多相化工体系中液液萃取传质过程数值模拟

《多相化工体系中液液萃取传质过程数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第十二届全国计算流体力学会议论文西安·2004年8月17日～20日多相化工体系中液液萃取传质过程数值模拟于欣，杨国伟，张德良(中国科学院力学研究所，北京，100080)捅璺液一液萃取是化工体系中广泛应用的分离技术。它具有选择性高、分离效果好、适应性强等优点。液一液萃取过程中的两相流动和相际传质极为复杂，两相的密度差、粘度、互溶度、界面张力及体系纯度等许多因素对其都有重要影响。Marangoni效应是液一液萃取过程中的重要现象。对液一液系统液滴传质的Marangoni效应的研究论著中，目前还未见有数值模拟方面的工作。本文对单液滴在不互溶介质中运

2、动和传质过程进行了数值模拟，考虑轴对称情况，采用正交贴体坐标变换，通过协变Laplace方程将液滴内外的求解区域变换成计算平面上几何形状规整的正方形区域。采用Ryskin等人的ADI方法求解动量方程在正交贴体坐标系下离散化得到的代数方程组。浓度的对流扩散方程用Patankar提出的控制容积法离散，对流项用幂函数方案离散。0引言液一液萃取是在二十世纪得到迅速发展的一种重要的分离技术。它利用溶质在两种互不相溶或部分互溶的液相之问分配系数不同的性质来实现一种或多种溶质的分离或提纯。该分离方法可以根据分离对象和要求选择适当的萃取剂和流程，具有选择性高

3、、分离效果好、适应性强等优点[卜6]。液一液萃取具有悠久的历史，有人称之为“成熟技术”。但是，液一液萃取过程中的两相流动和相际传质极为复杂，两相的密度差、粘度、互溶度、界面张力及体系纯度等许多因素对其都有重要影响。因此许多研究者尝试用实验或理论的方法寻找具有普遍规律的理论模型或经验关联式，但一直无法得到理想结果。液一液萃取存在着进一步研究的需要和巨大的应用潜力。Marangoni效应是液一液萃取过程中的重要现象。它的产生是由于表面张力敏感于表面浓度导致的水动力学的不稳定性。多年前人们就知道，溶质传递过程中，液滴的表面(界面)上局部浓度梯度会引

4、起表面张力增加或减少，从而引起附加的(液一液溶质萃取中的)表面对流。如果这个对流是局部的，通常它将在子液滴尺度上产生局部流动图案，导致垂直于表面方向的对流，使得相界面传质加强，化工界将这个现象称为Marangoni效应[4][5]。相界面传质中的各种现象通称为Marangoni效应，诸如：液滴局部喷发(10calizederuption)、有节奏地鼓动(droppulsation)、踢出(kicking)、及表面撕裂(surfacerippling)[6]。实际萃取过程中分散相和连续相总是或多或少地被不纯净的表面活性剂污染[9][5]。[8]

5、[17]比较了一些预测界面Marongoni对流稳定性准则，发现液一液体系添加表面活性剂后，各种准则均不够准确，小剂量的表面活性剂就可以使体系传质系数大大改变(可能降低到原来的三分之一左右)，虽然此时液滴上升或下降的速度的改变并不大。因此研究表面活性剂对萃取传质体系的影响是非常必要的。Marangoni效应是液一液萃取过程中的重要现象。目前对其机理和形成的时空多尺度结构的定量规律研究的还不够充分[7]。对液一液系统液滴传质的Marangoni效应的研究论著中，目前还未见有数值模拟方面的工作。ThermocapillaryMarangoni效应

6、的数值模拟工作见[13][14][15]。Lee＆Ha＆Chun(2001)做了气一液表面Marangoni效应模拟[16]。多相化工体系中液液萃取传质过程数值模拟本文尝试从液一液萃取的过程的中心～液滴为对象，模拟单液滴的运动及传质过程。我们(对轴对称问题)计算中采用正交贴体坐标变换，通过协变Laplace方程将液滴内外的求解区域变换成计算平面(告，，7)上几何形状规整的正方形区域。1控制方程考虑单液滴(分散相)在无限不互溶流体介质(连续相)中以恒定速度运动。将坐标系固定在液滴上。在这个坐标系中，液滴不动，远离液滴处速度非零(考虑为来流)。设

7、液滴内外为粘性不可压缩流体，作轴对称流动。则控制方程为：V·U=0(连续方程1掣+“．Vpu：一勖+胛2“dt(Navier-Stokes方程)詈枷，‘乳，_D儿小1，2(浓度方程)其中“为速度向量，P为密度，P为压力，∥为粘性系数，c。表示浓度(下标i=l，2。i=l对应∥液滴外部，i=2对应液滴内部)。图1单液滴传质实验图这样的自由表面问题求解区域几何形状比较复杂，难以用一般的方法精确地施加边界条件。我们(对轴对称问题)计算中采用正交贴体坐标变换，通过协变Laplace方程将液滴内外的求解区域变换成计算平面(善，叩)上几何形状规整的正方形

8、区域，见图2，图3：图2液滴示意图(坐标系固定在液滴上。左面对应于图1中传质实验图的上面)兰±三璧竺望茎篓鎏堡查量叁鏊鎏茎登室：!瞠兰!墨!：望二!!壁Y麝瓢矿。图