混合澄清槽设备内部流体力学研究

在考察设备的性能时较早的研究者通常关注混合澄清槽油水相进出口处物料浓度、总体积传质系 数、板效率等宏观参数的变化 ，随着近年来对流体流动的认识和研究的深入，研究者们开始关注桨叶抽吸效应、分散相液滴直径分布等。

1、抽吸效应

混合澄清槽中桨叶的抽吸使相邻澄清段中的油相和水相进入混合室，抽吸能力越强，进入混合室的 流体流量就越大，物料的级间流动能力则越强，对于 相同体积的混合澄清槽，抽吸能力强的设备能处理的 料液流量也越大。因此，抽吸能力是评价设备对物料 处理能力的重要指标。

2、 液

在混合室中，随着搅拌桨的转动，原本连续流动的油相被破坏成较小的液滴散布于水相中，油水两相间的传质和反应也均发生在油水的界面处，而分散相液滴直径直接影响着油水界面的面积。当液滴直径太大时，传质反应不充分导致萃取效率低下，而液滴直径太小，又容易发生分相困难甚至乳化的问题。因此，研究者们开始探索液滴尺寸分布的规律，探索影响液 滴直径的内在因素，努力实现液滴直径分布的可控性。

随着对流体流动的认识和研究不断深入，研究者们在桨叶抽吸效应、分散相液滴直径分布和流场结构等领域开展了大量工作，研究结果表明，设备内部的流体力学特性与宏观性能参数关系密切，利用先进的CFD 技术研究流体力学特性是当前改进混合澄清槽性能的重要手段。 2100433B

1、MSPI（Mixing-settler based on phase inversion）混合澄清槽

为了减小混合澄清槽占地面积，研究者将占地面积较大的澄清槽放置在混合槽底部的做法并不少见，反相槽是其中较有特色的一种，其工艺流程如图1所示 ：

该设备的工作原理是将油水两相通入到顶部的混合室中进行接触传质，充分混合后通过一个多孔板形成大量的混合相液滴并进入澄清段，由于混合相液滴的密度比澄清室顶部的油相密度大，因此会缓慢向下沉降，沉降过程中混合相液滴内的细小油滴逐渐从液滴内部扩散到油相主体，经过充分澄清后液滴中只 剩水相，并最后进入到底部的水相中。

由于采用管式澄清结构，MSPI 型混合澄清槽具 有占地面积小，压槽量低的优点，但是该设备需要将物料通过泵输送到高位混合槽中，消耗大量的电能，因此其工业应用可行性还需进一步研究。

2、无潜室混合澄清槽

搅拌槽的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟和实验研究表明 ，要达到较好的搅拌混合效果，通常需要设定搅拌桨安装高度与搅拌槽高度比值在0.2~0.5间取值。而常见的箱式混合澄清槽中，搅拌桨一般安装在混合室底部紧挨着潜室出口的位置，搅拌效果较差。箱式混合澄清槽这 种结构设计是为了利用搅拌桨的抽吸作用将前后级的油水两相分别吸入混合室中进行搅拌混合，从而提高设备的处理能力。

图2为一种无潜室的混合澄清槽结构图：

无潜室混合澄清槽中通常采用大直径桨叶，叶片旋转形成涡流，促使油水两相直接进入混合室，经搅拌混合后流体从混合相出口进入澄清室中分相，混合相出口设置在远离两液相入口的位置，两相分相完成后分别进入下一级设备。无潜室混合澄清槽无需考虑潜室对桨叶安装高 度和转速的约束，可根据需要选择搅拌桨安装位置并设定相应的搅拌转速，使物料充分混合而又不会过度 搅拌产生乳化现象。但这种无潜室混合澄清槽物料可能未经充分混合便已流出混合室，发生流体的短路现象，同时此设备中物料的级间流动能力较弱，相同体积的设备对物料的处理能力比有潜室槽小。

混合澄清槽具有以下特点 ：

（1）级效率高。在每一级设备内，通过调节搅拌和澄清参数，待萃物的萃取效率可达 90% 以上。

（2）适应性强。当物料中目标溶质浓度或相比变化较大时仍可实现设备的稳定操作和高效萃取。

（3）放大简单。 混合澄清槽的体积可从小逐步放大至立方米级， 不同尺寸设备遵循相似放大的原理

（4）可操作性强。当设备内流体发生液泛或乳化等生产事故时，可通过停车静置的方法解决，恢复正常后重新开车即可迅速恢复运行。

（5）占地面积大。混合澄清槽通常采用多级串联的方式运行，当物料所需萃取级数较大时，整个萃取工艺的占地面积较大。

（6）物料存留量大。在多级串联的运行方式下，需要在开车运行前向槽内加入充足的料液，对于级数较大的萃取工艺过程，设备内存留的料液量巨大，萃取分离企业的一次性投资成本较高。

混合澄清槽虽然出现时间较早，但当前其仍然 在石油、化工、冶金、核工业等领域具有广泛的应用，是当前使用最普遍的萃取设备。因此，国内外研究者不断致力于开发更高效、节能、简单的混合澄清槽形 式，以提高混合澄清槽的综合性能。

混合澄清槽，是最早应用于工业生产的经典萃取设备，它可单级操作，也可多级串联或并联操作。为了加大两相间的接触面积和强化湍流运动，常在混合槽中装设搅拌器，也可采用脉冲或喷射器来实现两相的充分混合。澄清槽的作用是将接近平衡状态的萃取相和萃余相进行分离，对容易澄清的混合液，般依靠两相间的密度差进行分层。

对于两相间密度差小、界面张力小的物系，可选用旋液分离器或碟片式离心机加速两相的分离。操作过程中，原料液先与萃取剂均匀混合，一相液滴分散于另一连续相中，使物料与溶剂密切接触。为避免澄清槽尺寸过大，分散液滴不宜太小，更不能乳化。

从气液分离器来的焦油氨水混合液从澄清槽头部入口进入，氨水经尾部浮焦油渣档板和氨水溢流槽流出。分出渣和氨水的焦油从尾部经液面调节器压出。焦油液位由液面调节器调节。以保证焦油有足够的分离时间。焦油层厚一般为1.3~1.5m的部位应在外部保温，以维持油温和稳定其粘度。焦油渣由槽底刮板输送机经槽的头部斜面下端刮出，焦油渣经过氨水层时被洗去焦油，露出水面后澄干水。板线速度为1.74~13.5m/h速度过高易带出焦油和氨水 。

加速澄清池是将混合、絮凝及沉淀水处理工艺综合到一个池内的澄清池。池中新设一个旋转叶轮，将原水和加入药剂同澄清区沉降下来的回流泥渣混合，经一次及二次混合反应区反应后进入分离区。清水向上溢流流出，剩余流量向下回流经回流缝重新进入一次混合反应区与新进入原水混合。

机械化氨水澄清槽是指利用重力沉降原理分离煤焦油、氨水和焦油渣的焦炉煤气初冷设备的一种。它的槽体截面有船形和矩形 。