关键词：
刚柔组合桨
混合澄清槽
混沌混合
计算流体动力学(CFD)
液-液萃取
非线性
摘要：
稀土元素具有优良的光、电、磁等物理特性,被誉为“现代工业的维生素”和“新材料宝库”,然而稀土资源冶炼技术粗放、产业结构不合理、生产过程污染严重、资源利用率低下,已成为我国稀土产业面临的严峻问题。过程强化技术是解决过程工业“高能耗、高物耗和高污染”问题的有效手段,可望从根本上变革稀土冶炼的面貌。为此,深刻认识稀土冶炼过程中的系统动力学行为和演变机制,指导稀土冶炼过程强化技术的开发和应用,具有重要的理论意义和现实价值。本文以稀土分离使用最广泛的混合澄清槽为研究对象,从搅拌过程强化入手,以煤油和水为工作介质代替萃取剂和稀土离子溶液进行油水两相的混合澄清实验。实验选择新型双层刚柔组合桨作为搅拌桨,通过研究搅拌桨转速、柔性片材质、柔性片尺寸(长度、宽度等)以及刚柔组合桨形式对混合澄清槽内流体流场和混沌特性参数的影响,结合小波分析和Matlab软件,计算最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),研究搅拌槽内流体的混沌混合特性;借助计算流体动力学模拟,分析混合澄清槽内油/水两相流体流动情况,明确其流场结构以及强化流体混沌混合的方法,为混合澄清槽的设计和应用提供理论基础,指导稀土冶炼过程强化技术的开发。本文主要研究结论如下:①刚柔组合桨通过自身的多体运动强化了流体运动特性,抑制了流场中的对称性结构,并且消除了上下两层桨叶间的混合隔离区,使更多的流体进入混沌混合状态。在混合达到最佳状态时,双层桨体系,刚性组合桨体系和刚柔组合桨体系的LLE分别为为0.018、0.055、0.057。②刚柔组合桨通过刚-柔-流的非线性耦合运动实现能量的有效耗散,使整个槽内流体的能量分布更为均匀,流场结构呈现出了较好的轴对称性。在75 rpm时,组合桨体系的多尺度熵较双层桨有很大提高,而刚柔组合桨的混合效果最优。③在刚柔组合桨材质选择上,软质PVC更能强化流体混沌混合。在组合桨结构方面,柔性片长度与层间距比值d为1.2时,混合室内流体混沌混合最好;而随着柔性片宽度的增加刚柔组合桨的混合能力也不断提升,但为了获得较好的澄清效果,一般选择为刚性桨叶直径的1/40～1/10。④刚柔组合桨能够改变搅拌槽内流体流场结构和能量耗散方式,从而实现两相流体混合过程强化,因此柔性连接片或刚性桨叶片的数量越多,流体的湍流强度越大,湍流动能分布越均匀,更有利于实现高效混合操作。
