混合澄清槽澄清室内流场特性测量

叶思施，唐巧，王运东

（1中国石化石油化工科学研究院，北京100083；2 清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京100084）

引 言

稀土元素有元素周期表中镧系15 种元素以及性质相似的钪和钇，共17种元素。稀土元素被称为“维生素”，是重要的战略资源。然而因其性质相似，导致单一稀土元素分离困难[1]。稀土金属的分离工艺涉及多种不同的技术，如分步结晶法、溶剂萃取法、离子交换法、萃取色层法、膜技术、微胶囊技术等[2-8]。溶剂萃取技术是当前实现稀土元素间分离的重要和主要方法[1,9-10]，而混合澄清槽是该过程应用最为广泛的萃取设备，其具有操作适应性强、级数增减容易、设备操作简单等优点。溶剂萃取中发生萃取反应的两相在混合槽中反应完全后，必须经过澄清分相才能实现连续的混合澄清过程。现有工业生产过程中，澄清室存在分相效率低、试剂积液量大、占地面积大等不足，提高澄清室分相性能，减小澄清室体积可以大大改善工业生产成本投入[11]。

关于澄清室的实验测量早在20 世纪初就得到了国内外研究者的重视。而目前研究流场的测量方法主要有激光多普勒测速（LDV）[12]、摄像法[13-14]以及粒子图像测速技术（PIV）[15]等。2011 年，Salem等[16]采 用 彩 色 速 度 测 量（colour velocity measurement）方法对斜板澄清室内速度流场进行测量，同时还开展停留时间分布实验，将实验结果与计算流体力学所获得数据进行对比，对澄清室澄清性能进行改善。2013 年，Mohanarangam 等[17]采用脉冲多普勒超声波速度分析仪（ultrasonic velocity profiling,UVP）对溶剂萃取用澄清室开展流场测量，对两种不同结构澄清室进行比较，指出其实验结果可为计算模拟提供数据支持。2014 年，Alonso 等[18]利用粒子图像测速技术对城市污水澄清过程进行了实验测量，得到了澄清室内速度流场图，为评价和设计澄清室提供了较佳方案。2016 年，Lane 等[19]同样采用安置在澄清室内的超声波剖面仪测量获得了澄清室内不同剖面的油相体积分数分布，为澄清室优化设计提供了重要的设计依据。2017 年，徐培昇[20]基于全逆流混合澄清槽内大流比的水力学实验结果，研究了澄清室的相界面与结构参数的关联。

除了流场特性之外，也有研究者采用各种实验方法获得澄清室内澄清性能的其他表征参数。2011 年，Sadeghi 等[21]通过自制特殊长管对澄清室内进行局部采样，获得了澄清室内局部油相体积分数分布情况。Rajeswari 课题组[22]则在2012 年采用光学原理，利用分散相在连续相中分散时，经光照可以产生散射，再通过捕捉散射光将其散射强度对应转化为电压，可以从数值上观察到混合分散时散射强烈以及分相后散射强度减弱的现象，继而获得体系分相时间，经目测与实验数据对比，误差可控制在5%。张廷安课题组[23-24]更是创新性地采用紫外可见光分光光度法考察了不同操作条件以及不同设计下混合澄清槽内水相夹带量以衡量其澄清性能。黄焜课题组[25]于2017 年考察了水油相比对混合澄清槽的澄清室中分散带厚度的影响，指出分相负荷重时，分散带的厚度会变厚。

澄清室内的分相过程强化是工业应用的最终目标。通过外加场，如外加电场可以改善混合澄清槽的夹带现象[26-27]，改造澄清室结果也是强化分相性能的主要方式之一[28-29]。Lewis 等[30-31]在工业混合澄清槽的澄清室的进料处安置带有水平翼板的挡板，以期增大两相聚集的有效面积进而改善分相性能。苏立民等[32]基于实验室与工业生产，研究了在澄清室内加入助澄清挡板对澄清分相的影响，使用N235/CoNiCl4 等6 个萃取体系，对挡板的型式材料等进行了考察。付子忠[33]在铀纯化的半工业性实验中，对混合澄清槽结构进行了研制，通过澄清室中安装辅助挡板组合（为可拆卸的折叠式倾斜挡板），将混合室与澄清室体积比改造为1∶2。

然而对于澄清室内实验测量方面的研究仍非常有限，故本文采用实验室内现有粒子图像测速技术对澄清室内速度流场进行了测量，比较了不同操作参数下，主要包括混合室搅拌转速、油水两相体积分数以及不同挡板设计对澄清室内流场结构的影响。同时，采用电导率仪获得澄清室水相出口处溶解性总固体浓度，表征油相夹带情况，对不同设计的澄清室进行比较和优化。

1 实验材料和方法

1.1 实验方法

本实验中所研究对象为实验室内已有混合澄清槽，其结构如图1所示，材质为有机玻璃。装置整体总长为800 mm，其中混合槽为200 mm×200 mm的方形槽，总高为390 mm。两个入口以及出口的内径均为16 mm，油水两相均由蠕动泵泵入到混合室中进行混合，混合均匀后在澄清室中澄清分相，分别由油水两相出口流出，该过程为循环流动过程。实验中混合室采用搅拌桨为六叶闭式涡轮桨。

图1 混合澄清槽的实验结构Fig.1 Experimental structure of mixer-settler

本实验所采用的粒子图像测速装置购于德国Dantec 公司，型号为FlowMap 1500 型3D PIV 测速系统，激光器为氦氖激光发生器。示踪剂粒子采用Fluoro-Max 颗粒，其密度为1.05 g/cm3，粒径为31 μm，在水中有很好的流动性。同时，在本实验中还采用与该设备配套的DynamicStudio v3.41 进行数据的采集、分析和处理。图2 给出了本实验中所使用的装置实物图，以及实验中所采用的荧光示踪剂粒子与滤光片，滤光片可以筛选光波，使得相机只能检测到532 mm 波长，其测量原理如图3 所示。图1所示[21]为实验过程中用到的混合澄清槽装置，油相和水相分别通过蠕动泵进入混合室下方的两个潜室，蠕动泵型号为ET600-2J，油水两相通过一个直径为35 mm 的孔进入混合室，经过桨叶的充分搅拌流入澄清室，油水两相在澄清室中分相澄清，通过两相出口流回储罐，完成整个循环过程。

本文实验过程如下：待混合澄清槽稳定操作后，启动粒子图像测速仪，调整好激光器发射及相机拍摄位置，加入荧光示踪粒子开始进行拍照测量。需要注意的是，在每次改变操作参数后，必须使得体系运行稳定后方可进行测量。拍摄得到的图片利用计算机软件进行合并、去背景、消除明显错误点等处理，便可得到该条件下的流场分布图。采集图像区域为X=80～480 mm。

本文还采用DDSJ-308A 电导率仪测量获取澄清室水相出口处溶解性总固体含量，以表征油相夹带情况。溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)，指水中全部溶质的总量，包括无机物与有机物两者的含量。本实验使用的水相为超纯水，无机物的含量可忽略不计，故该值的大小可直接反映出口夹带量的大小。通过对比不同结构下的TDS 值，结合实验测量流场图，可以得到较优的澄清槽结构。

1.2 实验试剂

本实验的研究体系为去离子水-磺化煤油体系（物性参数列于表1）。在该体系中，水相为连续相，油相为分散相。在实际稀土富集实验中，稀土浓度低，则所需要的萃取剂浓度也相对较低，此时体系物性与水-煤油体系物性相差不大[34]。本课题组[35]围绕真实体系在澄清室内的分相效果也开展了一部分模拟和实验研究。

图2 粒子图像测速装置实物图Fig.2 Real picture of particle image velocimetry

图3 粒子图像测速技术原理Fig.3 Schematic diagram of particle image velocity

表1 20℃下去离子水与磺化煤油的物性Table 1 Properties of deionized water and sulfonated kerosene

2 实验结果与讨论

本文考察了不同搅拌桨转速、澄清室内挡板结构以及入口油相体积分数对澄清槽内流场的影响。每两组条件下的测量间隔为30 min，尽量保证测量结果之间不受干扰。

2.1 无挡板结构澄清室内流场测量

在重点探索挡板对澄清室内流场结构的影响之前，本文首先对无挡板结构澄清室内流场进行了PIV测量。

2.1.1 混合室搅拌转速对澄清室内流场结构的影响 固定水相流量为6 L/min，对澄清室进行单相测量，对不同桨叶转速下的流场进行分析。由图4 可以发现，澄清室内流动为典型的径向流动，在靠近底端水相出口处速度矢量变大，而且在较高速度时碰撞底端壁面产生返流。不同转速代表不同能耗输入，当桨叶速度增加，澄清室内湍动增加，速度流场明显变得密集。

2.1.2 油水两相体积比对澄清室内流场结构的影响 增加油相，考察入口处不同油相体积分数对两相流场的影响，见图5。固定桨叶转速为100 r/min，可以发现随着油相体积增加，澄清室内湍动增加，这主要是因为油水两相作用变频繁。同时，随着油相体积增加，澄清室内旋涡流动愈加明显，这与油水两相物性差异有关。

而且增加油相后，主体循环流动与单相形成的旋涡方向相反，这是因为油水两相的密度差使得油相在经过稳流板之后有一个向上运动的趋势，进而改变了水相在碰撞底端壁面后的流动返流方向。

2.2 挡板对澄清室内流场结构的影响

改进澄清槽内部结构是在澄清槽内提高澄清速率的有效方法，而在澄清室内装设栅板或挡板是采用较为广泛的改进方式。于是，本文结合实验室内设备结构，设计了两种挡板，并考察了挡板数量以及挡板安置位置对流场结构的影响。图6所示为两种挡板的结构，挡板的参数如表2 所示。挡板长槽位置固定，分别处于Xa=165 mm，Xb=265 mm和Xc=365 mm 面上。下文将以B 代替挡板缩写，两种挡板分别以1和2来表示，若无挡板则表示为0。

图4 不同搅拌转速下澄清室内速度流场Fig.4 Velocity vector in settler for different rotating speeds

故不同挡板组合的澄清室设计可缩略表示为Babc,a,b,c=(0,1,2),代表依次按照Xa、Xb、Xc三个位置所装设的挡板类型。

图5 不同油相体积分数下澄清室内速度流场Fig.5 Velocity vector in settler for different organic volume fraction

图6 澄清室内挡板设计及安置位置Fig.6 Baffle design in settler

2.2.1 入口油相体积分数对具挡板澄清室流场的影响 固定混合室内搅拌转速为100 r/min，在仅安置一块V形挡板情形下，改变油相体积分数，考察油相对具挡板澄清室内流场的影响。由图7 可以发现，具一块V 形挡板澄清室内单相流场呈现三个主要的循环流动，分别为靠近入口处下部、挡板处以及主体流动处。当增加油相，水相在油相主体中夹带趋于严重，同时靠近入口下部处涡流增加。而且在小范围内随着油相体积增加，其对速度矢量大小影响不大。然而当油相体积过高时，容易导致体系发生乳化现象，采用粒子图像测速技术无法获得设备内流场情况，此时需要借助于其他方法，如计算流体力学方法等，来进行预测和分析。

2.2.2 挡板数量及位置对澄清室内流场结构的影响 固定体积分数为0.025，混合室中桨叶转速为100 r/min，图8 给出了四种挡板设计的水相速度矢量图，由图可发现，对于水和煤油的体系而言，第一块挡板放置的位置对澄清室内流场结构有较大的影响，在第一块挡板油相处均形成了较为明显的循环流动。而且挡板后方水相速度明显降低，且B102的效果与B100的效果相当，即在同一轴向上安置多块挡板时，与距离较远时其对主体流动影响较小。然而安置挡板都导致水相向油相主体内运动，造成油相湍动严重。

为了能够更加直观地评价澄清性能，本研究还对澄清室水相出口处进行了TDS 测量。观察各种挡板设计以及不同油相体积分数下，澄清室水相出口油相夹带率（图9），油相体积分数在0.025～0.075范围内波动时，其对澄清室出口的夹带影响不大，影响夹带结果的主要为澄清室结构。比较不同挡板设计下的夹带数据，可以看出增加挡板设计可以明显改善夹带情况，可将夹带直接减少超1/2。B122虽然挡板数量最多，但其水相出口夹带的油相浓度与仅设置一块Ⅴ形挡板的情况相近（约为3.2 mg/L），这很有可能是因为流体不经过两块矩形挡板，直接在挡板下方流向出口。由图9也可以看出，就TDS 数据而言，B120 与B102 的挡板设计相较另两种设计夹带油相低0.5～1 mg/L。比较B120 和B102，两者效果十分相近，B120略佳，在后期新型澄清室设计上可以再进行考察。

图7 不同油相体积分数下具挡板澄清室速度流场Fig.7 Velocity vector diagrams in settler with baffle for different organic volume fraction

3 结 论

图8 不同挡板设计下澄清室内速度流场Fig.8 Velocity vector diagrams in settler with different baffle designs

本文主要采用粒子图像测速技术对混合澄清槽澄清室内流场特性进行了测量，比较了混合室搅拌转速、油水两相体积分数以及不同挡板设计对澄清室流场结构的影响。

在未增加挡板之前进行PIV 测量可知，澄清室内流动较为规律，呈现径向流动，主体存有明显循环流动，且其流动方向在增加油相后会发生改变，然而小范围内改变油相体积分数对流动结构影响不大。

图9 不同设计下澄清室水相出口处油相夹带Fig.9 Organic entrainment in aqueous outlet of settler with different baffle designs

在澄清室内增设Ⅴ形挡板和矩形挡板后，挡板后方速度明显降低，有利于分相，然而挡板设计会加强澄清室内湍动，又不利于分相。同时，在具同样数量挡板时，挡板安置位置过远对流场影响较小；而安置较多块挡板时，挡板间距过小会使得流体流动形成短路，不利于分相。为了能够更直观评价分相效果，本文还借助电导率仪获得澄清室水相出口处油相夹带情况，验证了挡板数量与位置对流动的影响。

粒子图像测速技术局限于实验条件，高搅拌转速与高油相体积分数均会出现乳化现象影响测量，此时需要借助于其他方法对设备内流场进行更佳的预测与分析。计算流体力学被广泛运用于工业设备理论计算，本课题组也将会采用CFD 方法在澄清室内流动特性上开展更为深入的研究。