环隙式液-液离心萃取强化传质过程湍流控制机理研究

液-液萃取强化传质的流动控制涉及传质特性、流场特性、操作条件和几何结构的多个方面，要求发展跨尺度的分析方法，以体现强化传质和流体控制在多个层次的有机统一。本项目拟从实验研究和数值计算两个方面开展研究，首先建立环隙式液-液离心萃取实验系统，通过操作条件和几何结构等因数调控流场，观察环隙内三个方向速度的分布特征及复杂的涡流场结构，区分出不同流型特征，获得传质的规律性数据；其次研究环隙内Taylor-Couette流的产生和发展过程，预测流动失稳的临界泰勒数及相应的空间失稳波长；进行传质性能与流场形态的关联，形成流场分布与传质效率的关系模型，获得两者的协同机制，阐明离心萃取强化传质过程的湍流控制机理。通过研究，为环隙式液-液离心萃取系统的量化设计提供理论基础。

流动控制强化液-液离心萃取传质问题涉及传质特性，流场分布，几何结构，操作特性等多方面因素。本项目通过PIV试验测试与CFD数值计算，完成了液-液离心萃取机环隙内Taylor-Couette流场特性研究，分析了流动变化机理，流场特性影响参数，以及流场分布与传质性能的关系，还对离心萃取转鼓内流场特性进行了研究。研究得出以下主要结论：环隙子午面内轴向速度和径向速度随着转动雷诺数的增大而增大，流体流动由层流Couette流动到湍流Taylor涡流演变；转鼓内部流场，当转鼓逆时针旋转时以转鼓为参考系，流体相对于转鼓在每个分离腔内形成了逆时针的涡；以Komogorov时间尺度下的局部微混合时间模型来间接研究传质特性，随着转动雷诺数的增加，局部微混合时间变短，有底部导流叶片情况下的混合时间要比无底部导流叶片情况下的混合时间要长，且分布不均匀，在相同操作条件下，得到了优选的萃取模型，混合时间最短且分布最为均匀，混合效果最佳，即传质性能最好；以RSM模型为湍流模型，模拟了不同流量、不同转速下转鼓内的水-气流场，发现转鼓内流动受流量变化影响小，受转速变化影响大。