搅拌器安装高度对稀土萃取槽传输性能的影响

阮 飞，田 震，付晓晨，包金小

( 内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头 014010)

引 言

稀土溶剂萃取技术是基于不同稀土元素在特定萃取溶液体系( 由互不相溶的水相和有机相组成) 中具有不同的分配比的基本原理，经“萃取－洗涤－反萃取”等处理环节，最终分离得到纯度较高的稀土元素的湿法冶金工艺。该工艺具有生产效率高、处理容量大、分离效果好、产品纯度高等优点，目前已成为国内外提取分离稀土元素的主要工艺［1］。

稀土萃取分离设备有多种结构，常见的基本类型包括混合澄清萃取器、塔式萃取器及离心式萃取器等。其中，混合澄清萃取器应用较为广泛，其单级反应单元主要由混合室和澄清室构成，多级反应器则含有多个混合室和澄清室［2］。混合室内设有搅拌器，并以一定转速搅动水相和有机相，使二者充分混合，促进萃取过程的有效进行，充分萃取后混合液进入澄清室，进行澄清和后续处理。

混合澄清萃取器属于旋转机械搅拌式反应器，其内部流场属于复杂的三维强湍流流动，混合室内的传输特性对于萃取过程有极其重要的影响。有研究人员针对此类稀土分离萃取槽内的传输过程进行了探索:逄启寿等［3-8］采用FLUENT 软件模拟研究了萃取槽结构、萃取槽容量、挡板类型、搅拌器结构、搅拌器空间分布、及澄清室结构等对稀土萃取槽流动混合状况的影响;罗璇［9］等采用FLUENT 软件研究了250 L 具有平直叶片的混合槽的搅拌性能; 赵秋月［10］等采用ANSYS 软件模拟了一种新型稀土混合萃取槽内的流场分布特点。

目前对于稀土萃取槽内流动混合状况方面的研究侧重于对萃取槽内流动及混合状况的定性分析，对于萃取槽内流速分布、低速区体积分数等方面的工作却较为缺乏。本文在借鉴前人所做工作的基础上，自行设计了具有单层倾斜式四叶片搅拌器的新型稀土萃取槽，并借助FLUENT 软件对所设计的稀土萃取槽混合室内的流体流动轨迹、流速分布、低速区体积分数及混匀时间等重要性能指标进行了仿真研究，以期为稀土萃取槽的研究和设计提供参考。

1 研究方法

1.1 萃取槽几何模型

简化后的萃取槽三维几何模型如图1 所示。该萃取槽属于混合澄清萃取反应器，由于主要研究混合室内的传输特性，因此计算区域不包含澄清室部分。混合室尺寸为500 mm×500 mm×600 mm，底部出口直径Φ 为70 mm。混合室内部安装有新型单层倾斜式四叶片搅拌器，搅拌器叶片厚度10 mm，各叶片与Z 轴方向呈10°角，四个叶片底部焊接成一体，起到加固的作用，搅拌叶片顶部设有圆形挡板。搅拌叶片有效高度为95 mm，有效外径Φ 为160 mm，搅拌器以150 r/min 转速沿顺时针方向搅拌、萃取槽内流体。

图1 萃取槽几何模型示意图

1.2 主要控制方程

数值计算中涉及到的基本控制方程包括连续性方程、N － S 方程、K － ε 双方程、质量传输控制方程等［11-13］。

1.3 研究方案

主要研究搅拌器转速ω 为150 r/min 时，不同搅拌器高度即搅拌器叶片底部距混合室底部的距离H( 图1)对混合室内的传输特性的影响。具体研究方案见表1。

表1 研究方案

1.4 模拟方法及主要参数

利用GAMBIT 软件建立萃取槽三维几何建模，并划分四面体混合网格。网格划分方案为TGrid，网格类型为Tet/Hybrid，搅拌槽主体部分网格尺寸为13 mm，搅拌器网格为8 mm。在此基础上，指定相应的边界条件及流体区域类型后生成mesh 文件，然后导入FLUENT 中，激活需要求解的基本控制方程，设置相应的初始及边界条件，其中搅拌器以转速150 r/min 沿顺时针方向旋转，搅拌器和萃取槽相接触的界面设置为Interface 边界条件。有机相为P507，其密度ρ =950 kg/m3，粘度μ =3.3 ×10-3Pa·s。水相密度ρ =998 kg/m3，粘度μ =1.0 ×10-3Pa·s。流体在Z 轴正向所受体积力gz=9.8 m/s2。采用多重参考系模型( MRF) 模拟搅拌器转动，利用SIMPLE 算法求解流场及压力场，收敛标准为各组控制方程的残差均小于10-3。

2 仿真结果与讨论

2.1 萃取槽内流态分布特点

采用上述模拟方案，计算得到的萃取槽内典型流线图如图2 所示，萃取槽内Z = －0.5 截面速度矢量图如图3 所示( 以3#方案为例) 。

图2 萃取槽内典型流线图

图3 3#方案萃取槽内Z = －0.5 截面速度矢量图

从图2 可知，在高速旋转的搅拌器的作用下，流体系统沿搅拌器转动方向做紊流流动，在X 轴和Y 轴方向上具有较大的分速度，此外，由于受倾斜搅拌叶片的作用，从图3 可知，在Z 轴方向上也具有一定的分速度，加之流动过程中受到萃取槽内壁面的限制，因此流体在按顺时针旋转的同时由内壁面附近区域流向顶部，当流体到达自由液面后，在萃取槽壁面、自由液面及搅拌器的综合作用即抽吸作用下，由靠近搅拌槽中心区域返回到萃取槽底部，完成循环过程。

2.2 萃取槽内流速分布特点

为比较不同搅拌器高度下萃取槽内沿Z 轴方向上的流速分布规律，在Z 轴方向上取一条线段，线段起点坐标(0.19，0.19，－0.6) ，终点坐标(0.19，0.19，0) ，计算得到的该线段上流体流速分布如图4 所示。萃取槽垂直于Z 轴各截面速度云图如图5 所示( 以2 #方案为例) 。

图4 不同方案下萃取槽Z 轴方向上流速分布曲线

从图4 可知，萃取槽内沿Z 轴方向上速度分布存在一定差异，在靠近搅拌叶片附近高度范围内的流体流速较高，而远离此区域的流体流速明显衰减，这一点也可从图5 观察到; 比较速度分布曲线可以发现，随着搅拌器高度的变化，萃取槽内高速区在Z 轴方向上的位置明显不同，H=L/12 =50 mm 和H=9L/12 =450 mm 时，萃取槽内高速区分别出现在靠近萃取槽底部和顶部的位置，并且存在非常明显的低速区; H =3L/12 =150 mm时，也存在较为明显的低速区;而H=5L/12 =250 mm 和H=7L/12 =350 mm 时，高速区大致分布在靠近萃取槽中部的位置，未发现明显的低速区，特别是H =5L/12时，萃取槽内不同高度上流体流动活跃，无明显低速区，由此说明搅拌器高度H 为5L/12 时，萃取槽内Z 轴方向上流速分布最为合理。

图5 2 #方案萃取槽垂直于Z 轴各截面速度云图

2.3 萃取槽内低速区体积分数

低速区( 也称死区) 体积分数是各类冶金反应器的重要性能指标。对于稀土萃取槽的低速区体积分数目前还没有成熟的数学模型来描述。一方面，鉴于一些类似的文献中取平均速度的1/10、2/100、5/100 等作为临界速度，用于衡量和估算低速区体积分数［14-16］，而另一方面，针对稀土萃取槽内的流速分布特点，综合考虑两方面的因素，本文采用萃取槽中流体流速低于流体区域内平均流速的千分之一的流体体积分数来衡量低速区体积分数VL，即低速区体积的临界流速为v =vav/1000，并通过计算得到不同方案下萃取槽内的低速区体积分数，如图6 所示。

从图6 可知，各方案下萃取槽内低速区流体体积分数介于0.936% ～7.732%。H =L/12 =50 mm 时，萃取槽内的低速区体积分数为7.732%，为各方案中最大的;H= 3L/12 = 150 mm 时的低速区体积分数次之，为5.459%; H = 9L/12 = 450 mm 时低速区体积约为1.029%，低于上述两种工况; 而H =5L/12 =250 mm 和H=7L/12 =350 mm 时，低速区体积分数均较低，分别为0.944%和0.936%，这一结果与2.2 小节中通过Z 轴上流速分布曲线分析得到的结果非常吻合，可见搅拌器插入高度为7L/12 时，萃取槽内低速区体积分数最小，有利于萃取槽内流体的动量和质量传递。

图6 各方案下萃取槽内低速区体积分数

2.4 萃取槽内流体混匀时间

在得到稳态流场的基础上，激活Species Transport模型，在萃取槽底部以坐标(0.15，0，－0.02) 为中心，半径r=0.15 m 的球形区域内瞬间加入示踪剂。激活非稳态模型，模拟示踪剂在萃取槽内的非稳态扩散过程，并分别监测坐标为( －0.2，0，z) 的个点即A 点－E 点处示踪剂浓度随时间的变化( A 点－E 点所对应的z 值依次为－0.05，－0.5，－0.25，－0.35，－0.45) ，得到典型的示踪剂浓度随时间变化曲线即C － t 曲线如图7 所示( 以1#方案为例) 。

图7 1#方案各监测点处的C － t 曲线

从图7 可知，同一方案中不同监测点处得到的C －t曲线的基本形状类似，各点的起始示踪剂浓度均为0，之后迅速上升，最后逐渐趋于稳定; 而进一步比较各曲线发现，各监测点浓度变化存在一定差异，这主要是由于各监测点与示踪剂加入点之间的相对位置不同造成的。将上述曲线上各点示踪剂浓度C 对时间t 进行数值微分运算，找出浓度对时间的微分约等于0 的点，其所对应的时间即为萃取槽内流体的混匀时间tm( 图7) 。通过计算得到各方案下不同监测点混匀时间如图8 所示。

图8 各方案下不同监测点的混匀时间

从图8 可知，同一方案下不同监测点的混匀时间有差异;各方案下监测点A 处的混匀时间在19.3 s ～24.9 s 之间，B 点在22.6 s ～25.8 s 之间，C 点在26.2 s ～29.4 s 之间，D 点在20.0 s ～25.5 s 之间，E 点在16.9 s ～21.3 s 之间;综合比较各方案下不同监测点混匀时间发现，H=L/12 =50 mm 和H=9L/12 =450 mm 时，各监测点混匀时间均较长，而H =5L/12 =250 mm 时，各点混合时间最短、在19.3 s ～26.2 s 之间，说明其混合效率最高，上述结果与2.2 和2.3 小节的分析结果基本吻合，由此说明搅拌器高度为5L/12 时，混匀时间最短，萃取槽内流体混合性能较好。

综上所述，最终持稀土萃取槽搅拌器的高度确定在5L/12 ～7L/12 范围内，其综合冶金性能较好，这一研究结果可供稀土萃取分离反应器相关领域的研究和设计参考。

3 结 论

(1) 稀土萃取槽搅拌器高度H 为5L/12 ( 即250 mm) 时，萃取槽内Z 轴方向上流体流速分布合理，无明显低速区。

(2) 各方案下萃取槽内低速区流体体积分数介于0.936% ～7.732%之间，搅拌器高度H 为7L/12(即350 mm)时，搅拌槽内低速区体积分数最低，为0.936%。

(3) 搅拌器高度H 为5L/12 时，萃取槽内各监测点混匀时间最短，在19.3 s ～26.2 s 之间。

(4) 自行设计的稀土分离萃取反应器，其搅拌器高度H 在5L/12 ～7L/12 范围内，萃取槽综合冶金性能较好，可供稀土萃取分离反应器相关领域的研究和设计参考。