戴新銳 李春林 王仕博 徐建新 肖清泰

(1.冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，2.冶金化工節(jié)能環(huán)保技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，3.鑫聯(lián)環(huán)保科技股份有限公司)

攪拌是過程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作。常見的攪拌方式有機(jī)械攪拌[1]、氣流攪拌[2]和外場攪拌[3]三種，分別利用機(jī)械動力、壓縮空氣和超聲波/電磁力的作用進(jìn)行攪拌，其中最便捷高效的是機(jī)械攪拌。使用常規(guī)機(jī)械攪拌器勻速攪拌時，攪拌槽中會形成在攪拌器槳葉的上下方不參與對流流動的混合隔離區(qū)和混合較快的混沌區(qū)[4-5]?；煦缁旌鲜橇黧w運(yùn)動非線性的拉伸、折疊，打破流場的對稱結(jié)構(gòu)，增加流體的混合效率的方式。工程上通常采用變速攪拌[6]、偏心攪拌[7-8]和剛?cè)針獢嚢鑋9-10]實(shí)現(xiàn)流體的混沌混合。

高黏度流體混合在常規(guī)攪拌器下剪切速率低，一直是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。對于攪拌槽內(nèi)的整個流場而言，混合效率取決于高低剪切區(qū)交換速率，兩區(qū)域的交換速度快則混合效果好，相反則混合效果差。行星式攪拌槳具有復(fù)雜的運(yùn)動軌跡與復(fù)合的攪拌性能，在工業(yè)上得到廣泛運(yùn)用。

蔣宇健等[11]研究了通過螺距變化得到不同類型螺旋類攪拌槳對軸向循環(huán)能力的影響。楊伶等[12]用粒子示蹤法研究了粉料在雙臂行星攪拌槽中流場內(nèi)的運(yùn)動軌跡，并對最高剪切速率做了探討。

上述行星槳研究，主要針對槳型及其相關(guān)工藝參數(shù)的改變，研究槳葉的運(yùn)動軌跡及流場分布，但缺少定量的結(jié)果評價，尤其缺乏在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。因此文章對偏心自轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)兩種攪拌方式結(jié)合實(shí)驗(yàn)與仿真的方法，探究高黏度流體攪拌過程，揭示了流體的混合特性，優(yōu)化了攪拌器結(jié)構(gòu)。

1 凈化實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

文章使用鋅粉—銻鹽法除鎘，由電化學(xué)原理可知，鋅粉從硫酸鋅溶液中置換出鎘的反應(yīng)式：

Zn+Cd2+=Zn2++Cd

(1)

此類氧化還原反應(yīng)視為無數(shù)微電池的總和。過量鋅粉形成微電池的陽極，銻等活化劑形成微電池的陰極[13-15]。反應(yīng)過程主要有兩個步驟：一是金屬離子的擴(kuò)散，二是電化學(xué)反應(yīng)。置換反應(yīng)具體由前者控制，還是由后者控制，或是二者混合控制，根據(jù)公式(2)判定：

(2)

查表可得ΔE0=0.36 V，由于銻鹽的加入可以提升電極電位差，所以反應(yīng)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)電極電位差要大于0.36V。這意味著利用鋅粉—銻鹽凈化法除鎘時，電化學(xué)反應(yīng)受擴(kuò)散控制，因而槽體內(nèi)的攪拌效率也影響著最后的凈化結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的攪拌裝置，如圖1所示。硫酸鋅浸出液的粘度為3 400 mPa·s，屬于高黏度流體。水浴加熱，實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃。采用兩種旋轉(zhuǎn)方式：(1)偏心自轉(zhuǎn)：單一的偏心布置，僅槳葉自轉(zhuǎn)；(2)自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)，槳葉隨軸桿在全局公轉(zhuǎn)，其自身槳葉發(fā)生自轉(zhuǎn)。

圖1 凈化實(shí)驗(yàn)裝置

2 數(shù)理模型及計(jì)算方法

2.1 模型與網(wǎng)格劃分

采用的是6DT槳，槽體高H1為0.3 m，直徑D1為0.4 m，槳葉離底高度H2為0.1 m，槳葉直徑D2為0.16 m，偏心率ε為0.5，具體如圖2所示。工作介質(zhì)為甘油，其密度為ρ=1.261 3 g/cm3。全局采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，偏心自轉(zhuǎn)網(wǎng)格數(shù)為998 249，自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)網(wǎng)格數(shù)為2 602 449。將計(jì)算流體域劃分為包含攪拌槳的轉(zhuǎn)子區(qū)域和靜子區(qū)域。利用UDF編譯實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5 rad/s，方向順時針；自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10 rad/s，方向順時針。

圖2 攪拌器幾何模型尺寸

2.2 控制方程

基于計(jì)算流體力學(xué)的三大守恒定律，得到柱坐標(biāo)系下流體力學(xué)基本方程的微分形式：

(1)連續(xù)性方程：

(3)

(2)運(yùn)動方程：

(4)

(5)

(6)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；μ為動力學(xué)粘性系數(shù)，kg/(m·s)，對于不可壓縮流體divv=0。

3 結(jié)果與討論

3.1 凈化實(shí)驗(yàn)

兩種攪拌方式下，凈化液中Cd2+濃度和凈化率隨時間變化如圖3 所示。隨著加入過量鋅粉，槽內(nèi)反應(yīng)受制于擴(kuò)散控制，自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)下，溶液中Cd2+快速置換析出。在60 min時，自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的凈化率達(dá)到96.9%，相對于偏心自轉(zhuǎn)效率提高了64%。因?yàn)楠?dú)特的轉(zhuǎn)動方式使得槽內(nèi)重復(fù)性的擬序結(jié)構(gòu)被破壞，鋅粉顆粒與雜質(zhì)離子相互接觸碰撞幾率大大提高，從而顯著增大了反應(yīng)速率。

3.2 流場結(jié)構(gòu)

兩種攪拌方式下x-z截面動量擴(kuò)散隨時間變化如圖4所示。偏心自轉(zhuǎn)短時間(0.056 s)內(nèi)，攪拌槳上下兩側(cè)出現(xiàn)層流狀態(tài)的“混合隔離區(qū)”，隨著攪拌槳的動量輸入，隔離區(qū)狀態(tài)打破，動量向外輸出。3.6 s之后內(nèi)部流體混合出現(xiàn)“偽均勻”。

0.056 s時，公轉(zhuǎn)運(yùn)動使得動量很好地傳遞至壁面，伴隨著槳葉自轉(zhuǎn)，環(huán)流不再局限于同一平面。隨著攪拌過程的運(yùn)行，3.6 s時，槳葉運(yùn)動到右側(cè)壁面，附近流體受壓力差驅(qū)動，引發(fā)軸向流擾動至整體流場，軸向循環(huán)的增強(qiáng)促使高低剪切區(qū)交換速率提高，打破流體混合的“偽均勻”，強(qiáng)化了混合效果。

3.3 流場速度分布

1.2 s時，兩種攪拌方式下軸向速度對比，如圖5。L1的位置為r/R=-0.95，L2位置為r/R=0，如圖5所示。如圖5(a)L1位置，偏心自轉(zhuǎn)條件下的軸向速度均幾乎為零，短時間存在“死區(qū)”，速度梯度變化極小，而自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)在全局內(nèi)攪動，不同流體間發(fā)生速度滑移，使得流體邊界層附近均具有良好的軸向交換能力。如圖5(b)L2位置，自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)得益于軸桿公轉(zhuǎn)，高低壓區(qū)形成剪切力引起明顯軸向流?？朔似淖赞D(zhuǎn)暫時的“死區(qū)”現(xiàn)象，平均軸向速度較偏心自轉(zhuǎn)提高了756.3%，流體混合更劇烈。

圖濃度及凈化率隨時間變化

圖4 x-z截面動量擴(kuò)散隨時間變化

圖5 1.2 s時，兩種攪拌方式下軸向速度對比

3.4 機(jī)理分析

自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)流團(tuán)運(yùn)動軌跡，如圖6所示。槳葉轉(zhuǎn)動為整體流場運(yùn)動提供驅(qū)動力，將動量傳遞給流體，整個流場內(nèi)形成三個大流團(tuán)：少量3號流團(tuán)從槳葉前方出發(fā)，沿著攪拌槽圓周進(jìn)行環(huán)流運(yùn)動；1號流團(tuán)由大量軸向流組成，高速的軸向流從槽底出發(fā)，穿過整個流場到達(dá)槽頂后立即轉(zhuǎn)向沿軸向沉降并與3號流團(tuán)匯合；2號流團(tuán)由等量的徑向流與軸向流構(gòu)成，從槽底螺旋爬升至流場頂部，并在中心軸處沉降與另外兩股流團(tuán)相匯，形成徑向流在槳葉尾端富集。整體上流場內(nèi)部保持多股流團(tuán)運(yùn)動，在不同局部位置仍隨機(jī)發(fā)生融合與分離。

圖6 自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)流團(tuán)運(yùn)動軌跡

槳葉在自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)運(yùn)動方式下，引起流場高低壓力區(qū)隨時間在不同空間位置發(fā)生變化，使得平滑的流體跡線發(fā)生折疊與拉伸，流體微粒的運(yùn)動路徑變長。伴隨著速度梯度區(qū)域的改變，凈化液中無論是宏觀固體微粒還是微觀離子，在空間上的碰撞機(jī)率都顯著增大，進(jìn)而短時間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡的遍歷性，引發(fā)流場內(nèi)的混沌混合，使得凈化液內(nèi)的置換反應(yīng)更加徹底，大大提高了凈化速率，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的工藝目標(biāo)。

4 結(jié)論

文章對偏心自轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)兩種攪拌方式的混合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真的對比研究，得出了以下結(jié)論：

(1)在凈化實(shí)驗(yàn)60 min時，自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的凈化率達(dá)到96.9%，相對于偏心自轉(zhuǎn)效率提高了64%。反應(yīng)速率大大提高，縮短了反應(yīng)時間。

(2)公轉(zhuǎn)使得槳葉全局?jǐn)噭?，不同流體間發(fā)生速度滑移，流體邊界層附近均具有良好的徑向與軸向交換能力。

(3)自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)工況下，攪拌槽內(nèi)以全局軸向流為主，因而不同層流體發(fā)生頻繁的空間位移，混合更加劇烈。在相同能量輸入下，使得不同流體混合更迅速，節(jié)省時間。