混合澄清槽中液—液两相流的计算流体力学研究

发布时间：2020-09-07 12:18

　　液-液非均相混合和传质,是液液萃取等化工操作的基本过程。多级液液萃取过程,广泛采用多级混合澄清槽为基本设备类型。在混合澄清槽中,液-液两相间的分散和凝并决定了萃取级的效率。本文应用计算流体力学模拟技术,并耦合群体平衡模型作为研究手段,采用Realizableκ-ε 型作为湍流模型以及Eulerian模型作为多相流模型,群体平衡模型中分别以Luo模型和Turbulent模型作为液滴的破碎模型及聚并模型,采用多重参考系方法处理桨叶区,对配有大三角型桨和闭式涡轮桨的混合澄清槽进行了数值模拟。在水-煤油体系中,考察了搅拌桨型、搅拌功率等结构和操作参数的变化对油相的分散情况和流场分布的影响。论文主要得到以下结论:在较低功率水平下,组织实验研究考察液-液两相流中分散相滴径分布,以验证多相流模型和湍流模型的准确性。结合实验结果,比较群体平衡模型中Luo破碎模型和Lehr破碎模型的适用性,发现油滴滴径分布呈现对数正态分布,并且Luo模型对油滴破碎预测更为准确。系统考察了不同桨型搅拌操作下混合室中的流场分布和分散相分布特性。研究发现,闭式涡轮桨的抽吸力优于大三角型桨,但是大三角型桨的主体循环流量大,循环流动的分布更加均匀。闭式涡轮桨主要在混合室的中下部形成单一的环流,径向扰动不足,大三角型桨在混合室的轴向和径向都有足够的循环流场,死区较少。较低功率水平下,两种桨型的混合室上半部分都有油相滞留,但随着功率水平的提高,采用大三角型桨时,油相得滞留现象得到明显改善。在实验验证的模型基础上,通过模拟计算,考察了搅拌形式的变化对混合室内液-液分散和分散相滴径分布的影响。相同的功率水平下,大三角型桨的剪切力较弱,对应的滴径分布更均匀,而闭式涡轮桨则形成更细小的油滴。搅拌桨直径对滴径分布的影响不如功率水平和油相总体积分数影响来得大,但更大桨径下可以形成更细小的油滴和更窄的滴径分布,有利于提高传质效率,产生更好的总体混合效果。在以上工作的基础上,本文对进入澄清室的油水混合物中油滴的凝并过程进行了模拟,考察了进料油滴大小和澄清室体积大小对凝并分层的影响。随着进料中最小油滴滴径减小,油水两相分散带逐渐变宽,分层越来越不明显,水相出口油相夹带率也增大,萃取剂损耗增大;充分的停留时间是澄清分层的基本前提,进料中最小滴径为6μm时,乳化现象严重,需要的澄清室停留时间大于5.5min。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ021.1
【部分图文】：

过程图,聚并,液滴,过程

复力与粘性力作用，相互靠近并发生液膜接触；由于恢复力与粘性力仍大于剪切力，液逡逑滴继续靠近，液膜发生融合，直至聚并成一个液滴，恢复力、粘性力与剪切力达到平衡，逡逑具体过程如图２．１。逡逑？逡逑＼邋Ｉ邋Ｉ逡逑Ｈ邋－邋？丨？邋－逦—邋Ｃ邋ＣＩ一逡逑子液滴逦未聚并液滴逡逑图２．１液滴聚并过程逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｆｏｒ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ逡逑对于搅拌槽内液滴滴径的尺寸大小，Ｔａｙｌ0ｒｌ｜４ｌ认为液滴破碎和聚并过程稳定后的最逡逑大液滴滴径可以表示为：逡逑Ｃ＾ｍａｘ邋Ｋ邋Ｏ＇Ａ逦（２＿，）逡逑式中：ｔ为桨叶剪切应力分量，ａ为液相界面张力。逡逑对于揣流流动，ＨｉｎｚｅＭｌ研究了在液－液两相流流体单一的剪切力作用下，分散相液逡逑滴破碎的临界最小韦伯准数：逡逑

破碎模型,速率模型

许多研究者在基于Ｈｉｎｚｅ－Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ理论进行改进、比较，不断优化模逡逑型。ＣｈｅｎＺｈｏｎｇ等［１６唯后来根据Ａｒａｉ提出的Ｖｏｉｇｔ模型与Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ理论相结合，提逡逑出了新的液滴破碎函数模型，与Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ破碎模型对比如图２．２：逡逑０．９１逡逑，广、、＇逡逑0－＂？逦／逦、＇逦Ｃｈｅｎ邋ｚｈｏｎｇ逡逑—邋＼逡逑ｉ逦逦逡逑戒逦：逦／逦＼逡逑龙邋ｃ逦＊逦／逦ｖＣｏｕｉａＪｏ＾ｌｏｕ逡逑你逦；逦／逦、、、逡逑0１邋人＾、逡逑Ｑ邋逦ｄ．逦逦ａ逦１逦逦ｉ逦逦邋逦逦逡逑—４６逦￣邋Ａ２邋—邋３Ｋ逦３．２邋一邋２８逦￣邋２４逡逑Ｉｎ邋ｘ逡逑图２．２破碎模型对比逡逑Ｆｉｇ．２．２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｂｒｅａｋａｇｅ邋ｍｏｄｅｌ逡逑由图２．２可以看出，根据ＣｈｅｎＺｈｏｎｇ破碎速率模型随着分散相液滴滴径增大，破碎逡逑速率也不断增大，最后趋于平稳；但是，按照Ｃｏｕｌａｌｏｇｌｏｕ破碎速率模型在较大液滴滴逡逑径时，随着液滴滴径增大，破碎速率减小。Ｃｈｅｎ邋Ｚｈｏｎｇ认为Ｃｏｕｌａｌｏｇｌｏｕ破碎速率模型逡逑与实验情况并不吻合。逡逑Ｗｉｂｉｓｏｎｏ等ｆ｜７Ｈ人为，为了更好地了解气液两相流对膜传递过程的强化机理以及优化逡逑两相流传质强化过程

电导电极,探针结构

华东理工大学硕士学位论文逡逑由于不同物质的电导率各不同，双电导电极探针可以根据电导率的变化进行测速，逡逑这一仪器经常用于分散相含率较高以及搅拌混合介质不透明的系统。如图２．３所示双电逡逑导电极探针结构图，在使用该技术过程中，饱和电导溶液将会加入到混合室内搅拌流场逡逑中，随着时间变化，探测和统计电导率的变化情况，进而可以通过计算电导溶液在流过逡逑两个探针的时间差，来获得搅拌槽内各个点的流动速度大小。通过电导溶液在流过两个逡逑探针的时间差来调节电导电极的放置方向，为了保证最小时间差，必须使流体流动方向逡逑与两个探针保持水平。逡逑Ｉ．Ｄ．＝０．６邋ｍｍ逦Ｉ．Ｄ．＝０．３ｍｍ逡逑注射器针头逦注射器针头逡逑逦逡逑＼邋邋＿邋■邋ＪＳｗｗｗｍ邋—邋？Ｍ—邋—邋Ｍｗｗｉｉｆｅｓ邋■■逦ｗｗｔ８１＾—Ｉ邋Ｈ＝１．１２５邋ｍｍ逡逑Ｉ邋Ｖ逦不铸钢管逦ｆ逡逑连接电线逦Ｉ．Ｄ．＝２．０ｍｍ逦／逡逑ｆ逦／？＝０，０５逦／逡逑Ｉ邋ｙ逡逑Ｖ逦Ｊ逡逑ｈ＝０．０２５邋ｍｍ邋／逡逑图２．３双电导电极探针结构图逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｔｈｅ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｕａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ邋ｐｒｏｂｅ逡逑朱峰等［２７］以树脂和玻璃珠为固相颗粒，实验考察了对搅拌槽内固－液两相流条件下逡逑的流场分布特性，主要分析了液相的轴向速度与径向速度。通过比较发现，固相颗粒体逡逑积含率相同时

【参考文献】