稀土萃取三层搅拌桨不同插入深度对搅拌的影响

逄启寿，曾文星

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

在稀土萃取工业中，混合澄清槽以其独特性能和简单结构得到广泛应用［1］。在混合槽中对两相流体进行混合搅拌［2］，搅拌桨的形状和安装位置有一定影响［3－5］。但在稀土萃取实际生产过程中，搅拌桨的尺寸一般情况下是不变的，而搅拌桨在槽内的安装位置则可以调整［6］，在设备安装过程中也经常会遇到安装位置问题［7－8］。为此，运用流体动力学Fluent软件，根据搅拌桨对进口处产生的负压大小和湍流能量分布情况，对搅拌桨在槽内不同深度下的搅拌混合特性进行分析，得出不同深度下的搅拌特性，从而确定搅拌桨的最佳深度，为实际生产设计提供相应的参考依据。

1 混合槽及搅拌桨模型

在稀土萃取工业中，3层搅拌桨混合澄清槽最典型的混合室容积有100、246、400、750L4种，搅拌桨的尺寸各不相同。此种3层搅拌桨相对于2层和单层搅拌桨来说具有混合时间短、搅拌效果好的优点。大量试验研究表明，此种3层搅拌桨的底层桨叶距前室料液出口的距离应该控制在30～50mm之间。如果小于30mm，则萃取槽上半部分的湍流强度很小，上半部分的混合相对较慢，混合时间变长，混合效率大大降低；如果大于50mm，则搅拌桨底部的抽吸力变得很小，不利于混合液体从前室进入混合室，也会影响搅拌效果。试验通过软件仿真得出此种4叶半开启涡轮3层搅拌桨底层桨叶距离前室料液出口在30～50mm范围内的最佳位置。

容积为400L的混合澄清槽结构如图1所示。

图1 混合槽搅拌桨模型图

混合澄清槽边长为690mm、有效液面高度为840mm，无挡板。搅拌桨为3层叶轮结构，上2层为平直桨叶，长210mm，第1层宽80mm、第2层宽90mm，厚8mm；第3层为4叶半开启涡轮，桨叶直径210mm、宽100mm；各桨叶跨距均为140mm，搅拌轴转速为300r／min。

2 两相混合液物性参数

以水相和有机相（酸性磷类萃取剂P507）的混合液为工作介质。两相物性参数见表1。

表1 两相介质物性参数

3 浆叶插入深度对搅拌的影响

3．1 对压力的影响

利用Gambit软件进行前期建模，采用非结构化网格划分区域，最后设置好边界条件，把模型导入Fluent进行模拟计算。建模时，取搅拌桨底部到混合槽底部的距离y的30组数据，得到如表2所示的30组结果。

表2 仿真模拟结果

为使混合液体从前室进入混合室并进行混合搅拌，进口处的压力必须保持负值才能产生抽吸力，并且负值越大越好。由表2数据可知：y为30 mm和43mm为进口负压极值点，两点的负压值分别为－3．98和－3．76MPa。两点的静压力云图如图2、3所示。按负值越大越好的原则，y为30mm为压力最佳点。

图2 y＝30mm处的静压力云图

图3 y＝43mm处的静压力云图

3．2 湍流能量分布

y为30mm和43mm2个最佳极值点的湍流能量分布如图4、5所示，其中纵坐标为湍流能量，横坐标为搅拌桨的横向分布位置，零点为搅拌桨的轴中心。

图4 x＝0、y＝30mm处的湍流能量分布

图5 x＝0、y＝43mm处的湍流能量分布

可以看出：搅拌桨叶片边缘的湍流能量最大，向槽壁和搅拌桨中心减小；两点的桨叶边缘和槽壁的湍流能量相近；但y为30mm时，在轴中心的湍流能量要明显大于y为43mm时轴中心的湍流能量，此时混合效果更好。因此，y＝30mm为最佳。

4 结论

模拟仿真分析结果表明：根据进口所需的负压值分析，y为30mm为最佳极值点，此点对进口混合液的抽吸效果最好；根据搅拌湍流能量分析，y为30mm时，湍流能量分布最优。因此，y为30mm是搅拌桨安装的最佳位置。

用同样方法可以得出，容积为100L的混合槽的搅拌桨最佳安装位置y＝42mm，246L混合槽搅拌桨的最佳安装位置y＝39mm，750L混合槽搅拌桨的最佳安装位置y＝33mm。此研究结果可供三层搅拌桨的现场安装时参考。

［1］Suzukawa K，Mochizukib S，Osakac H．Effect of the Attack Angle on the Roll and Trailing Vortex Structures in an Agitated Vesselwith a Paddle Impeller［J］．Chemical Engineering Science，2006，61（9）：2791－2798．

［2］曾令辉．稀土萃取搅拌反应器结构参数的研究与优化［D］．赣州：江西理工大学，2008．

［3］周国忠，施力田，王英琛．搅拌槽内近桨区流动场的数值研究［J］．高校化学工程学报，2002，16（1）：17－22．

［4］孙会，潘家祯，崔宁，等．带有内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究［J］．高校化学工程学报，2005，19（3）：315－319．

［5］Jaced K H，Mahmud T，Zhu J M．Numerical Simulation of Turbulent Batch Mixing in a Vessel Agi－tated by A Rushton Turbine［J］．Chemical Engineering and Processing，2006，45（2）：99－112．

［6］孙会，潘家祯．带有新型内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究［J］．化工学报，2006，57（1）：13－20．

［7］张国娟，闵健，高正明，等．翼形桨搅拌槽内混合过程的数值模拟［J］．高校化学工程学报，2005，19（2）：169－174．

［8］Sakakura K，Shiojima T，Yamamoto S．Numerical Simulation of Double Helical Ribbon Agitators Using Three－dimensional DEM Simulation［J］．Japan Society of Mechanical Engineers，2005，703（71）：766－772．