化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (10): 5468-5479.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2216
汤祺1(), 鲍迪2, 邵少雄1, 徐平1, 刘联伟1, 郑维明1()
收稿日期:
2020-11-05
修回日期:
2021-01-06
出版日期:
2021-10-10
发布日期:
2021-10-25
通讯作者:
郑维明
作者简介:
汤祺(1991—),男,助理研究员,硕士,研究方向为流体力学。E-mail:TANG Qi1(), BAO Di2, SHAO Shaoxiong1, XU Ping1, LIU Lianwei1, ZHENG Weiming1()
Received:
2020-11-05
Revised:
2021-01-06
Online:
2021-10-10
Published:
2021-10-25
Contact:
ZHENG Weiming
摘要:
离子液体是近年来被广泛研究的新兴绿色溶剂,其在乏燃料后处理技术中具有潜在的工业应用前景。但由于缺乏对萃取反应器中离子液体流动特性的研究,制约了离子液体萃取体系的实际应用。本文以萃取工艺中广泛应用的混合澄清槽为对象,以去离子水及1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺盐([C4mim][NTf2])分别作为水相及有机相,考虑上层空气对流动行为的影响,对其混合室进行计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟,考察不同转速、流比及温度下的有机相分布、压力场、湍动程度等。结果表明,模拟结果较好地符合实验结果,且最大误差小于6.3%;转速能直观地提升混合性能,但当超过500r/min后,继续提高转速将显著增大出口气量,从而可能对澄清室的分相性能提出更高要求;增大流比、升温均能提升350r/min转速下的有机、水相混合能力,升温还有效减小了桨力矩,但当温度超过303K时,继续升温对于桨力矩、有机相速度的改变不明显。因此,实际工艺条件建议结合升温与转速调节,在实现较好混合性能的同时,减少对澄清室分相性能的要求。本文在建立离子液体三相体系数值模拟方法的同时,为混合澄清槽的工况优化提供合理建议,并为离子液体萃取体系的深入研究提供了参考。
中图分类号:
汤祺, 鲍迪, 邵少雄, 徐平, 刘联伟, 郑维明. 混合澄清槽内离子液体体系的三相流体动力学模拟[J]. 化工进展, 2021, 40(10): 5468-5479.
TANG Qi, BAO Di, SHAO Shaoxiong, XU Ping, LIU Lianwei, ZHENG Weiming. Three-phase fluid dynamics simulation of ionic liquid system in mixer-settler[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(10): 5468-5479.
名称 | 密度/kg·m-3 | 黏度/mPa·s | 相 |
---|---|---|---|
去离子水 | 998.300 | 1.003 | 主相 |
离子液体[C4mim][NTf2] (纯度99%) | 1440.288 | 62.674 | 第二相 |
空气 | 1.225 | 0.018 | 第三相 |
表1 离子液体、水及空气物性参数
(T=293K,p=101.325kPa)
名称 | 密度/kg·m-3 | 黏度/mPa·s | 相 |
---|---|---|---|
去离子水 | 998.300 | 1.003 | 主相 |
离子液体[C4mim][NTf2] (纯度99%) | 1440.288 | 62.674 | 第二相 |
空气 | 1.225 | 0.018 | 第三相 |
方程名称 | 方程式 | 序号 |
---|---|---|
连续性方程 | (1) | |
动量方程 | (2) | |
RNG k-ε湍流模型 | (3) | |
(4) | ||
曳力系数模型 | ||
(5) | ||
液滴的Sauter平均直径模型[ | (6) | |
(7) | ||
N-phase 体积分数方程 | (8) | |
水力直径 | 圆形:DH=Di | (9) |
长方形:DH=2HW/(H+W) | (10) | |
湍流强度 | (11) |
表2 欧拉-欧拉模型控制方程
方程名称 | 方程式 | 序号 |
---|---|---|
连续性方程 | (1) | |
动量方程 | (2) | |
RNG k-ε湍流模型 | (3) | |
(4) | ||
曳力系数模型 | ||
(5) | ||
液滴的Sauter平均直径模型[ | (6) | |
(7) | ||
N-phase 体积分数方程 | (8) | |
水力直径 | 圆形:DH=Di | (9) |
长方形:DH=2HW/(H+W) | (10) | |
湍流强度 | (11) |
水相入口流量/mL·min-1 | 有机相入口流量/mL·min-1 | 流比(a∶o) |
---|---|---|
25 | 25 | 1∶1 |
25 | 20 | 5∶4 |
25 | 15 | 5∶3 |
25 | 10 | 5∶2 |
表3 4种流比下的有机相及水相流量
水相入口流量/mL·min-1 | 有机相入口流量/mL·min-1 | 流比(a∶o) |
---|---|---|
25 | 25 | 1∶1 |
25 | 20 | 5∶4 |
25 | 15 | 5∶3 |
25 | 10 | 5∶2 |
流比 | 水相体积/m3 | 有机相体积/m3 | 两相相比 |
---|---|---|---|
1∶1 | 5.52×10-5 | 4.47×10-5 | 1.23 |
5∶4 | 5.57×10-5 | 4.42×10-5 | 1.26 |
5∶3 | 5.60×10-5 | 4.39×10-5 | 1.28 |
5∶2 | 5.72×10-5 | 4.32×10-5 | 1.33 |
表4 不同流比下混合室内的水相、有机相相比(体积比)
流比 | 水相体积/m3 | 有机相体积/m3 | 两相相比 |
---|---|---|---|
1∶1 | 5.52×10-5 | 4.47×10-5 | 1.23 |
5∶4 | 5.57×10-5 | 4.42×10-5 | 1.26 |
5∶3 | 5.60×10-5 | 4.39×10-5 | 1.28 |
5∶2 | 5.72×10-5 | 4.32×10-5 | 1.33 |
温度/K | 离子液体密度/kg·m-3 | 黏度/mPa·s |
---|---|---|
293 | 1440.288 | 62.674 |
298 | 1435.433 | 50.069 |
303 | 1430.595 | 41.178 |
308 | 1425.688 | 34.779 |
表5 不同温度下的离子液体物性参数
温度/K | 离子液体密度/kg·m-3 | 黏度/mPa·s |
---|---|---|
293 | 1440.288 | 62.674 |
298 | 1435.433 | 50.069 |
303 | 1430.595 | 41.178 |
308 | 1425.688 | 34.779 |
温度/K | 水相体积/m3 | 有机相体积/m3 | 两相相比 |
---|---|---|---|
293 | 5.52×10-5 | 4.47×10-5 | 1.23 |
298 | 5.53×10-5 | 4.47×10-5 | 1.24 |
303 | 5.56×10-5 | 4.45×10-5 | 1.25 |
308 | 5.58×10-5 | 4.44×10-5 | 1.26 |
表6 不同温度下混合室内水相、有机相相比(体积比)
温度/K | 水相体积/m3 | 有机相体积/m3 | 两相相比 |
---|---|---|---|
293 | 5.52×10-5 | 4.47×10-5 | 1.23 |
298 | 5.53×10-5 | 4.47×10-5 | 1.24 |
303 | 5.56×10-5 | 4.45×10-5 | 1.25 |
308 | 5.58×10-5 | 4.44×10-5 | 1.26 |
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