尺寸分布是描述不溶液-液分散程度的2个重要参数,决定着两相接触面积的大小,进而决定着相间的传质、传热和化学反应速率。利用CFD方法详细研究了水-油两相在搅拌槽内的分散过程,发现叶轮转速、分散相体积分数和连续相黏度对分散效果有显著影响。当两相组成一定时,增大叶轮转速和连续相黏度均有利于两相的分散。在一定范围内,液滴平均直径与叶轮转速、分散相体积分数均为对数线性关系,相关系数高达0.999。基于个数的液滴尺寸分布在不同转速和连续相黏度条件下出现了双峰分布,而基于体积的液滴尺寸分布则始终为单峰分布。