逄启寿，万福兴，王高平

(江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000)

稀土混合澄清槽是实现相与相之间的混合和澄清的设备，包括混合室和澄清室.混合室用于料液的搅拌与混合，使料液更加充分的接触，便于两相之间的传质；澄清室可以让两相静置后分层.目前，国内外所采用的稀土萃取槽大多为方形萃取槽[1]，但方形萃取槽在四角区域的流体容易出现“打旋”现象，在四角位置形成混合死区，对料液的混合不利.而圆筒式萃取槽内流体均在进行有效流动，其流动性相比于方形萃取槽更好.现国内外学者主要以改变萃取槽结构为研究方向，已有学者研究搅拌桨形状、搅拌桨离底高度以及搅拌桨转速对于稀土萃取槽混合室混合效率的影响.其中，冯羽生等[2]对圆筒式萃取槽搅拌桨离底高度与搅拌桨转速进行了相关研究，得出安装高度为50 mm、转速为260～340 r/min时效果最好.龚姚滕等[3]以某方形萃取槽为研究对象，对多种搅拌桨形式进行了研究，对比分析了各类搅拌桨的优缺点.目前国内外学者对于萃取槽搅拌桨的研究已较为成熟，但对于槽体结构的研究较少.本文在先前学者对于搅拌桨的研究的基础上[4]，通过在圆筒式萃取槽混合室内壁增加挡板对稀土萃取槽进行结构改进，借助有限元软件对混合室内流场进行模拟，研究挡板宽度以及挡板倾角对稀土萃取槽混合室内两相混合效率的影响.

具体地，以赣州某企业生产线上的无前室重稀土圆筒式萃取槽作为研究对象，在稳定流场的基础上，对3种不同挡板宽度下料液的混合过程进行仿真模拟；利用示踪剂法来观察萃取槽混合室内料液的混合情况，通过各个监测点的浓度变化，计算出萃取槽混合室的搅拌混合时间[4]；根据不同挡板宽度下流场的变化，得出挡板的最优参数，以期为改良稀土萃取设备提供一定的理论指导.

1 模型建立

以赣州某企业生产线上的无前室小型重稀土圆筒式萃取槽中的混合室为分析对象，该圆筒式稀土萃取设备主要针对重稀土镝、铽的分离提纯而设计.外形为圆筒式的混合室和澄清室，混合室的料液由顶部和侧面的管道流入，该重稀土生产线是由多级混合室和澄清室一起串联而成.其整体结构是由PVC板焊接而成，内部相关参数尺寸如图1(a)所示，深度为300 mm，外径为200 mm，内径为180 mm，筒的总容积约为 7 L，有效液面高度为200 mm，有效液体体积约为5 L.混合室内的搅拌桨采用企业现在使用的单层梯形搅拌桨，搅拌桨直径为16 mm，根据实际生产安装情况以及参考搅拌桨研究的相关文献，选择搅拌桨转速为290 r/min，搅拌桨底部距离筒底的高度为15 mm，挡板均匀分布于槽内部，萃取槽混合室三维模型如图1(b)所示.

图1 小型重稀土圆筒式萃取槽混合室(单位：mm)Fig.1 Mixing chamber of small cylindrical extraction tank for heavy rare earth elements (unit:mm)

2 数值模拟参数及方法介绍

2.1 相关物质参数

运用Fluent中两相流模型的混合模型对混合室进行仿真分析.将水相和有机相P507的混合料液作为萃取槽混合室中的工作介质，设置第一相为水溶液，第二相为P507有机溶液，模拟重稀土萃取混合过程，研究其内部流场特性[5].相关工作介质参数如表1所示.

表1 介质物性参数Tab.1 Physical parameters of the medium

然后在稳定流场的基础上，将Fluent中的稳态求解更改为瞬态求解，利用示踪剂法加入示踪剂(仿真时料液与示踪剂设置为不同的颜色)，利用组分传输模型，通过观察和分析各个监测点处示踪剂的浓度变化来反映稀土萃取槽混合室料液混合均匀的时间.所选择示踪剂为NaCl，其可与稳态下的工作介质互溶，其相关属性如表2所示.

表2 NaCl示踪剂相关属性Tab.2 Related properties of NaCl tracer

2.2 数值模拟过程

本研究采用仿真软件，根据流体力学理论和计算方法选择合适的数学模型.在进行稀土萃取槽混合室内部流场特性分析时，选用的流体计算模型为湍流模型、多相流模型和多重参考系模型，该阶段不涉及质量传递方程；在萃取槽混合室内部流场稳定后通过研究示踪剂在其内部流体中的扩散现象来反映料液的混合效果，分析示踪剂浓度随时间的变化规律，利用示踪剂浓度场来判断混合室内料液的混合时间；该阶段选用的计算模型为组分传输模型.

在不同计算阶段选择相应的数学计算模型后，依次进行流体区域的网格划分、计算域和边界的处理、仿真计算模型的设置等步骤.

2.3 仿真计算模型设置

导入相应的稀土萃取槽混合室的计算域网格后进入Fluent进行相应的参数设置.设置如下：

1) 基于不可压缩的多相流混合模型，选择基于压力的解算器.

2) 选择计算模型类型为多项混合模型，定义第一相为水溶液，第二相为P507有机溶液,假定料液处于完全湍流运动.

3) 搅拌桨转速为290 r/min.

4) 设置其他边界为无滑移静态边界.

3 仿真结果分析

3.1 不同挡板宽度下的流场特性分析

针对小型重稀土圆筒式萃取槽混合室内不同宽度的挡板对混合室内流场的影响进行仿真计算，分析在不同宽度的挡板下混合室内速度场和湍动能的变化情况，得出该型萃取槽混合室内的合理挡板宽度范围.该型萃取槽混合室内有3块厚度为10 mm的直挡板垂直均匀分布于筒的内壁.由于该型萃取槽混合室的内径为180 mm，搅拌桨桨叶下端面宽度和桨轴直径之和约为96 mm，考虑到挡板宽度过大，会导致桨叶端部与挡板之间流体的流动间隙很小，严重影响萃取槽混合室内流体的流动，故选取挡板宽度L(挡板端部至筒内壁距离)的范围为5～30 mm，对该区间的挡板宽度L进行五等分取点的仿真分析.

3.1.1 速度场分析

为了更加清楚地观察重稀土圆筒式萃取槽混合室内流体的速度(v)分布情况，故选取混合室内的中心截面、距筒底55 mm(搅拌桨中部)处的横截面的速度云图和离筒底高度15 mm处的速度云图进行对比分析.图2为重稀土圆筒式萃取槽混合中心截面的速度云图(挡板在右侧).

图2 不同挡板宽度在中心截面处的速度云图Fig.2 Velocity cloud of central section with different baffle widths

由图2可知：1) 搅拌桨桨叶端部的速度明显大于周围的速度，且呈现出速度大小由桨叶端部向筒壁减小的趋势；重稀土圆筒式萃取槽混合室内混合液底部和顶部的速度较大，搅拌桨的轴附近混合液的速度较小，趋势为由轴到搅拌桨端部区域速度由小到大.2) 随着挡板宽度L的增加，筒壁附近的混合液速度减小，且筒壁附近混合液速度较大的区域面积也在减小，能使混合液各区域的流速分布更均匀，混合更充分.3) 随着档板宽度的增加，混合室内的混合液速度减小，一方面，减小了混合液对筒壁的作用，可适当延长萃取槽混合室的使用周期，减小设备维护成本[6]；另一方面，流速过小会影响萃取槽混合效率.具体地，当L=20 mm和L=25 mm时，萃取槽混合室内混合液速度分区较均匀；当L=30 mm时，因为挡板与搅拌桨端部间的间隔过小，筒内混合液除搅拌桨区域外的液体速度很小，液体的流动较微弱，对液体的混合不利，影响两相之间的传质[7].

图3为不同挡板宽度在离筒底高度55 mm处的速度矢量图.由图3(a)所示，重稀土圆筒式萃取槽混合室中的流体未出现“打漩”现象和搅拌“死角”，但出现了以搅拌轴为中心的“中心回转区”，导致混合室内大量流体只能在搅拌叶外围区域流动，无法进入桨叶搅拌区域，从而导致混合室内料液的搅拌效果较差.如图3(b)～(d)所示，随着挡板宽度L从10 mm增加到20 mm，抑制了流体的切向流，流体的圆周运动有相应减弱.如图3(e)和(f)所示，随着挡板宽度L的继续增加，挡板与筒壁相连处的“混合死区”范围也在逐渐增大，尤其是挡板宽度L超过20 mm时，筒内流体在挡板与筒壁相连处出现了较为明显的“混合死区”现象，不利于混合室内流体的混合.相较而言，当挡板宽度L∈[10,20]时，混合室内流体未出现搅拌“死角”与“混合死区”，且流体的圆周运动有所减弱，有利于混合室内的流体进行有效混合.

图3 不同挡板宽度下在离筒底高度55 mm处的速度矢量图Fig.3 Velocity vector diagram of different baffle widths at the height 55 mm from the bottom of the cylinder

3.1.2 混合时间分析

不同挡板宽度L下，重稀土圆筒式萃取槽混合室内各个监测点处示踪剂NaCl的浓度随时间的变化如图4所示.

P1点位于萃取槽混合室的最底部，离槽底高度10 mm; P2点处于混合室内料液的中间位置，离槽底高度100 mm; P3点距离示踪剂的投料点最远,离槽底高度190 mm.图4 不同挡板宽度下萃取槽混合室内各监测点的浓度变化曲线Fig.4 Concentration change curves of each monitoring point in the mixing chamber of the extraction tank under different baffle widths

由图4可知，重稀土圆筒式萃取槽混合室内的示踪剂NaCl在各监测点的浓度在初始阶段波动较大，之后逐步衰减，最终达到一个稳定状态.稳定的浓度意味着该点已完全混合均匀[8].在不同挡板宽度(L=10 mm、L=15 mm和L=20 mm)下，萃取槽混合室内各监测点的示踪剂浓度波动有区别.P1点更加靠近于示踪剂的添加位置，最先监测到示踪剂NaCl，且在3种挡板宽度下示踪剂的浓度均在1 s附近达到峰值；P2点监测到示踪剂的时间略晚于P1点；P3点离示踪剂添加位置最远，所以最晚监测到示踪剂.当P3点浓度达到稳定时，即可认为两相混合均匀.对比分析图4(a)～(c)可得：当挡板宽度L为10和15 mm 时，P3点示踪剂浓度达到稳定的时间波动不大，但当挡板宽度为20 mm时，P3点示踪剂浓度达到稳定的时间略有增加，说明挡板宽度过大会延长混合室内料液的混合时间，降低其混合效率[9]，挡板最佳宽度在10～15 mm之间.进一步结合速度云图分析，选择15 mm作为挡板宽度的最佳尺寸参数值.

3.2 不同挡板倾角下的流场特性分析

3.2.1 速度场分析

为了更加清楚地观察重稀土圆筒式萃取槽混合室内流体的速度分布情况，选择不同角度下混合室的中心截面速度云图对比分析.如图5所示.

图5 不同挡板倾角α下在中心截面的速度云图Fig.5 Velocity cloud of central section with different baffle inclinations α

从图5中可以对比看出，不同挡板倾角α在中心截面的速度云图基本相似.速度最大值集中在搅拌桨的端部、搅拌区域液面最高点和搅拌筒底部；速度分布由搅拌桨轴向筒壁分区域分散.由图5(d)和(e)对比可得出，当α在90°附近时，速度分布云图基本一致；由图5(a)～(c)图对比可得出，随着挡板倾角α的减小，混合室内更接近挡板的流体的速度出现波浪状分布，且该区域集中在搅拌筒的中上部，这是因为混合室内流体随着搅拌桨产生了旋转，因为挡板的倾斜方向与搅拌桨旋转方向相同，部分流体出现了向筒上方运动的现象，该现象有利于萃取槽混合室底部的流体被带入到中上部，且此状况下流体在桨的高速旋转作用下会产生轴向流动，有利于料液的剪切作用，使室内料液混合较为均匀，有利于两相之间的传质[11].由图5(c)图可明显看出该类状况，说明适当的挡板倾角α有利于混合室内流体产生轴向流动，有益于料液的混合均匀.

为了较为直观地看出挡板倾角α对重稀土圆筒式萃取槽混合室内流体轴向运动的影响，图6给出了不同挡板倾角α下在中心截面的速度矢量图.

由图6可看出，当挡板倾角α为89°时，筒壁区域的轴向速度矢量未出现，而当挡板倾角α<87°时，筒壁区域的轴向速度矢量产生，说明挡板与筒底呈现一定倾角是有利于萃取槽混合室内流体产生轴向速度的.由图6(a)～(d)图可看出，轴向速度区域较大的为图6(c)，说明当挡板角度α∈[81°,85°]时，混合室内流体所产生的轴向流动较多，在搅拌桨的作用下，从而有利于料液的剪切，达到较好的混合效果.

3.2.2 湍动能分析

选取挡板安装倾角为89°、87°、85°、83°和81°的湍动能(k)云图进行对比分析.如图7所示.

图6 不同挡板倾角α下在中心截面的速度矢量图Fig.6 Velocity vector diagram of central section with different baffle inclinations α at

图7 不同挡板倾角α下的湍动能分布云图Fig.7 Cloud diagram of turbulent kinetic energy distribution at different baffle inclinations α

从图7中可以看出，不同挡板倾角α下流体各位置的湍动能分布几乎相同.湍动能最大值都是在搅拌桨的上端面区域，呈现出由搅拌桨上端面中心向搅拌浆轴和筒壁逐渐减小的趋势；湍动能较大值均出现在搅拌桨周围，与搅拌桨附近流体速度较大基本一致.从图7(a)～(c)可看出，随着挡板倾角α的增大，筒壁区域流体的湍动能出现较为密集的阶梯状分布，且该变化强度在逐渐减弱.从图7(d)～(e)可看出筒壁区域流体的湍动能的密集阶梯状分布较为稀少，尤其是重稀土圆筒式萃取槽混合室内流体的中部区域.筒壁区域流体的湍动能较为密集变化有利于混合室内其他区域流体流动，进而导致料液的充分流动.因此当挡板倾角α在81°至85°该变化较为明显，较有利于萃取槽混合室内流体的流动，从而达到更加有效的混合.为了更加直观地显示挡板倾角α与湍动能之间的关系，绘制最大湍动能曲线如图8所示.

关注度可以在一定程度上说明潜在的客流量,通过对景区关注度的空间分析,可以发现客源地所在,结合时间特征,可以有针对性地开展宣传和举办节庆活动,主动吸引潜在游客,增加游客量[17]．

从图8中不同挡板倾角α萃取槽混合室内流体的湍动能变化趋势可以看出：随着挡板倾角α的增加，萃取槽混合室内流体的最大湍动能值呈先增大后减小再增大的趋势.在α=87°时，最大湍动能值达到最小，此时混合室内流体混合效果最差；α=83°时，最大湍动能值最大.结合图7湍动能分布云图可得出，当α=83°时，此时萃取槽混合室内流体流动较佳，料液混合效果较好[12].

图8 不同挡板倾角下萃取槽混合室内 流体的最大湍动能变化图Fig.8 Variation of maximum turbulent kinetic energy of the fluid in the mixing chamber under different baffle inclinations

4 实验结果分析

图9 实验装置示意图Fig.9 Experimental schematic diagram

采用赣州某稀土企业所使用无前室重稀土圆筒式萃取槽进行试验，分别制作不同挡板宽度萃取槽混合室，利用水与萃取剂P507两相进行搅拌混合实验，通过测量萃取槽混合室内电导率判定两相混合程度，实验装置图如图9所示.实验使用电导率测定仪(上海越平DDS-307型)进行测量，当开始搅拌时，由于有机相萃取剂P507密度小于水相，电导率测定仪测量位置测定结果为P507有机相电导率，当两相开始搅拌混合，由于水与萃取剂P507电导率不同，测得的电导率将发生改变，并且电导率大小与两相混合程度相关，当后续测量电导率维持较稳定状态时判定为两相混合程度较高，并在圆筒萃取槽中间靠壁位置测量液体流速.结果如表3所示，通过对比实验结果，可以看出挡板宽度为15 mm时混合时间最短，由于仿真模拟中各条件相对理想化，导致实验测得混合时间相比于仿真结果略大.

表3 实验结果Tab.3 Experimental results

结合实验分析，实验结果与仿真模拟结果接近，验证挡板宽度为15 mm时萃取槽混合室效率最高，经仿真模拟与实验分析后，已将该稀土萃取槽设备制作并投入生产，加入挡板后萃取槽混合室效率有所提高.

5 结 论

本研究在结合企业现有的稀土萃取槽基础上，对萃取槽混合室内档板结构进一步优化，利用仿真软件对不同挡板宽度与倾角进行了仿真模拟，从而得出挡板宽度与倾角的最优参数，结论如下：

1) 挡板的加入改变了搅拌轴区域的流体速度，使该区域流体速度变大，增强了流体的流动性.

2) 随着挡板宽度L的增加，可以改善混合室内流体的混合效果，但当挡板宽度L超过15 mm时，不利于流体整体混合与传质；当L=30 mm时混合室内流体的湍动能最大值小了许多，这样造成流体可能混合效果较差.说明合理的挡板宽度能够提高萃取槽混合室内流体的混合效果.

3) 当挡板宽度L∈[10,15]时，随着挡板宽度L的增加，混合室内料液的混合所需的时间波动不大；当挡板宽度L∈(15,20]时，随着挡板宽度L的增加，混合室内料液的混合所需时间略有增加.说明挡板宽度过大会延长料液的混合时间，降低混合效率.

4) 挡板的倾斜方向与叶片的转动方向一致时，有利于料液的切向运动和轴向运动，说明适当的挡板倾角α对料液的混合和两相之间的传质有利.

5) 通过萃取槽内挡板结构的改变，在实际萃取过程中，相比于无挡板结构萃取槽混合室，能够略微缩短料液的混合时间，从而提高萃取槽的萃取效率.