石 振,段晓霞,陈 猛,蔡卫滨
(1.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院,北京 100083;2.中国科学院过程工程研究所 中国科学院绿色过程与工程重点实验室,北京 100190;3.中国科学院大学 化学工程学院,北京 100190)
双氧水是一种绿色的化工产品,应用前景广阔[1-3]。双氧水生产通常采用蒽醌法,蒽醌经氢化、氧化后,生成双氧水,随后通过筛板萃取塔,以水为萃取剂从工作液中萃取双氧水。在筛板萃取塔中,水作为连续相由塔顶流入,经过降液管流下,在塔板上做横向流动,继续沿降液管流入到下一块塔板上。工作液作为分散相由塔底进入,经塔板筛孔被分散成小液滴与水相接触并萃取,随后在上层塔板底下聚并[4]。在工业中,分散相和连续相流速比多在30~70∶1之间,完成萃取需要约三个理论级,但需要50块左右的塔板,每块塔板的效率仅有6%左右。研究塔内两相流动情况,对改进筛板萃取塔的萃取效果,具有重要指导意义。
图1 筛板萃取塔原理意图
计算流体动力学技术[5]简称“CFD”是通过计算机数值计算和图像显示对流动、对流等现象进行精确系统的分析,把在时间域和空间域上连续的物理的量的场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[7],CFD模拟不受模型尺寸和人身安全的影响,节约时间减少资金投入。
表1 计算域结构
本文采用CFD进行二维两相流模拟,水为连续相密度998.2 kg/m3,黏度10-3kg/m·s,工作液为分散相,密度865 kg/m3,黏度0.001154 kg/m·s。取两块塔板中间截面为计算区域,其结构尺寸如表1所示,采用fluent对筛板塔进行二维模拟,湍流模型选择k-e方法和标准的壁面函数,边界条件油和水入口处速度如表2所示,出口采用自由出口,油水入口处水力学直径D为0.24 mm和0.06 mm,油水入口处湍流强度分别为3.57%和1%。压力相差分方法为标准差分,采用和一阶迎风格式,压力速度耦合相为SIMPLE算法,残差设定为10-3,并监视出口流量。用gambit对计算区域进行前处理进行网格划分,采用四边形网格,网格尺寸为5 mm,网格划分为13506个,计算域的物理模型及网格如图2所示。
表2 不同速度的入口边界
图2 计算域物理模型和网格
筛板萃取塔两相流动的CFD模拟结果如图3、图4所示。从连续相的流动看,都存在比较大的漩涡,这是降低塔内传质性能的主要原因。在油相流量不变的情况下,随着水相流量的减小,水相形成的涡流面积增大。从油相矢量图看,由于连续相产生的漩涡,油相也相应产生漩涡,并且向塔中间的集中。随着水相流量减小,分散相向塔中间的集中更严重,这会减少油水接触时间,降低传质效率。
图3 水相速度矢量图
图4 油相速度矢量图
王冰[8]研究了筛板萃取塔中,降液管结构对单相流动的影响,结果表明,通过对降液管开孔倾斜放置以及在右侧加入挡板,可以有效改善连续相的流动。基于此结果,本文以速度Y进行两相流动模拟,结果如图5所示。可以看出,这些措施可以在一定程度上减小水相涡流,改善水相和油相的流动,但改进幅度有限。通过向筛板间填充填料,可能是提高筛板萃取塔效率的一个有效决方案。
图5 水相与油相速度矢量图
在油相流量不变的情况下,随着水相流量的减小,水相形成的涡流面积增大;由于连续相产生的漩涡,油相也相应产生漩涡,并且向塔中间的集中,降低传质效率。
通过对降液管开孔倾斜放置以及在右侧加入挡板,可以有效改善连续相的流动,这些措施可以在一定程度上减小水相涡流,改善水相和油相的流动,但改进幅度有限。通过向筛板间填充填料,可能是提高筛板萃取塔效率的一个有效决方案。