搅拌混合槽内混合过程的数值模拟

吴富姬

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

液体的混合效果与混合槽内流体的流动密切相关。为了更好地了解和掌握料液的混合过程与混合时间，对槽内料液的流场和混合过程进行研究至关重要。搅拌桨形式对料液的混合过程影响较大［1－2］。本文针对两种搅拌桨模型与其对应的混合槽，研究了水相和P507有机相的搅拌混合过程。

1 双层搅拌桨混合过程的数值模拟

混合时间是通过测量某一监测点的示踪剂浓度达到最终稳定值的95%所用的时间而求得。试验研究了z＝116～140mm、总共13组层间距的混合时间。由不同的示踪剂加入点位置和监测点位置得出的混合时间是不同的，所以，只有在相同的示踪剂加入点位置和监测点位置处得出的混合时间才具有可比性［3］。

1．1 示踪剂的加入

用NaCl作示踪剂，通过FLUENT软件中的“Adapt”→“Region”确定示踪剂的加入点位置。根据坐标确定相应的示踪剂加入点，然后以该点为中心定义一球体。定义两个示踪剂加入点，球体直径为30mm，即表面加料点FA（x＝0，y＝110，z＝475，r＝15）和底部加料点FB（x＝0，y＝110，z＝－10，r＝15）。选择3个监测点P1（x＝0，y＝－185，z＝475），P2（x＝0，y＝－185，z＝280）和P3（x＝0，y＝－185，z＝－10）。加料点和监测点位置如图1所示。

图1 加料点和监测点位置示意图

1．2 初始条件的设置

确定好示踪剂的加入点后，利用初始化功能中的打补丁功能（Patch）定义示踪剂的初始浓度［4］。具体做法是：将定义的15mm球体的示踪剂的初始浓度值定义为1，槽内其余位置的浓度值定义为0。当某一监测点测到的示踪剂浓度值达到最终稳定浓度值的95%时，所用的时间即为该点处的混合时间。

1．3 混合和反应模型的设置

对混合过程的模拟除了要用到标准κ－ε模型之外，还要启用物质传递模型（species model）、激活组分运输项（species transport）来表示示踪剂的扩散过程，观察示踪剂浓度随时间的变化。不激活反应项（reactions），保证物料之间不会发生化学反应，只进行单纯的混合。

1．4 收敛残差与时间步长的设置

数值模拟计算得到的值只是近似值，用残差表示误差，示踪剂浓度的收敛残差设置为10－5。时间步长取值不能太大，否则会导致计算结果不收敛，影响精确性。一般取小于转速倒数的1／10［5］，如转速为300r／min，则时间步长可以取0．000 2s。然后进行迭代，直到收敛。

1．5 结果与分析

图2为搅拌桨层间距z为124mm和136 mm、底部FB加料时不同时刻示踪剂浓度分布情况，左图搅拌桨层间距为124mm，右图搅拌桨层间距为136mm。可以清晰地观察到，层间距不同时，示踪剂在槽内的扩散速率是不同的：初始时示踪剂在槽内的浓度分布是相同的；混合10s后，搅拌桨层间距为136mm的扩散范围明显更大，扩散速率更快，混合效果更好；混合40s后，搅拌桨层间距为124mm，示踪剂还没有完全扩散，搅拌桨层间距为136mm示踪剂扩散完全，混合均匀。

图2 层间距为124mm和136mm双层桨搅拌不同时间示踪剂浓度分布

表1给出了搅拌速度为300r／min条件下双层桨不同层间距对底部FB加料、P2检测时的混合时间的影响。

表1 搅拌桨层间距对混合时间的影响

从表1看出：层间距为136mm时，混合时间最短，由此说明模拟所用双层桨的最佳层间距是136mm。需要指出的是，混合时间只是在特定条件下的模拟值，除与转速有关外还与模拟时所选的湍流模型、变量的离散方法等有关。用多重参考系法和标准κ－ε模型模拟的混合时间比试验值大20%左右，但是同等条件下的模拟结果还是能够反映搅拌桨的混合速率［6］。

2 三层搅拌桨混合过程的数值模拟

搅拌槽容积为246L，所用搅拌桨为三层结构。

进口处的压力对混合过程影响很大，进口处负压越大，搅拌桨的泵吸效果越好，越有利于料液进入混合室。特定的混合过程中，一整套的混合澄清设备除搅拌桨的插入深度是变化的之外，其他（搅拌桨的转速，设备的形状与尺寸，料液的浓度等）参数一般是固定不变的。实际生产中，搅拌桨的插入深度y的可调范围是20～50mm。根据搅拌桨插入深度y（即搅拌桨底部到槽底的垂直距离）与进口负压值之间的关系，可以确定最大y值，即搅拌桨最佳插入深度［7］。

16组不同插入深度条件下的压力场进口处负压值见表2。

表2 不同y值条件下的进口负压值

图3给出了y＝22、28、30、40、50、80mm 时x＝0平面的压力云图。根据图6和表2可直观地看出进口负压及分布范围。当y＜30mm时，随y增大，进口负压值增大，负压区域略有增大；当y＞30mm时，随y增大，进口负压值和负压区域都有变小趋势；y＝30mm时，对应的进口处负压最大，为－442Pa，并且这个位置的负压区域明显比其他位置的更大，所以最佳插入深度是y＝30mm。

图3 不同y值条件下x＝0平面的压力云图

3 混合设备的工程应用

本研究涉及的搅拌桨和搅拌槽已在江铜四川稀土有限责任公司的稀土萃取车间得到应用。

经过一段时间的试运行，双层桨的层间距为124mm时，上层料液的混合非常不充分，混合时间大约为54s；层间距为148mm的搅拌桨混合效果也不理想，料液上层易形成漩涡，并且分区流动现象较明显，萃取剂多停留在上层，混合时间约为56s；层间距为136mm的搅拌桨搅拌效果最佳。

桨径为180mm的三层桨在246L搅拌槽中插入深度为30mm时，搅拌效果最好。

4 结论

用NaCl作示踪剂，研究了搅拌桨叶不同层间距对混合时间的影响。层间距为136mm时混合时间最短，上下两层桨叶的干扰最小，混合效果最好。对于三层搅拌桨，插入深度为30mm时搅拌效果最好。

［1］龚姚腾，曾令挥，肖顺根．不同搅拌桨形式对稀土萃取槽内搅拌效果的影响模拟分析［J］．湿法冶金，2009，28（1）：49－52．

［2］刘飞飞，贺强．带双层桨的钨矿碱煮浸出槽内流场仿真分析［J］．湿法冶金，2013，32（2）：101－104．

［3］侯拴弟，张政，王英深．涡轮桨搅拌槽流动场数值模拟［J］．化工学报，2001，52（3）：241－245．

［4］张国娟，闵健，高正明．涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟［J］．北京化工大学学报，2004，31（6）：24－27．

［5］杨锋苓．摆动式搅拌流场与混合过程的数值模拟［D］．济南：山东大学，2007．

［6］周国忠，王英深，施力田．搅拌槽内三维流动场的RNGκ－ε数值模拟［J］．北京化工大学学报，2002，29（2）：15－19．

［7］逄启寿，曾文星．稀土萃取三层搅拌桨不同插入深度对搅拌的影响［J］．湿法冶金，2013，30（1）：61－63．